管樁起重機(jī)防傾斜擺臂的設(shè)計(jì)

董富祥，楊棋劍

（浙江麒龍起重機(jī)械有限公司，浙江 紹興312043）

1　管樁起重機(jī)的工況特點(diǎn)及配置防傾斜擺臂的必要性

混凝土管樁生產(chǎn)采用流水線循環(huán)生產(chǎn)布置，配置在流水線上的管樁起重機(jī)大車運(yùn)行速度很快。由于追求高產(chǎn)量，所以起重機(jī)司機(jī)操作比較急躁，普遍存在將大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的制動(dòng)器放松后，采用打反向運(yùn)行的制動(dòng)方式停車。這種操作使起重機(jī)產(chǎn)生較大的慣性力，傳統(tǒng)擺臂對(duì)小車產(chǎn)生一個(gè)較大的彎矩，可能使小車發(fā)生傾轉(zhuǎn)，影響安全。

管樁起重機(jī)，如圖1所示，采用雙梁雙小車橋式起重機(jī)型式，在吊鉤下面懸掛自動(dòng)夾具吊梁，吊梁下方布置卡式自動(dòng)夾具。自動(dòng)夾具接觸管模跑輪的瞬間，由于吊梁中心線與管模中心線存在一定的偏移，導(dǎo)致自動(dòng)夾具會(huì)沿著跑輪的圓弧下滑進(jìn)而吊梁產(chǎn)生傾斜，在吊梁傾斜的狀態(tài)下起重機(jī)司機(jī)就無(wú)法夾持管模，所以必須配置防止吊梁傾斜的擺臂，滿足迅速夾持管模的作業(yè)要求。起重機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下：整機(jī)工作級(jí)別為A7～A8，操作型式室操，起重量按“管樁+管?！敝亓靠蛇x 8 t+8 t、10 t+10 t、16 t+16 t、20 t+20 t，起升速度 13～15 m/min，小車速度 40 m/min，大車速度110～120 m/min.

圖1　管樁生產(chǎn)專用起重機(jī)總圖

2　傳統(tǒng)防傾斜擺臂的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)缺陷

2.1　傳統(tǒng)防傾斜擺臂上部結(jié)構(gòu)型式

如圖2所示，傳統(tǒng)防傾斜擺臂上部結(jié)構(gòu)型式為單向（僅為起升方向可運(yùn)動(dòng)，大車運(yùn)行方向?yàn)閯傂月?lián)接）鉸接型式，該結(jié)構(gòu)型式雖然在防傾斜原理上是簡(jiǎn)單明了的，但是，當(dāng)起重機(jī)滿載時(shí)（管樁+管模+夾具吊梁）的重量，在大車高速運(yùn)行時(shí)，突然反向運(yùn)行的制動(dòng)方式下（管樁生產(chǎn)特有的惡劣操作方式），加（減）速度相當(dāng)于正常運(yùn)行時(shí)的2倍，大車的慣性力很大。此種結(jié)構(gòu)因?yàn)樾≤囅虏康姆纼A斜擺臂上支座與銷軸座之間在大車運(yùn)行方向?yàn)椴豢蛇\(yùn)動(dòng)的剛性聯(lián)接（通常為焊接），大車慣性力對(duì)小車產(chǎn)生的彎矩較大，在突然大車反向運(yùn)行制動(dòng)的瞬間會(huì)導(dǎo)致整臺(tái)小車產(chǎn)生側(cè)翻、脫軌[1]的事故，嚴(yán)重影響起重機(jī)作業(yè)安全。同時(shí)，鉸軸座和防傾斜擺臂上支座的焊縫處由于大車慣性力產(chǎn)生的彎矩很大，經(jīng)常會(huì)發(fā)生焊縫斷裂或者焊縫應(yīng)變區(qū)的鋼板母材撕裂，所以此擺臂的結(jié)構(gòu)型式存在明顯的安全隱患，不能滿足管樁生產(chǎn)的實(shí)際需要。

圖2　傳統(tǒng)擺臂

2.2　分析計(jì)算

以QE10t+10t管樁起重機(jī)為例，滿載（管樁+管模+吊梁）起重量Q為20 t，小車自重G為3.3 t，小車軌距L為2 m，吊梁下滿載時(shí)的重心與小車軌道頂面的高度差H=10 m，大車運(yùn)行速度110 m/min，查起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[2]，可知，加（減）速度a選擇為0.47 m/s2.

如圖3所示，大車在吊梁滿載時(shí)，管樁、管模和吊梁產(chǎn)生的慣性力[2]：

P慣=1.5ma=28 200 N（由于直接反向運(yùn)行操作，此時(shí)的a為正常值的2倍）

由管樁、管模和吊梁在大車運(yùn)行反向制動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力，通過防傾斜擺臂，對(duì)小車產(chǎn)生一個(gè)相當(dāng)大的彎矩[3]：

M慣=P慣·H=282 000 N·m

兩臺(tái)小車滿載時(shí)同一側(cè)小車軌道上的4只輪子的輪壓：

4P壓=（Q+2G）/2=13 300 kg

兩臺(tái)小車同一側(cè)小車軌道上的4個(gè)車輪對(duì)防傾斜擺臂所產(chǎn)生的反抗彎矩[3]：

M抗=4P壓·L=260 680 N·m

因M慣＞M抗，所以小車會(huì)產(chǎn)生側(cè)翻脫軌（計(jì)算結(jié)果和實(shí)際發(fā)生的情況是相符的），傳統(tǒng)防傾斜擺臂嚴(yán)重存在安全隱患。

圖3　傳統(tǒng)擺臂大車反向制動(dòng)時(shí)力學(xué)模型圖

3　創(chuàng)新設(shè)計(jì)雙向鉸接式防傾斜擺臂

3.1　雙向鉸接式擺臂上部結(jié)構(gòu)型式

如圖4所示，雙向鉸接式防傾斜擺臂上部垂直雙向鉸接型式。和傳統(tǒng)防傾斜擺臂的結(jié)構(gòu)比較，增加了圖3的2零件鉸軸一，傳統(tǒng)上部結(jié)構(gòu)的剛性聯(lián)接改成了鉸接式聯(lián)接。管樁生產(chǎn)所要求的防傾斜擺臂作用，主要是為了自動(dòng)夾具接觸到管模跑輪的瞬間不能出現(xiàn)夾具沿著管模跑輪的圓弧下滑進(jìn)而發(fā)生吊梁傾斜。如果沒有防傾斜擺臂，由于吊鉤鋼絲繩是柔性的，在大車運(yùn)行方向上夾具吊梁中心線與管模的中心線或多或少的會(huì)存在一定的偏移量，就會(huì)自然而然發(fā)生夾具吊梁傾斜的情況，吊梁傾斜就會(huì)導(dǎo)致起重機(jī)司機(jī)無(wú)法夾持管模，嚴(yán)重影響管樁的生產(chǎn)效率。

圖4　雙向鉸接式防傾斜擺臂上部結(jié)構(gòu)型式

當(dāng)?shù)趿簼M載時(shí)，大車反向制動(dòng)操作時(shí)大車的慣性力很大，采用了雙向鉸接式防傾斜擺臂就能夠通過吊梁、擺臂和管模一起圍繞鉸軸一擺動(dòng)，從而消耗掉由大車慣性力產(chǎn)生的彎矩，徹底消除了傳統(tǒng)擺臂的設(shè)計(jì)缺陷。同時(shí)，夾具吊梁通過本身設(shè)置的導(dǎo)板定位裝置迅速定位在管模上，夾具吊梁的中心線與管模的中心線的偏移量一般能夠控制在±30 mm以內(nèi)，由此偏移傳遞給小車的水平力很小，不足以導(dǎo)致小車在主梁軌道上產(chǎn)生位移。所以，吊梁在防傾斜擺臂的作用下不會(huì)產(chǎn)生傾斜或傾倒，雙向鉸接式防傾斜擺臂在管樁生產(chǎn)中迅速夾持管模發(fā)揮了很大的作用。

3.2　分析計(jì)算

圖5是夾具吊梁和管模偏移示意圖。夾具吊梁中心線與管模的中心線存在的偏移量e，夾具對(duì)吊梁產(chǎn)生F向的水平推力，該推力通過擺臂傳遞到小車上，使得小車受到C向的水平推力。

圖5　夾具吊梁和管模偏移示意圖

現(xiàn)以QE10t+10t管樁起重機(jī)為例，滿載(管樁+管模+吊梁)起重量Q為20 t，小車自重G為3.3 t/只 ×2只，吊梁下滿載時(shí)的重心與小車軌道頂面的高度差H=10 m，夾具吊梁中心線與管模的中心線存在的偏移量e控制在≤30 mm（計(jì)算取e=30 mm）。

吊梁滿載時(shí)，吊梁由于中心偏移產(chǎn)生的對(duì)小車的水平力Fx[3]：

當(dāng)夾具接觸管模時(shí)，按起重量為零時(shí)考慮兩只小車位移所需的水平力[Fx][3]：

Fx＜[Fx]，所以，水平力Fx不足以能讓小車產(chǎn)生水平位移。由此可見，防傾斜擺臂的作用是可靠有效的。

4　雙向鉸接式防傾斜擺臂的使用效果

本創(chuàng)新設(shè)計(jì)雙向鉸接式防傾斜擺臂應(yīng)用后的管樁起重機(jī)，已經(jīng)過許多管樁廠的實(shí)際生產(chǎn)檢驗(yàn)，防傾斜效果好，生產(chǎn)效率高，并且安全可靠，使用壽命長(zhǎng)。

5　結(jié)束語(yǔ)

防傾斜擺臂作為管樁起重機(jī)提高生產(chǎn)效率和安全性的裝置，其作用十分重要，傳統(tǒng)的防傾斜擺臂又存在很大的安全隱患。本文論述的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，防傾斜擺臂與上支座采用雙向鉸接的型式，能廣泛的應(yīng)用于各種管樁生產(chǎn)起重機(jī)，解決了生產(chǎn)效率與安全性的難題。