一種基于分布式光纖的自動配重的塔吊機電系統(tǒng)

楊瀾 楊文超 王婧

摘 要：現(xiàn)如今城市化進程越來越快，使得市場上對塔機的需求也不斷增加。在工程實踐中，發(fā)現(xiàn)塔式起重機長期處于力矩不平衡容易翻折的問題，為此本文設(shè)計了一種基于分布式光纖的自動配種的塔吊機電系統(tǒng)，主要原理在塔身的周圍側(cè)立面上設(shè)置用于測量塔身應(yīng)變的分布式光纖從而能根據(jù)起重臂和平衡臂兩端力矩平衡進行自動配重，實現(xiàn)智能化、自動化。

關(guān)鍵詞：分布式光纖;塔吊機電系統(tǒng);自動配重;智能

引言

近年來，隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，裝配式建筑的發(fā)展對于大型塔吊的需求明顯增加。高層建筑的加速建造使得塔吊的安全問題越來越值得重視[1]。傳統(tǒng)塔機運用的技術(shù)主要是一次性配重的原理，這種不靈活的配重方式使得塔機長期處于一種力臂不平衡的狀態(tài)，容易發(fā)生事故。塔吊自身構(gòu)造較復(fù)雜、作業(yè)環(huán)境惡劣等特種機械設(shè)備高風險屬性，一旦發(fā)生事故，會帶來巨大的損失，因此對其全過程進行安全管理和監(jiān)測預(yù)警具有重大意義[2]。

1.解決方案的提出

傳統(tǒng)的塔式起重機大多數(shù)都采用一次性配重的方式。這種方式在對于起吊不同重量的物體時，不能很好的進行調(diào)節(jié)，從而出現(xiàn)在沒有工作時，平衡臂端的重量遠大于起重臂端的重量的狀況。

本文通過研究對塔機進行優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計出一種基于分布式光纖技術(shù)能根據(jù)起重臂和平衡臂兩端力矩平衡進行自動配重的塔機機電系統(tǒng)，在一定程度上提高了安全性，具有安全、智能化的特點。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1塔身設(shè)計

塔身是整個結(jié)構(gòu)的支撐，因為需要及時的測量塔身根據(jù)起吊不同重物的而發(fā)生的相應(yīng)的變化，所以在塔身四周的側(cè)立面上設(shè)置了有用于測量塔身應(yīng)變的分布式光纖。

2.2平衡臂結(jié)構(gòu)

平衡臂的構(gòu)建是整個結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部分，平衡臂由懸臂體、配重體以及配重體位置的調(diào)整機構(gòu)三個部分組成。懸臂體水平的固定在塔身上，配重體和配重體的調(diào)整機構(gòu)都分別依附在懸臂體的上下表面。為了匹配不同重量的起吊物，設(shè)置有若干能在懸臂體上滑動的配重體。配重體主要包括滑臺座、配重塊、固定夾板等。在平衡力矩不平衡的狀況時，滑塊需要進行相應(yīng)的移動，所以在懸臂體上設(shè)置有雙導(dǎo)向滑軌，使得移動更加的穩(wěn)定?；_座安裝了相應(yīng)的夾板，活動的夾板使得滑臺座進行相應(yīng)的回轉(zhuǎn)，使得配重體能更加靈活的移動。

2.3整體架構(gòu)連接

配重體位置調(diào)整機構(gòu)位于懸臂體下方由調(diào)整電機、調(diào)整絲杠、調(diào)整滑塊等組成。軌道梁位于懸臂體正下方與懸臂體相平行，通過液壓伸縮桿吊裝連接在懸臂體下表面。調(diào)整電機水平固裝在軌道梁上表面，調(diào)整絲杠用于連接電機電軸和軌道梁，整體與軌道梁相平行。調(diào)整滑塊通過內(nèi)部的絲母套裝連接在調(diào)整絲杠上，底部與軌道梁滑動接觸配合。調(diào)整滑塊頂部固定設(shè)置有棘爪凸塊，與配重體的滑臺座底部的棘爪凹槽插接配合，從而構(gòu)成整個架構(gòu)。

3.控制過程

3.1準備階段

在起吊重物之前，控制液壓的伸縮桿伸長，直到軌道梁下降到設(shè)定好的高度，此時棘爪凸塊頂部的高度低于滑臺座的下表面。

當軌道梁調(diào)整完后，啟動配重體的位置調(diào)整電機，帶動配重體位置調(diào)整絲桿轉(zhuǎn)動，調(diào)整滑塊沿軌道梁移動，直到移動到距離塔身最遠的配重體正下方。使棘爪凹槽正對，然后控制液壓伸縮桿的回縮，使軌道梁同步上升，直到棘爪凸塊完全插入棘爪凹槽內(nèi)。

完成之后再次啟動配重體位置調(diào)整電機，帶動配重體位置調(diào)整絲杠轉(zhuǎn)動，帶動調(diào)整滑塊沿軌道梁并朝向塔身進行移動，最終帶動距離塔身最遠的配重體同步朝向塔身移動，而其余的配重體會被距離塔身最遠的配重體推著移動，直到所有的配重體全部移動到距離塔身最近的位置處。

3.2平衡力矩

在完成準備工作之后就可以進行起吊，隨著重物被吊起，起重臂一側(cè)的重量增大，此時位于起重臂一側(cè)的塔身側(cè)立面的應(yīng)變將發(fā)生改變，分布式光纖對應(yīng)變式的變化量進行及時測量。當起重臂一側(cè)塔身側(cè)立面的應(yīng)變值超過平衡臂一側(cè)后，說明力矩不平衡，需要恢復(fù)平衡保障安全。重新啟動配重體位置調(diào)整電機，使距離塔身最遠的配重體遠離塔身移動。隨著配重體的移動，平衡臂一側(cè)塔身側(cè)立面的應(yīng)變值會逐漸增大，當起重臂側(cè)的應(yīng)變值與平衡臂側(cè)達到一致時，配重體停止移動，達到力矩平衡狀態(tài)。

如果距離塔身最遠的配重體移動到平衡臂最遠端時，力矩仍未達到平衡狀態(tài)，則控制軌道梁下降，使棘爪凸塊與距離塔身最遠的配重體上的棘爪凹槽脫離，然后控制配重體位置調(diào)整滑塊朝著塔身移動，直到棘爪凸塊移動到距離塔身第二遠的配重體下方，接著控制軌道梁上升，使棘爪凸塊插入上方的棘爪凹槽內(nèi)。接下來控制配重體位置調(diào)整滑塊遠離塔身移動，并帶動距離塔身第二遠的配重體遠離塔身移動，此過程中平衡臂一側(cè)塔身側(cè)立面的應(yīng)變值會進一步增大，直到該配重體停止移動，力矩達到平衡狀態(tài)。若距離塔身第二遠的配重體移動到平衡臂最遠端時，力矩仍未達到平衡狀態(tài)，調(diào)整剩余的配重體的位置，直到最終達到力矩平衡狀態(tài)。

4.總結(jié)

現(xiàn)如今塔機發(fā)生事故的概率也是日漸增大。提高塔機運作的安全指數(shù)已是勢在必行。必須從技術(shù)手段上加強對塔吊使用過程和行為有效的監(jiān)督、切實預(yù)警以及安全控制，才能有效地防范和減少塔吊在運行過程中的危險因素和安全隱患。而該文章所講述的自動配重塔機機電系統(tǒng)在一定程度上發(fā)揮了作用，具有應(yīng)用價值。在高效工作的同時保障了運作時塔機和工作人員的安全。具有安全、可靠、智能、自動等特點。

參考文獻：

[1] 余群舟，孫博文，駱漢賓，周榮，李亞巍.塔吊事故統(tǒng)計分析[J].建筑安全， 2015， 30 （11）： 10-13.

[2] 郁志明. 塔吊安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與研究[D]. 東北大學(xué)，2017.

*項目基金：本文是桂林電子科技大學(xué)2020年自治區(qū)級大學(xué)生創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目“塔吊其中機之惡能配重系統(tǒng)”的項目成果，項目編號是：202010595078

（1.桂林電子科技大學(xué)商學(xué)院 廣西 桂林 541004;2.桂林電子科技大學(xué)機電工程學(xué)院 廣西 桂林 541004）