動(dòng)臂塔式起重機(jī)臂架防傾翻裝置設(shè)計(jì)計(jì)算

才 冰，賀 全，史 勇

（撫順永茂建筑機(jī)械有限公司，遼寧 撫順 113126)

動(dòng)臂式塔式起重機(jī)是通過臂架的俯仰動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)變幅作業(yè)的。變幅系統(tǒng)是由動(dòng)滑輪組、變幅拉繩系統(tǒng)組成。防傾翻裝置的設(shè)計(jì)是動(dòng)臂式塔機(jī)設(shè)計(jì)的重要部分（如圖1所示），設(shè)計(jì)的合理與否直接關(guān)系著塔機(jī)的安全性能，所以必須對(duì)防傾翻進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，提高整機(jī)的穩(wěn)定性，保證動(dòng)臂塔機(jī)的安全使用。

圖1 動(dòng)臂塔機(jī)臂架防傾翻裝置

1 防傾翻裝置的種類

1.1 剛性撐桿式防后傾裝置

剛性撐桿防傾翻裝置是在臂架與塔頭前撐桿之間設(shè)置的一個(gè)強(qiáng)度足夠的剛性撐桿，在臂架達(dá)到一定角度時(shí)，以機(jī)械限位的形式限制臂架后傾，是最直接有效的防傾翻方式。但當(dāng)塔頭、防傾桿和臂架三者頂在一起時(shí)，會(huì)使臂架產(chǎn)生沖擊和震蕩，防后傾作用效果不佳。

1.2 彈簧式防后傾裝置

目前，彈簧式撐桿分為前置撐桿（圖2）和后置撐桿（圖3），動(dòng)臂式塔機(jī)大部分采用的是彈簧式后置撐桿防傾翻裝置，布置在塔頭和臂架之間，臂架上弦或下弦設(shè)計(jì)接觸點(diǎn)，當(dāng)臂架達(dá)到最大仰角時(shí)，防傾翻撐桿與臂架接觸，彈簧受壓后吸收臂架的動(dòng)能，并且還要釋放出來，這樣起到緩沖的作用，延長(zhǎng)臂架穩(wěn)定周期。前置防傾桿與彈簧緩沖器的四連桿機(jī)構(gòu)牽變幅架下弦。其優(yōu)點(diǎn)是防后傾與塔頭撐桿無關(guān)，且與臂架始終不分離，Potain的MR150，國(guó)內(nèi)則有FL25/30、STL203等均采用過。

圖2 彈簧式前置撐桿示意圖

圖3 彈簧式后置撐桿示意圖

1.3 液壓緩沖式防后傾裝置

液壓緩沖式防后傾裝置，是靠液壓腔內(nèi)的活塞運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)緩沖作用，通過回路中阻尼孔控制，吸收臂架的動(dòng)能。此種形式可以很好地解決銹蝕卡滯潤(rùn)滑問題，而且與機(jī)械彈簧相比，還具有良好的吸收沖擊的緩沖作用，消除碰撞后的結(jié)構(gòu)振動(dòng)。缺點(diǎn)是成本較高。

2 防傾翻裝置作用

動(dòng)臂塔機(jī)配置防傾翻裝置有2個(gè)主要作用：其一是臂架在小幅度（79°～85°）工作時(shí)，由于臂架和吊鉤前傾力矩已經(jīng)很小，此時(shí)臂架的變幅拉繩系統(tǒng)又會(huì)給臂架一個(gè)后傾的力矩，防傾翻裝置則會(huì)給臂架一個(gè)向前的力，保證臂架小幅度時(shí)順利向前下放，并保持變幅處于一定的張緊狀態(tài)；其二是最小工作幅度限位及緩沖作用。凡是用鋼絲繩變幅的動(dòng)臂塔機(jī)都加裝了臂架防傾翻裝置。

3 防后傾裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算

防傾翻裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算包括靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、彈簧的選擇，防后傾撐桿和彈簧套筒的受壓穩(wěn)定性。除此以外，還應(yīng)驗(yàn)算防傾翻裝置對(duì)塔頭、臂架的作用。本文主要介紹防傾翻裝置的動(dòng)態(tài)計(jì)算。

3.1 防傾翻裝置動(dòng)態(tài)計(jì)算

計(jì)算工況：臂架受到前吹風(fēng)，吊重突然卸載脫落，此狀態(tài)臂架仰角一般大于60°，因?yàn)榇藭r(shí)前吹風(fēng)較大，臂架重心與臂根鉸點(diǎn)距離rc.cosα很小，如圖4所示，虛線為后傾位置。

圖中G——臂架重力；

FH——重物脫落時(shí)臂架受到的后傾沖擊力；

FG——臂架質(zhì)量受FH產(chǎn)生的加速度形成的向上作用力；

FA——防后傾裝置對(duì)臂架的沖擊反力，其中包括前吹風(fēng)作用；

Fw——臂架受到的風(fēng)力；

hw——Fw至O點(diǎn)的垂直距離；

圖4 防傾翻裝置計(jì)算簡(jiǎn)圖

hA——防傾翻裝置至O點(diǎn)距離；

hc——受FH作用后的重心升高距離；

rc——臂架重心至O點(diǎn)直線距離；

α——臂架沖擊前的仰角；

α′——臂架沖擊后的仰角。

動(dòng)力系數(shù)φ3按式(1）計(jì)算，計(jì)算得φ3=-1.0

式中φ3——突然卸載動(dòng)力系數(shù)；

ΔmH——在空中突然卸除的部分起升載荷質(zhì)量，kg；

mH——起升載荷質(zhì)量，kg；

β3——系數(shù)，對(duì)電磁盤或類似的快速卸載裝置，β3=1.0。

突然卸載部分起升載荷FH按式(2)計(jì)算

與防傾翻裝置碰撞前速度v按式(3)計(jì)算

動(dòng)能T按式(4）計(jì)算

式中，由圖4可得hc=rc(sinα′-sinα)

碰撞后的位能U按式(5)計(jì)算

式中dH——臂架受沖擊作用時(shí)的變形；

dc——臂架受靜載荷G時(shí)的變形。

因?yàn)門=U，且彈性參數(shù)恒等

解此方程，可得

設(shè)沖擊載荷動(dòng)載荷系數(shù)kH=1+

可得臂架質(zhì)量受FH產(chǎn)生的加速度形成的向上作用力計(jì)算公式如(7)所示

防傾翻裝置及風(fēng)力對(duì)臂架的沖擊作用力

3.2 彈簧的選擇

初選彈簧可按公式(9)計(jì)算

式中d——彈簧鋼絲直徑；

n——彈簧有效圈數(shù)；

D——彈簧中徑；

f——彈簧壓縮量；

G——剪切彈性模數(shù)；

彈簧允許的最大載荷

式中K——曲度系數(shù)；

ts——許用剪切應(yīng)力。

按靜載荷選取時(shí)，F(xiàn)A≤0.8Fs；

按動(dòng)載荷選取時(shí)，F(xiàn)A＜Fs。

彈簧工作行程如圖5所示。

圖5 彈簧行程

Fj——工作極限載荷；

Fn——最大工作載荷；

F1——最小工作載荷；

fj——工作極限載荷位移；

fn——最大工作載荷位移；

f1——最小工作載荷位移。

壓并長(zhǎng)度Hb=(n+1)d

f1即為滿足彈簧在接近最大仰角前時(shí)（例如α=80°）應(yīng)開始預(yù)壓，與防傾翻裝置頂端接觸。應(yīng)注意，在達(dá)到最小極限位置α=αmax時(shí)，彈簧不能達(dá)到壓并位置Hb，以保持適當(dāng)?shù)木彌_吸振作用，即留有Δf段的位移。

3.3 塔頭前撐桿

校核前撐桿的強(qiáng)度，應(yīng)以4.3計(jì)算的FA和軸向壓力聯(lián)合作用的壓彎狀態(tài)計(jì)算。關(guān)于是否設(shè)斜撐桿的問題，則應(yīng)考慮回轉(zhuǎn)平臺(tái)的空間大小，對(duì)布置起升、變幅機(jī)構(gòu)及電控系統(tǒng)的影響。國(guó)外多不設(shè)斜撐桿，而加大前撐桿抗彎截面。例如H型鋼、矩形管，這種做法值得推廣。另外，采用這種做法后，兩撐桿之間也可不設(shè)腹桿，便于起升鋼絲繩由起升卷筒直接穿過進(jìn)入臂架鵝頭或吊鉤導(dǎo)向滑輪。

4 結(jié)語(yǔ)

防傾翻裝置是動(dòng)臂塔機(jī)不可缺少的重要組成部分。過去國(guó)外塔機(jī)廠家采取了許多方案來探索取消防傾翻裝置，例如：一種方案是采用液壓油缸變幅，早在20世紀(jì)70年代Liebherr HB系列就如此，但因不能采用可伸縮變截面箱形結(jié)構(gòu)臂架，而桁架又不適合這種支承方式，在20世紀(jì)80年代被淘汰。2019年bauma慕尼黑展會(huì)上出現(xiàn)過一臺(tái)用油缸變幅的小型動(dòng)臂塔機(jī)（圖6），但未成為主流產(chǎn)品；另外一種不用防傾翻裝置的動(dòng)臂塔機(jī)（圖7），臂架俯仰是通過連桿與配重的移動(dòng)相連，當(dāng)達(dá)到最小幅度時(shí)因配重移動(dòng)受阻而防止了臂架后傾。但這種型式因?yàn)闃?gòu)造復(fù)雜、連桿移動(dòng)易出現(xiàn)卡滯。綜上所述，防傾翻裝置是動(dòng)臂塔機(jī)不可或缺的重要部件，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮周全，避免出現(xiàn)因設(shè)計(jì)不合理的事故，因此，必須安全可靠的進(jìn)行防傾翻裝置的設(shè)計(jì)。

圖6 液壓變幅式動(dòng)臂塔機(jī)

圖7 移動(dòng)式配重動(dòng)臂塔機(jī)