基于塔式起重機頂升防傾翻系統(tǒng)的研究

賀生龍， 李永豐

（中國鐵建重工集團有限公司,長沙410000）

0 引言

塔式起重機在頂升過程中，塔機上部是否處于平衡狀態(tài)對塔機的安全至關(guān)重要，據(jù)有關(guān)事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計，有50%的重大安全事故與頂升過程有關(guān)，其中又有50%與塔機在頂升過程中未配平相關(guān)[1]。目前，行業(yè)內(nèi)無有效檢測塔機頂升時上部結(jié)構(gòu)是否處于平衡狀態(tài)的方案，因此，對塔機頂升過程中的平衡狀態(tài)缺乏有效的安全監(jiān)控。

本文通過建立塔式起重機在頂升時爬升架滾輪的受力數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合試驗研究，初步論證了滾輪受力模型的正確性，確定塔機在不同頂升工況下滾輪受力對不平衡狀態(tài)檢測的準(zhǔn)確性，并論證了其應(yīng)用的可行性，進一步確定上部不平衡力矩安全邊界值，為制定相應(yīng)安全保護控制策略提供技術(shù)支持，讓塔機頂升作業(yè)人員能夠?qū)崟r掌握塔機平衡狀態(tài)，提高塔機作業(yè)安全性，防范重大安全事故的發(fā)生。

1 數(shù)學(xué)模型及實驗分析

1.1 塔機頂升過程中的數(shù)學(xué)模型

本文主要研究垂直力自重彎矩 (即上部不平衡力矩)對滾輪受力的影響，塔機頂升過程中,爬升架所受的外載荷可分為垂直力N、風(fēng)載荷Fx、彎矩M，如圖1所示。

圖1 塔機受力分析

三種外載荷對爬升架滾輪力[3－5]作用力如圖2所示，分別求解得到式（1）～式（3）。

圖2 塔機分解受力分析

對圖2（a）中垂直力N分解、整理得到下式：

對圖2（b）中風(fēng)載荷Fx分解得到下式：

對圖2（c）中彎矩M分解得到下式：

用迭加方法求得最終滾輪受力公式為

式中：MN為垂直力N產(chǎn)生的自重彎矩，MN=N·e，t·m；Mx為頭部水平載荷對爬升架頂部產(chǎn)生的彎矩，Mx=Fx·h0，t·m；FU為上層滾輪受力；FD為下層滾輪受力。

忽略風(fēng)載荷影響后，滾輪受力如式（5）所示：

萬姐的家，比我想象的還要簡陋，土坯的房子，坍塌了一半。我見到了她的女兒小潔，自從萬姐去世后，她就一個人固執(zhí)地生活在這幢破敗的房子里。

根據(jù)上下層滾輪受力,可以推導(dǎo)出頂升時的自重彎矩，如式（6）所示：

當(dāng)上下層滾輪受力相等可以推導(dǎo)出頂升時理論平衡狀態(tài)的自重彎矩，如式（7）所示：

1.2 實驗分析

本文設(shè)計實驗測試現(xiàn)場如圖3所示，通過檢測小車變幅值、頂升高度值、吊重值并結(jié)合塔機頂升過程中的數(shù)學(xué)模型，推算出各層滾輪的受力情況，同時加裝銷軸傳感器，用于采集不同工況下的爬升架滾輪受力實時數(shù)據(jù)，通過對比理論數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)，以驗證頂升工況平衡檢測方法的準(zhǔn)確性。

圖3 實驗現(xiàn)場

1.2.1 實驗系統(tǒng)組成

主要實驗設(shè)備如表1所示。

其他設(shè)備：經(jīng)緯儀，5 m卷尺、對講機3對，塔機（標(biāo)準(zhǔn)節(jié)數(shù)量配至獨立高度）。其中，共安裝銷軸傳感器16個，具體位置及編號如圖4所示?，F(xiàn)場安裝銷軸傳感器后，如圖5所示。

表1

圖4 滾輪銷軸測力傳感器編號

圖5 滾輪受力檢測

1.2.2 實驗環(huán)境及參數(shù)為了便于分析上下層滾輪的受力力學(xué)模型，實驗條件及要求如下：1)實驗環(huán)境溫度：5～35℃；2)塔機工作狀態(tài)吊載試驗風(fēng)速≤3m/s；3)滾輪間隙為零；4)獨立高度48 m；5）準(zhǔn)備砝碼為1.35 t；6)塔機用混凝土基礎(chǔ)應(yīng)能承受工作狀態(tài)、非工作狀態(tài)和安裝工況下的最大載荷，并應(yīng)滿足塔機抗傾翻穩(wěn)定性的要求。

頂升測試實驗已知參數(shù)如表2所示。

表2 頂升測試實驗已知參數(shù)

1.2.3 實驗結(jié)果

通過調(diào)整小車變幅位置來測量上部不平衡彎矩，實驗結(jié)果如圖6所示，隨著小車向臂尖位置移動，即變幅值增加，塔機后傾彎矩減小。

上部不平衡力矩與上下層滾輪受力如圖7所示，實測表明滾輪受力與理論值能夠較好地吻合，實驗?zāi)Ｐ洼^好地證明了理論模型的正確性。隨著上部不平衡力矩增加，上層滾輪受力逐漸減小，下層滾輪受力逐漸增大。

圖6 滾輪受力與小車變幅的關(guān)系

圖7 滾輪力與上部不平衡力矩的相互關(guān)系

根據(jù)上下層滾輪受力相等，可以推導(dǎo)出頂升時理論平衡狀態(tài)的自重彎矩，通過實驗與理論對比，理論與實驗的理想配平彎矩能夠較好地吻合。

圖8 實測值與理論值誤差值

如圖8所示，其理論值與滾輪實測受力值差值在5%以內(nèi)，說明理論模型與實驗?zāi)Ｐ湍芑疚呛稀?/p>

2 可行性分析

2.1 安全邊界值的確定

根據(jù)現(xiàn)有國內(nèi)外起重機標(biāo)準(zhǔn)，初步確定塔機頂升工況下上部不平衡力矩的安全邊界值。

國外起重機標(biāo)準(zhǔn)EN 14439：2011(E)附錄F中規(guī)定最小的頂升設(shè)計不平衡彎矩（以下簡稱不平衡彎矩M0）為以下兩者值的最大值：1）10%×Mc。其中Mc為關(guān)于油缸鉸點在不吊載情況下的頭部自重彎矩。2）5%×Ms。其中Ms為關(guān)于塔機回轉(zhuǎn)中心在不吊載情況下的頭部自重彎矩。

圖9安全邊界值

綜上所述，設(shè)計不平衡彎矩M0≥max(10%×Mc，5%×Ms)。

如圖9所示，依據(jù)材料極限邊界值和預(yù)留的設(shè)計余量，可以確定設(shè)計安全邊界值，從而確定預(yù)留的操作空間和正常頂升邊界值，對頂升防傾翻預(yù)警系統(tǒng)具有較大的參考意義。

2.2 安全邊界值的確定

隨著上部不平衡力矩的變化，滾輪力變化明顯，能夠準(zhǔn)確地反映不平衡力矩的變化，因此，通過滾輪受力可以進一步判斷塔機的傾斜方向。

圖10 頂升狀態(tài)防傾翻預(yù)緊系統(tǒng)

如圖10所示，通過檢測滾輪受力情況，并通過理論模型計算得到上部不平衡力矩情況，不平衡力矩與材料安全邊界值進行比較，當(dāng)不小于材料安全邊界值時，用于預(yù)警，同時提示頂升配平時小車移動方向，避免進一步出現(xiàn)危險狀況。

2.3 實驗驗證安全邊界值

為了測試安全應(yīng)力，在塔身貼上應(yīng)變片，布局如圖11所示，用于檢測材料所受應(yīng)力。

圖11 應(yīng)力檢測

本實驗以某型號塔機為實驗對象，考慮實驗安全性，本實驗只驗證了安全邊界值的70%，即設(shè)計安全邊界應(yīng)力值為65 MPa左右。

測試數(shù)據(jù)及結(jié)果如表3所示。方案1中小車變幅為17.5 m，方案2中小車變幅距離為22.1 m。

表3測試數(shù)據(jù) MPa

3 結(jié)論

本文通過研究爬升架受力情況，初步得出了塔機頂升時滾輪受力的數(shù)學(xué)模型，并通過實驗驗證了模型的正確性，進一步依據(jù)材料安全邊界，初步確定了上部不平衡力矩的安全邊界值，可實現(xiàn)對不平衡狀態(tài)的預(yù)警，并對相應(yīng)危險動作進行限制，預(yù)防頂升過程中發(fā)生傾翻事故，通過理論與實驗對比，驗證了爬升架滾輪受力檢測平衡狀態(tài)的可行性，為后續(xù)制定相應(yīng)頂升安全保護控制策略提供技術(shù)支持。