狹小空間內(nèi)大型構(gòu)件多點(diǎn)起吊機(jī)構(gòu)分析

錢(qián)彬彬， 王云智

（沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司， 遼寧 沈陽(yáng) 110000）

0 引言

隨著國(guó)家現(xiàn)代化軌道建設(shè)的戰(zhàn)略實(shí)施， 越來(lái)越多的苛刻工況下，大型構(gòu)件支撐承重結(jié)構(gòu)被使用，如構(gòu)件要下探到地下洞庫(kù)安裝。 由于裝備制造行業(yè)不斷向著大型化發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)的安裝調(diào)試需要配備形式各樣大型起重設(shè)備。隨著基建的市場(chǎng)份額越來(lái)越大， 許多重型機(jī)器生產(chǎn)廠家希望擁有自己的重型起重組裝設(shè)備，完成現(xiàn)場(chǎng)的安裝、調(diào)試，并要求起重機(jī)安全、穩(wěn)定、可靠，運(yùn)行平穩(wěn)。準(zhǔn)確，便于拆裝、運(yùn)輸，并可隨機(jī)反復(fù)使用。

本文基于某實(shí)際工程大型構(gòu)件吊裝就位需求， 提出的技術(shù)痛點(diǎn)。解決狹小垂直運(yùn)輸井道，完成大型型重載構(gòu)件安裝就位，整個(gè)過(guò)程不能與井壁碰撞，同時(shí)要滿足澆筑構(gòu)件質(zhì)心偏差大，仍能平穩(wěn)起吊要求[1]。 提出多吊點(diǎn)完成細(xì)長(zhǎng)比大的直立構(gòu)件吊裝需求。

1 吊點(diǎn)方案布置

吊裝通道井壁內(nèi)部空間尺寸、大型構(gòu)件參數(shù)見(jiàn)圖1，吊點(diǎn)布置范圍， 在下圖等腰梯形內(nèi)部， 任意位置布置大型構(gòu)件，構(gòu)件總高7.6m，質(zhì)量70t。 吊機(jī)起升工作級(jí)別為M5，收高度要求，吊機(jī)系統(tǒng)總高度：≤3m（吊機(jī)系統(tǒng)頂部至吊點(diǎn)處最小距離）；吊機(jī)系統(tǒng)自身總重：≤20t；吊機(jī)系統(tǒng)有效行程：20m；負(fù)載垂直吊裝速度：10～20mm/s，具有速度調(diào)節(jié)功能；空載垂直吊裝速度：≤50mm/s；垂直吊裝定位精度：±10mm。

圖1 吊機(jī)系統(tǒng)工作空間

根據(jù)上述吊點(diǎn)布置范圍尺寸要求， 結(jié)合吊鉤外形尺寸，初步設(shè)計(jì)三個(gè)吊點(diǎn)位于三角形ABC 頂點(diǎn)[2]。 在現(xiàn)有技術(shù)水平下，將吊鉤盡可能選擇體積小，強(qiáng)度高， 擺動(dòng)幅度小，進(jìn)行方案布置，而后再進(jìn)行校核；若不滿足再重新調(diào)整布局，再二次校核，直至布局合理，校核滿足。

2 吊機(jī)載荷理論分析

2.1 各吊點(diǎn)受力計(jì)算

結(jié)合圖1 布局尺寸， 對(duì)大型直立構(gòu)件吊裝進(jìn)行受力分析，三吊點(diǎn)及大型直立構(gòu)件理論質(zhì)心位置x1、x2 如圖1矩形框內(nèi)所示。 已知吊機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1，ABC 三點(diǎn)實(shí)施拉力分別定義為Fa，F(xiàn)b，F(xiàn)c，構(gòu)件最大重量70t。

表1 吊機(jī)參數(shù)表

起吊大型直立構(gòu)件時(shí)[3]，根據(jù)力和力矩平衡得到如下：

綜合上表求得， 起吊構(gòu)件1 時(shí)，A 吊點(diǎn)受力最大，為39.1t。起吊構(gòu)件2 時(shí)，B、C 吊點(diǎn)受力最大，為27.9t，吊機(jī)各點(diǎn)布置圖見(jiàn)圖2。

圖2 吊機(jī)布局圖

2.2 質(zhì)心范圍理論規(guī)劃

吊裝要求兩類構(gòu)件質(zhì)心允許在長(zhǎng)1452mm，寬400mm 的矩形框范圍任意偏差，吊機(jī)系統(tǒng)均能平穩(wěn)完成吊裝，兼容范圍見(jiàn)圖1 內(nèi)虛線矩形框。

分析ABC 三點(diǎn)實(shí)時(shí)拉力及質(zhì)心坐標(biāo)[4]，根據(jù)力和力矩平衡得到如下公式：

根據(jù)實(shí)際情況得：

2.3 吊機(jī)驅(qū)動(dòng)計(jì)算

已知吊機(jī)垂直升降行程L，提升速度V，設(shè)計(jì)卷?yè)P(yáng)滾筒直徑D，在筒繩圈n，鋼絲繩線徑d。

滾筒直徑：D=L/1000/（n×π）+2×d/2

鋼絲繩中徑：Dj=D+2×d/2=D+d

額定速度：Ve=n電/2×π×Dj×10-3/i總≥V

額定扭矩：Te=Gg×Dj×10-3/2其中：G—單吊機(jī)額定起重載荷。

按電機(jī)樣本選取電機(jī)1PH8135F 系列， 帶高速制動(dòng)及伺服編碼器。

對(duì)該系列電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量匹配進(jìn)行復(fù)核，查閱設(shè)計(jì)規(guī)范[9]機(jī)構(gòu)起動(dòng)時(shí)間和加速時(shí)間的計(jì)算，機(jī)構(gòu)起動(dòng)時(shí)間tq（s）。

其中PQ—額定起升載荷（N）；D—按最外層鋼絲繩中心計(jì)算的卷筒卷繞直徑（m）；g—重力加帶速度（m/s2）；a—鋼絲繩滑輪組的倍率；i—由電機(jī)軸到卷筒軸的總傳動(dòng)比；μ—起升物品時(shí)起升機(jī)構(gòu)傳動(dòng)裝置和滑輪組的總效率；Mdq—電動(dòng)機(jī)平均起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

Mdq=λASMN

其中λAS—電動(dòng)機(jī)平均起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍率；MN—電動(dòng)機(jī)額定起動(dòng)轉(zhuǎn)矩（Nm）。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，采用此型號(hào)扭矩的伺服電機(jī)，啟動(dòng)時(shí)間最快可達(dá)到t=0.053s 小于使用于規(guī)范中提到的做精密安裝用起重機(jī)啟動(dòng)時(shí)間要求（1～3s），滿足設(shè)計(jì)。

3 結(jié)果分析

3.1 構(gòu)件質(zhì)心兼容求解

結(jié)合上節(jié)分析，對(duì)多種構(gòu)件進(jìn)行70t 起吊，方案布局中A 吊點(diǎn)受力最大為39.1t。 基于此，計(jì)劃將通過(guò)線性規(guī)劃理論[5]，在滿足70t 負(fù)載起吊，同時(shí)質(zhì)心在矩形框區(qū)域內(nèi)任意變動(dòng)， 將各點(diǎn)的卷?yè)P(yáng)額定負(fù)載控制在合理的安全系數(shù)下進(jìn)行計(jì)算，防止冗余設(shè)計(jì)。

同時(shí)，考慮三點(diǎn)起吊各點(diǎn)負(fù)載F，防止出現(xiàn)任意兩點(diǎn)ΔF 差值過(guò)大[6]，出現(xiàn)構(gòu)件提升過(guò)程中傾斜。 分別將單個(gè)吊點(diǎn)受力按3t～40t、3t～50t、3t～60t 設(shè)計(jì)， 結(jié)合同類項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)可知，ΔF≤37t、47t、57t 得出允許安全吊裝條件下[7]，構(gòu)件質(zhì)心范圍，見(jiàn)圖3～圖5 所示。

圖3 允許構(gòu)件質(zhì)心偏差范圍（3t≤Fx≤40t）

圖4 允許構(gòu)件質(zhì)心偏差范圍（3t≤Fx≤50t）

圖5 允許構(gòu)件質(zhì)心偏差范圍（3t≤Fx≤60t）

上圖線框1 為吊機(jī)系統(tǒng)吊裝允許質(zhì)心偏差范圍，線框2 為客戶指標(biāo)要求的區(qū)域范圍。 當(dāng)線框1 全包含線框2[8]，則代表滿足客戶工藝要求。

可知，圖3 線框1 與線框2 相交，不滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求；圖4 線框1 包含線框2，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求；圖5 線框1 包含線框2，亦滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求；

3.2 多點(diǎn)起吊機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

綜合上述分析，按照構(gòu)件的重心范圍：在長(zhǎng)1452mm，寬400mm 的長(zhǎng)方形范圍內(nèi)部見(jiàn)圖1。起重量70t，經(jīng)計(jì)算，構(gòu)件重心偏移到距離井壁左邊1682mm，偏離梯形中心線上或下200mm 時(shí)，產(chǎn)生的拉力最大為431KN。

根據(jù)GB/T3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]，機(jī)構(gòu)工作級(jí)別M5， 增大系數(shù)1.16。 吊機(jī)單吊點(diǎn)的最大起重量：499.96kN≈500kN，取整后，按照50t 為最大起重量。

則單吊機(jī)額定載荷G 為50t 以上， 按設(shè)計(jì)布局布置三點(diǎn)的吊機(jī)，可滿足兩類質(zhì)心構(gòu)件平穩(wěn)起吊，亦兼容澆筑構(gòu)件質(zhì)心偏差。 避免選擇單吊機(jī)額定載荷60t，防止出現(xiàn)設(shè)計(jì)冗余。

設(shè)計(jì)一套滿足兩類構(gòu)件（下文簡(jiǎn)稱構(gòu)件1、構(gòu)件2）在通道井壁中起吊，同時(shí)兼容一定范圍內(nèi)澆筑質(zhì)心偏差的構(gòu)件吊裝平衡作業(yè)方案，見(jiàn)圖6。

圖6 三吊機(jī)方案布置圖

（1） 將吊機(jī)理論布置點(diǎn)設(shè)置在底1580mm、 高2950mm等腰三角形節(jié)點(diǎn)上， 可滿足狹小空間，垂直井壁內(nèi)構(gòu)件起吊。

（2）各卷?yè)P(yáng)額定載荷設(shè)置為50t， 滿足客戶需求在長(zhǎng)1452mm、 寬400mm 矩 形 框內(nèi)，構(gòu)件質(zhì)心任意偏差，且滿足70t 負(fù)載起吊。

（3） 三吊機(jī)初始位置建立基準(zhǔn)， 采用編碼器建立反饋，完成超差調(diào)整，保持提升平穩(wěn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)一套基于空間受限 （如構(gòu)件要下探到地下洞庫(kù)安裝）工況的三吊機(jī)同步平衡起吊結(jié)構(gòu)，滿足多種大型直立構(gòu)件，其澆筑成型后質(zhì)心大范圍偏差，仍能平穩(wěn)起吊要求。 解決狹小垂直通道內(nèi)，重載構(gòu)件下放安裝，及維修起吊問(wèn)題。 最后通過(guò)理論計(jì)算，將機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和選型，做到經(jīng)濟(jì)實(shí)用、安全可靠，為同類多點(diǎn)起重吊機(jī)布置方案設(shè)計(jì)，提供理論依據(jù)。