動(dòng)臂式教學(xué)專用塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)研究

劉承桓，魯衛(wèi)濤,2，陳贛平，尹如法，崔新亮

(1.中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司 建筑機(jī)械化研究分院，河北 廊坊 065000；2.中國(guó)建設(shè)教育協(xié)會(huì)，北京 010000；3.廊坊凱博建設(shè)機(jī)械科技有限公司，河北 廊坊 065000)

目前大部分持有建筑起重機(jī)械司機(jī)（塔機(jī)）特種作業(yè)證的人員并沒有系統(tǒng)的接受過動(dòng)臂式塔機(jī)實(shí)操培訓(xùn)，工地上動(dòng)臂式塔機(jī)司機(jī)都是先學(xué)會(huì)平臂式塔機(jī)操作考取建筑起重機(jī)械司機(jī)（塔機(jī)）特種作業(yè)證后進(jìn)入工地跟隨師傅以邊工作邊學(xué)習(xí)的方式學(xué)習(xí)動(dòng)臂式塔機(jī)操作，屬于自學(xué)成才。究其原因，主要是實(shí)操培訓(xùn)裝備的缺乏特別是專業(yè)化的動(dòng)臂式塔機(jī)實(shí)操培訓(xùn)裝備的缺乏。為此，本文對(duì)動(dòng)臂式教學(xué)專用塔機(jī)進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

為滿足動(dòng)臂式塔司培訓(xùn)，開發(fā)一種動(dòng)臂式塔司實(shí)操考訓(xùn)專用的小型塔機(jī)，功能上實(shí)現(xiàn)如下目標(biāo)。

1）塔機(jī)可允許多名學(xué)員一起登塔觀摩，體驗(yàn)高空感，教練在副駕駛座椅就座一對(duì)一指導(dǎo)學(xué)員操作，進(jìn)行互動(dòng)教學(xué)、實(shí)操指導(dǎo)、監(jiān)督實(shí)操考試或處理突發(fā)事件。

2）便于轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)輸和快速架設(shè)，使用預(yù)制裝配壓塊式塔機(jī)基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)快拆快裝系統(tǒng)，方便安拆。

3）能夠根據(jù)教學(xué)目標(biāo)開展較多的培訓(xùn)科目，開展動(dòng)臂式塔機(jī)操作技術(shù)實(shí)操培訓(xùn)。

4）安全冗余較大，容錯(cuò)性強(qiáng)，裝配安全監(jiān)控系統(tǒng)，具有故障預(yù)警、報(bào)警、停止危險(xiǎn)動(dòng)作并自動(dòng)糾錯(cuò)、自動(dòng)結(jié)束危險(xiǎn)狀態(tài)、自動(dòng)歸位等功能。

5）能夠無死角記錄學(xué)員的實(shí)操培訓(xùn)與考試情況，考訓(xùn)全過程視頻可回溯，方便教練點(diǎn)評(píng)和指導(dǎo)，提高考試透明性。

6）主要技術(shù)參數(shù)如下。

最大工作幅度（m） 16

最大幅度額定起重量（kg） 400

最大額定起重量（kg） 1 000

最大起升高度（m） 29.5

容員量（人） 10

2 研究思路

基于裝配式建筑對(duì)吊裝作業(yè)的新要求分析塔機(jī)操作、司索信號(hào)作業(yè)、高處施工作業(yè)的特點(diǎn)，根據(jù)塔機(jī)特種作業(yè)培訓(xùn)的現(xiàn)狀，結(jié)合培訓(xùn)機(jī)構(gòu)的實(shí)際需求和動(dòng)臂式塔機(jī)的技術(shù)特征，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)臂式塔機(jī)主要操作功能，再現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)臂式塔機(jī)吊裝作業(yè)、實(shí)施場(chǎng)景教學(xué)和實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)為功能目標(biāo)，明確了技術(shù)路線和研究思路，確定了整體技術(shù)方案，在保證主要結(jié)構(gòu)、駕駛室、安全防護(hù)部件設(shè)置齊全的前提下，弱化或去除非關(guān)鍵功能部件，最終方案是將動(dòng)臂式教學(xué)專用塔機(jī)設(shè)計(jì)成固定安裝高度，不帶爬升加節(jié)系統(tǒng)的微小型塔機(jī)，最后完成動(dòng)臂式教學(xué)專用塔機(jī)的設(shè)計(jì)、樣機(jī)的試制及檢測(cè)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中重點(diǎn)對(duì)如下內(nèi)容進(jìn)行了研究（圖1）：①關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算；②總體結(jié)構(gòu)布局與關(guān)鍵結(jié)構(gòu)形式；③結(jié)構(gòu)安全性；④結(jié)構(gòu)小型化；⑤試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)和樣機(jī)性能測(cè)試方案。

圖1 動(dòng)臂式教學(xué)專用塔機(jī)

3 創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

動(dòng)臂式教學(xué)專用塔機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)減小了標(biāo)準(zhǔn)節(jié)、起重臂和尾部A 字架等結(jié)構(gòu)的截面尺寸，重點(diǎn)體現(xiàn)動(dòng)臂式塔機(jī)起升、變幅、回轉(zhuǎn)等三大機(jī)構(gòu)及主要操作功能，保持與普通施工用動(dòng)臂式塔機(jī)操作體驗(yàn)的一致性。將人員爬梯設(shè)置在塔身外部，以適應(yīng)小截面塔身，其次，由于目標(biāo)塔機(jī)主要用于操作實(shí)訓(xùn)，不包含安裝拆卸培訓(xùn)，因此可以去除爬升功能。

金星小區(qū)是個(gè)沒有物業(yè)管理的老小區(qū)。最近幾個(gè)月，小區(qū)內(nèi)接連發(fā)生了數(shù)起入室盜竊案，社區(qū)民警老王建議小區(qū)聘請(qǐng)物業(yè)公司進(jìn)駐，以加強(qiáng)小區(qū)管理。

3.2 駕駛室與平臺(tái)布局

設(shè)計(jì)了超大駕駛室（圖2），設(shè)置了操作位和教練位雙座椅布局，駕駛室后部設(shè)計(jì)了學(xué)員交流觀摩學(xué)習(xí)區(qū)，教練和學(xué)員同時(shí)就座，觀察視角一致，當(dāng)學(xué)員誤操作或發(fā)生緊急情況，教練可按下急停裝置，制止危險(xiǎn)發(fā)生，保證人機(jī)安全。

機(jī)架兩側(cè)均設(shè)置平臺(tái)（圖3）有較強(qiáng)的承載能力，通過性好，學(xué)員在平臺(tái)上可接近起升機(jī)構(gòu)和變幅機(jī)構(gòu)，學(xué)習(xí)觀察機(jī)構(gòu)的構(gòu)造及運(yùn)行情況。平臺(tái)在機(jī)架左側(cè)互相聯(lián)通。學(xué)員在前后臂平臺(tái)之間通行方便。駕駛室的安裝后門學(xué)員可以從后部平臺(tái)的高空體驗(yàn)區(qū)平臺(tái)進(jìn)入駕駛室。起重臂左側(cè)設(shè)置延伸到起重臂端部的走臺(tái)，學(xué)員可接近觀察鋼絲繩的穿繞方法和起重量限制器的安裝。

圖2 動(dòng)臂式教學(xué)專用塔機(jī)駕駛室

圖3 機(jī)架兩側(cè)平臺(tái)

3.3 安全設(shè)計(jì)

教學(xué)塔機(jī)為長(zhǎng)期使用專用設(shè)備，安全是動(dòng)臂式教學(xué)專用塔機(jī)研究開發(fā)的核心，需要結(jié)構(gòu)有更大的安全冗余，更高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和整機(jī)的抗傾翻穩(wěn)定性。根據(jù)教學(xué)塔機(jī)實(shí)際工作情況按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，教學(xué)塔機(jī)的起升動(dòng)載載荷系數(shù)應(yīng)選取為2.0。

動(dòng)臂式教學(xué)專用塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)使用角度傳感器、和起重量傳感器和回轉(zhuǎn)傳感器等實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將關(guān)鍵數(shù)據(jù)參數(shù)實(shí)時(shí)顯示在監(jiān)控系統(tǒng)的屏幕上，監(jiān)控系統(tǒng)能夠禁止超載等危險(xiǎn)操作或違規(guī)行為并報(bào)警，監(jiān)控系統(tǒng)主顯示界面采用與塔機(jī)特性曲線相同的圖形顯示，有助于學(xué)員加深對(duì)動(dòng)臂式塔機(jī)特性曲線的理解與應(yīng)用，有利于學(xué)員理解塔機(jī)安全操作規(guī)程。

在塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)的保護(hù)及配合下，可開展動(dòng)臂式塔機(jī)安全教學(xué)，能夠現(xiàn)場(chǎng)演示起重量限制器、力矩限制器等安全裝置的作用原理和調(diào)整方法，有利于學(xué)員理解安全裝置對(duì)塔機(jī)工作能力的影響等。

動(dòng)臂式教學(xué)專用塔機(jī)安裝的視頻監(jiān)控，可全程記錄學(xué)員的考訓(xùn)過程，教學(xué)考訓(xùn)視頻還可以遠(yuǎn)程傳輸，可在地面監(jiān)視教學(xué)考訓(xùn)情況，考訓(xùn)可全程回溯，保證了學(xué)員實(shí)操考評(píng)的公開公正，避免了學(xué)員實(shí)操考試過程中作弊或考試糾紛現(xiàn)象的發(fā)生。

3.4 預(yù)制裝配基礎(chǔ)

為實(shí)現(xiàn)快拆快裝方便轉(zhuǎn)場(chǎng)移動(dòng)，塔機(jī)的安裝固定方式采用帶斜撐桿的壓重式十字梁底架預(yù)制裝配基礎(chǔ)，使塔機(jī)可以安裝在未經(jīng)硬化處理的地面上（圖4）。

圖4 預(yù)制裝配基礎(chǔ)

4 設(shè)計(jì)計(jì)算

動(dòng)臂式教學(xué)專用塔機(jī)采用了簡(jiǎn)化自由度的數(shù)值計(jì)算法和動(dòng)載系數(shù)法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，建立了動(dòng)臂式教學(xué)型塔機(jī)的簡(jiǎn)化計(jì)算模型并進(jìn)行了靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析，設(shè)計(jì)計(jì)算執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T13752-92《塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB/T5031-2008《塔式起重機(jī)》、GB5144-2006《塔式起重機(jī)安全規(guī)程》。

穩(wěn)定性驗(yàn)算包括：工況Ⅰ：基本穩(wěn)定性，工況Ⅱ：動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，工況Ⅲ：暴風(fēng)侵襲，工況Ⅳ：突然卸載，工況Ⅴ：安裝、拆卸。

起穩(wěn)定作用的力矩符號(hào)為正，起傾覆作用的力矩符號(hào)為負(fù)。經(jīng)過驗(yàn)算抗傾翻穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

5 安裝調(diào)試與檢測(cè)

5.1 安裝調(diào)試

動(dòng)臂式教學(xué)專用塔機(jī)由外協(xié)生產(chǎn)廠家完成樣機(jī)的生產(chǎn)試制，并在教學(xué)型塔機(jī)示范基地進(jìn)行了安裝調(diào)試。

5.2 檢測(cè)

經(jīng)委托，由中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司建筑機(jī)械化研究分院中心試驗(yàn)室依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5031-2008《塔式起重機(jī)》對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)試和性能測(cè)試。整機(jī)性能測(cè)試結(jié)果表明整機(jī)性能參數(shù)全面達(dá)到了合同書上的性能參數(shù)要求。

6 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)動(dòng)臂式教學(xué)專用塔機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，在依據(jù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合塔機(jī)教學(xué)考訓(xùn)要求進(jìn)行了分析研究，確定了最終方案，經(jīng)過反復(fù)改進(jìn)與試驗(yàn)，確保了產(chǎn)品的性能及使用要求。通過專業(yè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)和示范基地的應(yīng)用驗(yàn)證，各項(xiàng)性能指標(biāo)良好，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。解決了國(guó)內(nèi)缺乏動(dòng)臂式塔機(jī)實(shí)操培訓(xùn)裝備的難題，對(duì)引領(lǐng)建筑塔機(jī)培訓(xùn)行業(yè)完成實(shí)操教學(xué)轉(zhuǎn)型，促進(jìn)塔機(jī)司機(jī)特種作業(yè)人員實(shí)操技能水平具有創(chuàng)新意義。