環(huán)軌起重機(jī)整機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)分析研究

（徐工集團(tuán)工程機(jī)械股份有限公司建設(shè)機(jī)械分公司，江蘇 徐州 221004）

環(huán)軌起重機(jī)是一種上車系統(tǒng)運(yùn)行在環(huán)形軌道上，可實(shí)現(xiàn)起升、變幅和回轉(zhuǎn)的超大型起重設(shè)備，在國內(nèi)尚屬空白。其回轉(zhuǎn)系統(tǒng)及回轉(zhuǎn)阻力計(jì)算方法在文獻(xiàn)中極少出現(xiàn)，這給環(huán)軌起重機(jī)設(shè)計(jì)造成困難。

環(huán)軌起重機(jī)可采用2 種回轉(zhuǎn)方式：①滑靴回轉(zhuǎn)方式；②軌道軌輪回轉(zhuǎn)方式。兩種回轉(zhuǎn)方式回轉(zhuǎn)阻力計(jì)算方法有所差異，本文主要研究軌道軌輪回轉(zhuǎn)方式回轉(zhuǎn)阻力計(jì)算方法。通過對環(huán)軌起重機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)分析，提出環(huán)軌起重機(jī)回轉(zhuǎn)阻力計(jì)算方案，為環(huán)軌起重機(jī)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 環(huán)軌起重機(jī)簡介

環(huán)軌起重機(jī)是由路基箱、軌道、平衡臺車、回轉(zhuǎn)平臺和上車臂架系統(tǒng)等組成，環(huán)軌起重機(jī)整機(jī)回轉(zhuǎn)時，平衡臺車?yán)@回轉(zhuǎn)中心在圓形軌道上滾動，帶動整機(jī)回轉(zhuǎn)。環(huán)軌起重機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)由軌道、平衡臺車、回轉(zhuǎn)平臺和液壓系統(tǒng)組成。平衡臺車由前平衡臺車和后平衡臺車組成。整機(jī)示意圖如圖1 所示。

2 回轉(zhuǎn)阻力

圖1 環(huán)軌起重機(jī)整機(jī)示意圖

環(huán)軌起重機(jī)整機(jī)回轉(zhuǎn)時，前平衡臺車與后平衡臺車同時繞環(huán)形軌道中心回轉(zhuǎn)。整機(jī)無論空載狀態(tài)還是吊重狀態(tài)，前后平衡臺車承受載荷均不一樣，其所需驅(qū)動力也不一樣，需要兩套液壓系統(tǒng)分別驅(qū)動前平衡臺車和后平衡臺車，通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)前平衡臺車與后平衡臺車同步回轉(zhuǎn)。環(huán)軌起重機(jī)回轉(zhuǎn)阻力分析可等效為前平衡臺車和后平衡臺車回轉(zhuǎn)阻力分析，本文以前平衡臺車回轉(zhuǎn)阻力為研究對象。

2.1 模型簡化

環(huán)軌起重機(jī)前平衡臺車和后平衡臺車回轉(zhuǎn)采用軌行式運(yùn)行機(jī)構(gòu)。前平衡臺車主要由多級平衡梁和臺車組成。多級平衡梁用于承受起重機(jī)的自重和外載荷，并均分至驅(qū)動臺車和從動臺車上。臺車主要由車架、車輪和行走減速機(jī)組成。驅(qū)動臺車用于驅(qū)動相連的平衡臺車并帶動整個環(huán)軌起重機(jī)回轉(zhuǎn)。

環(huán)軌起重機(jī)整機(jī)回轉(zhuǎn)簡化為前平衡臺車?yán)@環(huán)軌中心推動回轉(zhuǎn)平臺和臂架系統(tǒng)運(yùn)動，后平衡臺車?yán)@軌道中心推動回轉(zhuǎn)平臺和剩余配重運(yùn)動。如圖2 和圖3 所示。

圖2 前平衡臺車推動部件

圖3 后平衡臺車推動部件

2.2 前平衡臺車受力分析

環(huán)軌起重機(jī)在吊重時，前平衡臺車承受吊重物、臂架系統(tǒng)和部分配重的重量。整機(jī)回轉(zhuǎn)時，相當(dāng)于前平衡臺車負(fù)載吊重物、臂架系統(tǒng)和部分配重的總重量繞環(huán)形軌道中心回轉(zhuǎn)。前平衡臺車的回轉(zhuǎn)阻力由滾動阻力、坡道阻力、曲線行駛阻力、水平導(dǎo)向輪附加阻力、風(fēng)阻力和啟制動慣性力。下述分析以前平衡臺車為研究對象。

環(huán)軌起重機(jī)前平衡臺車回轉(zhuǎn)總阻力F為

式中F——前平衡臺車回轉(zhuǎn)總阻力；

Fm——前平衡臺車滾動阻力；

Fp——前平衡臺車坡道阻力；

Fq——前平衡臺車曲線行駛阻力；

Fs——前平衡臺車水平導(dǎo)向輪附加阻力；

Fwd——臂架系統(tǒng)風(fēng)載荷折算至前平衡臺車的阻力；

Fqg——臂架系統(tǒng)啟制動慣性載荷折算至前平衡臺車的阻力。

2.2.1 滾動阻力

平衡臺車采用軌輪在軌道上滾動的方式實(shí)現(xiàn)整機(jī)回轉(zhuǎn)。滾動阻力Fm如下

式中p——前平衡臺車正壓力，p=G+Gb+Gm+GL+Gp；

f——滾動摩擦系數(shù)；

μ——車輪軸承摩擦系數(shù)；

d——車輪軸徑；

D——車輪踏面直徑；

β——附加摩擦阻力系數(shù)；

G——吊重物重量；

Gb——臂架重量；

Gm——桅桿重量；

GL——拉板系統(tǒng)重量；

Gp——使用配重量。

2.2.2 坡道阻力

由于環(huán)軌起重機(jī)所在地面會存在一定坡度，在整機(jī)回轉(zhuǎn)時，前平衡臺車需要克服由于地面坡度所產(chǎn)生的阻力。坡道阻力Fp

式中a——坡度角；

g——平衡臺車偏角（圖4）。

圖4 g角示意圖

2.2.3 曲線行駛阻力Fq

式中——曲線行駛阻力系數(shù)。

2.2.4 水平導(dǎo)向輪附加阻力Fs

驅(qū)動臺車和從動臺車豎向采用4 個車輪，橫向采用2 個導(dǎo)向輪（圖5）。臺車豎向輪軸線平行而非向心，即豎向輪瞬時運(yùn)動方向的法向與圓形軌道徑向方向存在夾角β（圖6）。由于豎向輪瞬時運(yùn)動方向的法向與圓形軌道徑向方向不一致，臺車在運(yùn)動過程中，臺車豎向車輪與軌道在徑向方向會存在相對滑動。因豎向車輪與軌道間相對滑動產(chǎn)生的在軌道徑向方向的摩擦力是水平導(dǎo)向輪的正壓力。（注：豎向車輪與軌道在法向方向存在滾動滑動，為簡化計(jì)算，此處簡化為豎向車輪與軌道間的靜摩擦滑動。）

式中μ1——鋼鐵之間靜摩擦系數(shù)；

μ1——輪子的滾動阻力系數(shù)。

圖5 臺車結(jié)構(gòu)

圖6 β角示意圖

2.2.5 風(fēng)阻力Fwb

環(huán)軌起重機(jī)回轉(zhuǎn)過程中，需要承受整機(jī)風(fēng)載荷。前平衡臺車主要承受主臂、副臂和重物風(fēng)載。因主臂、副臂和重物風(fēng)載作用點(diǎn)位置不同，采用力矩平衡原理將臂架系統(tǒng)和重物所受風(fēng)載荷折算至前平衡臺車位置（圖7）。折算方法如下：

式中Fw1——主臂風(fēng)載；

Fw2——副臂風(fēng)載；

Fwg——重物風(fēng)載；

L1——主臂風(fēng)載作用點(diǎn)離環(huán)形軌道回轉(zhuǎn)中心的水平距離；

L2——副臂風(fēng)載作用點(diǎn)離環(huán)形軌道回轉(zhuǎn)中心的水平距離；

L3——重物風(fēng)載作用點(diǎn)離環(huán)形軌道回轉(zhuǎn)中心的水平距離；

R——環(huán)形軌道回轉(zhuǎn)半徑。

圖7 前平衡臺車風(fēng)載折算圖

2.2.6 啟制動慣性力Fqg

折算至前平衡臺車啟制動慣性力

其中，啟制動角加速度

式中h——啟制動角加速度；

Th——回轉(zhuǎn)一周時間；

ta——啟制動加速時間；

mzb——主臂重量；

mfb——副臂重量；

Q——重物重量；

L4——主臂質(zhì)心離環(huán)形軌道回轉(zhuǎn)中心的水平距離（圖8）；

L5——副臂質(zhì)心離環(huán)形軌道回轉(zhuǎn)中心的水平距離；

L6——重物質(zhì)心離環(huán)形軌道回轉(zhuǎn)中心的水平距離。

圖8 臂架系統(tǒng)質(zhì)心力臂圖

2.3 驅(qū)動裝置計(jì)算

由上確定前平衡臺車回轉(zhuǎn)阻力之后，如何布置合適數(shù)量和合適力矩的驅(qū)動輪，以驅(qū)動整車回轉(zhuǎn)，成為環(huán)軌起重機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。

在特定工況下，因前臺車采用平衡梁結(jié)構(gòu)，單個驅(qū)動輪上正壓力相同，其所提供的最大驅(qū)動力矩是定數(shù)，需要布置多個驅(qū)動輪共同驅(qū)動。

驅(qū)動輪個數(shù)

式中nq——確定驅(qū)動輪個數(shù)；

n——最少驅(qū)動輪個數(shù)；

N——前臺車輪子總數(shù)量。

單個輪子驅(qū)動力矩

式中M——單個輪子驅(qū)動力矩；

Mq——單個輪子最小驅(qū)動力矩；

Cq——驅(qū)動放大系數(shù)；

Rr——輪子半徑。

3 結(jié)語

本文以環(huán)軌起重機(jī)前臺車為研究對象，通過對回轉(zhuǎn)系統(tǒng)分析，明確了環(huán)軌起重機(jī)回轉(zhuǎn)阻力考慮因素及計(jì)算方法，同時確定了驅(qū)動輪的布置數(shù)量和單個驅(qū)動輪的驅(qū)動力矩，對環(huán)軌起重機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。