單吊車的吊裝動(dòng)載荷分析

黃峰

（中化泉州石化有限公司 福建 泉州 362103）

引言

單吊車吊裝是指使用單臺(tái)吊車直接將設(shè)備或工件直接吊裝至指定位置，或指采用抬送法，在溜尾吊車松鉤后由主吊車單獨(dú)將設(shè)備吊裝就位的過(guò)程，是工程建設(shè)中常用的吊裝工藝。采用這種吊裝工藝的優(yōu)點(diǎn)在于，無(wú)須考慮由于雙臺(tái)或多臺(tái)吊裝過(guò)程產(chǎn)生的不均衡載荷，便于吊裝過(guò)程的操作，提高了吊裝過(guò)程的安全系數(shù)。

根據(jù)規(guī)范要求，吊裝作業(yè)時(shí)，吊裝荷載不得超過(guò)起重機(jī)在相應(yīng)工況下的額定吊裝能力；在風(fēng)速大于等于10.8m/s時(shí)，不得吊裝。在工程實(shí)踐中，對(duì)于單吊車吊裝的負(fù)荷率一般不宜超過(guò)相應(yīng)工況下的額定吊裝能力的90%。以上要求，體現(xiàn)了吊裝過(guò)程中動(dòng)載荷對(duì)吊裝安全的影響。單吊車吊裝過(guò)程產(chǎn)生的動(dòng)載荷，是該吊裝工藝應(yīng)當(dāng)主要考慮的不利因素。

1 動(dòng)載荷的產(chǎn)生原因

單吊車吊裝設(shè)備或工件吊裝過(guò)程中，由于吊車回轉(zhuǎn)速度變化、吊鉤起落速度變化、高空吊裝中設(shè)備承受的風(fēng)載荷變化，以上情況中設(shè)備受力的變化或擺動(dòng)，在宏觀表現(xiàn)為設(shè)備運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的上變化，在吊車上表現(xiàn)為吊裝荷載的變化，我們把發(fā)生變化的這部分載荷稱為動(dòng)載荷。

現(xiàn)有吊裝規(guī)范對(duì)吊裝過(guò)程中動(dòng)載荷或動(dòng)載系數(shù)都未做出定義和計(jì)算要求；SH/T3515-2003在資料性附錄B“桅桿吊裝計(jì)算”中對(duì)動(dòng)載系數(shù)取值為1.1；“重型設(shè)備吊裝工藝與計(jì)算”書(shū)中，對(duì)動(dòng)載系數(shù)取值為1.1～1.2。由此可見(jiàn)，現(xiàn)有的規(guī)范、工程手冊(cè)對(duì)吊裝動(dòng)載荷的規(guī)定各不相同，未對(duì)其產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，因此對(duì)動(dòng)載荷系數(shù)的選用也不一致，吊裝過(guò)程一般不計(jì)算，也缺乏進(jìn)一步的理論計(jì)算依據(jù)。

2 動(dòng)載荷的力學(xué)分析

2.1 由于吊車回轉(zhuǎn)速度變化產(chǎn)生的動(dòng)載荷

2.1.1 動(dòng)載荷的產(chǎn)生

在整個(gè)回轉(zhuǎn)過(guò)程中，吊車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為：靜止 → 回轉(zhuǎn) → 靜止，并且在吊車回轉(zhuǎn)過(guò)程可能會(huì)出現(xiàn)回轉(zhuǎn)速度的變化。

對(duì)設(shè)初始受力狀態(tài)進(jìn)行簡(jiǎn)化：設(shè)備初始受兩個(gè)力的作用，自身重力G和吊車提升力F。將設(shè)備簡(jiǎn)化為一個(gè)質(zhì)量為m、位于設(shè)備重心處的質(zhì)點(diǎn)C。

吊車回轉(zhuǎn)開(kāi)始，到達(dá)穩(wěn)定的回轉(zhuǎn)速度ω時(shí)，設(shè)備以吊車回轉(zhuǎn)中心為圓心，以R為半徑做圓周運(yùn)動(dòng)，受到切向慣性力F慣和法向離心力F慣的作用，并將其合力定義為F合。設(shè)備受力見(jiàn)圖1。

圖1 吊車回轉(zhuǎn)時(shí)設(shè)備的受力簡(jiǎn)圖

吊車由靜止到最大回轉(zhuǎn)速度，回轉(zhuǎn)速度由0至ω，時(shí)間為ΔT。設(shè)備由于慣性，會(huì)保持原有狀態(tài)，在離心力作用下，設(shè)備會(huì)向外產(chǎn)生偏角。在F慣和F離的共同作用下，設(shè)備與豎直面產(chǎn)生的偏角為λ，如吊車保持勻速ω轉(zhuǎn)動(dòng)，偏角λ保持不變。由于偏角λ的存在，導(dǎo)致吊車受力F的增大，增大的受力為吊裝過(guò)程應(yīng)考慮動(dòng)載荷。

在吊車回轉(zhuǎn)至指定位置（即設(shè)備就位時(shí)），吊車回轉(zhuǎn)速度逐漸減小為0，設(shè)備由于慣性保持原有速度ω。設(shè)備將在慣性力的作用下，以角度λ擺動(dòng)。在設(shè)備以λ角擺動(dòng)過(guò)程中，吊車受力應(yīng)考慮設(shè)備擺動(dòng)產(chǎn)生的載荷增加。

在吊車回轉(zhuǎn)過(guò)程中，回轉(zhuǎn)速度有可能發(fā)生變化，但其變化量均小于吊車啟動(dòng)或停止時(shí)的變化，因此對(duì)設(shè)備產(chǎn)生的動(dòng)載荷也較小，在受力計(jì)算只需考慮設(shè)備出現(xiàn)最大動(dòng)載荷的兩種情況，即在吊車開(kāi)始回轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)動(dòng)速度ω，以及由轉(zhuǎn)動(dòng)速度ω到停止時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)載荷。

2.1.2 在吊車開(kāi)始回轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)動(dòng)速度ω時(shí)的動(dòng)載荷計(jì)算

（1）切向慣性力的計(jì)算

在吊車向某個(gè)方向回轉(zhuǎn)時(shí)，設(shè)備在切向慣性力的作用下，會(huì)與回轉(zhuǎn)方向相反的方向產(chǎn)生偏角σ，設(shè)備受力見(jiàn)圖2。

圖2 設(shè)備由靜止到以速度ω轉(zhuǎn)動(dòng)受到切向慣性力的受力簡(jiǎn)圖

R——吊裝半徑

ΔT——吊車回轉(zhuǎn)時(shí)由0到ω所需的時(shí)間

由公式（1）可以看出，在吊裝半徑一定的情況下， 與F慣成正比，與ΔT成反比。因此，在吊車啟動(dòng)過(guò)程中，啟動(dòng)要慢、平穩(wěn)，回轉(zhuǎn)時(shí)的速度要慢，可以減小F慣。

（2）法向離心力的計(jì)算

在法向離心力的作用下，設(shè)備偏離豎直方向一段距離d，以R+d為旋轉(zhuǎn)半徑做水平圓周運(yùn)動(dòng)。設(shè)備受力簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。

圖3 設(shè)備受到法向離心力作用的受力簡(jiǎn)圖

在離心力作用下，設(shè)備會(huì)向外產(chǎn)生偏角δ；離心力的方向?yàn)楸畴x回轉(zhuǎn)中心向外。

由公式（2）可以看出，在吊裝半徑一定的情況下，F(xiàn)慣與ω成正比。因此，在吊車回轉(zhuǎn)時(shí)的速度要慢，可以減小F離。

（3）分析

根據(jù)圖3，設(shè)備回轉(zhuǎn)時(shí)的受力分析，在設(shè)備不產(chǎn)生回轉(zhuǎn)偏角情況下，F(xiàn)=G。

表1 動(dòng)載系數(shù)與設(shè)備回轉(zhuǎn)偏角關(guān)系

2.1.3 吊車由轉(zhuǎn)動(dòng)速度ω到停止時(shí)的動(dòng)載荷計(jì)算

吊車以速度ω回轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的偏角為λ，由于吊車停止回轉(zhuǎn)，設(shè)備將在慣性力的作用下，以角度λ 擺動(dòng)。設(shè)備可認(rèn)為是以初始速度為v(v=ω×R)，將以角度λ擺動(dòng)的單擺。設(shè)備受力見(jiàn)圖4。

圖4 設(shè)備由以速度ω轉(zhuǎn)動(dòng)到靜止受到切向慣性力的受力簡(jiǎn)圖

2.2 吊車吊鉤起升（下降）速度變化產(chǎn)生的動(dòng)載荷

吊車吊鉤在起升或下降過(guò)程中的急起、急落或緊急制動(dòng)，即驟然加速或減速，設(shè)備由于自重，保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)所吊裝設(shè)備產(chǎn)生超出其自身重量很大的慣性力，方向與加速度產(chǎn)生的方向相同。由此產(chǎn)生的動(dòng)載荷定義為沖擊載荷F沖。

2.3 設(shè)備承受風(fēng)載荷變化產(chǎn)生的動(dòng)載荷

在室外吊裝作業(yè)中，隨設(shè)備就位高度增大，由于設(shè)備的迎風(fēng)面積和形狀不同，將產(chǎn)生很大的風(fēng)載荷，并引起設(shè)備的擺動(dòng)，由此產(chǎn)生動(dòng)載荷。

2.3.1設(shè)備所受風(fēng)載荷的計(jì)算

對(duì)設(shè)備受力進(jìn)行分析，設(shè)備受重力G、吊車提升力F，風(fēng)力P。設(shè)備受力簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖9。

在風(fēng)載荷作用下，設(shè)備產(chǎn)生偏角γ。由于風(fēng)速變化、設(shè)備吊裝高度的變化，設(shè)備所受的風(fēng)力發(fā)生變化，設(shè)備吊裝過(guò)程會(huì)出現(xiàn)一定角度的擺動(dòng)。對(duì)此受力過(guò)程的變化進(jìn)行簡(jiǎn)化，按照設(shè)備在從靜止到承受最大風(fēng)力情況下，出現(xiàn)最大角度偏移計(jì)算其動(dòng)載荷。

圖5 設(shè)備在風(fēng)載荷作用下的受力簡(jiǎn)圖

3 工程實(shí)例驗(yàn)證

設(shè)備規(guī)格Φ3800×24500mm；重量83噸；安裝標(biāo)高EL28750mm。吊裝重量包括設(shè)備83噸，吊鉤和索具合計(jì)8噸，共91噸。主吊車選用320噸履帶吊車，主臂長(zhǎng)度66米，就位吊裝半徑14米，額定吊裝重量102噸。

（1）吊車相關(guān)操作參數(shù)：

吊車回轉(zhuǎn)速度為0～1.4圈/分鐘 ，即回轉(zhuǎn)速度ω為 0～0.047π rad/s；回轉(zhuǎn)時(shí)最大回轉(zhuǎn)速度按照ω= 0.04π rad/s，所需的時(shí)間按ΔT = 2s計(jì)算。

吊車卷?yè)P(yáng)機(jī)繞繩速度為0～145m/min，吊車吊鉤穿繞鋼絲繩股數(shù)為2×5，則吊鉤起落速度為0～14.5 m/min。吊鉤起落速度變化按Δv沖=7.25 m/min，時(shí)間Δt沖=0.5s計(jì)算。

設(shè)備起升到高度后28750mm，吊車開(kāi)始回轉(zhuǎn)，此時(shí)吊點(diǎn)到吊車定滑輪距離S=21米。

吊車回轉(zhuǎn)和設(shè)備就位高度在28.75m～ 54m，按照B類地區(qū)，綜合考慮取f=1.65。

（2）在吊車開(kāi)始回轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)動(dòng)速度ω時(shí)的動(dòng)載荷計(jì)算

則計(jì)算出設(shè)備偏角λ為 5.3°。

表2 不同風(fēng)速下吊裝動(dòng)荷載計(jì)算表

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)上述的理論計(jì)算和工程實(shí)例驗(yàn)證，單吊車在將設(shè)備或工件吊裝過(guò)程中，動(dòng)載荷是影響吊裝安全的主要因素，為了減少動(dòng)載荷對(duì)吊車的影響，應(yīng)當(dāng)按照以下要求進(jìn)行吊裝作業(yè)。

（1）在吊車突然啟動(dòng)或在回轉(zhuǎn)過(guò)程中突然停止，由于原有偏離角度和運(yùn)動(dòng)慣性，會(huì)產(chǎn)生較大的動(dòng)載荷；吊鉤起落速度的突然變化，也會(huì)產(chǎn)生較大的動(dòng)載荷。因此，吊車做各種動(dòng)作（回轉(zhuǎn)、起升、變幅）時(shí)的啟動(dòng)速度要慢，做到平穩(wěn)操作。

（2）為了防止在設(shè)備運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的動(dòng)載荷迭加，禁止吊車同時(shí)發(fā)生兩種動(dòng)作。

（3）在8 級(jí)風(fēng)速時(shí)的吊裝動(dòng)載系數(shù)達(dá)到1.052，應(yīng)嚴(yán)格禁止吊裝作業(yè)；吊裝規(guī)范規(guī)定吊車在風(fēng)速超過(guò)10.8m/s時(shí)禁止進(jìn)行吊裝作業(yè)，因?yàn)樵诖孙L(fēng)力環(huán)境下，局部的陣風(fēng)會(huì)達(dá)到7～8級(jí)以上，由此造成工件受風(fēng)載大幅度晃動(dòng)，產(chǎn)生較大的動(dòng)載荷。

（4）在進(jìn)行設(shè)備高空吊裝進(jìn)行高處對(duì)口或就位時(shí)，需要人力去推扶設(shè)備協(xié)助就位，應(yīng)保證吊裝平穩(wěn)，在風(fēng)力較小情況下進(jìn)行吊裝作業(yè)，減小動(dòng)載荷影響。

（5）嚴(yán)格控制單吊車吊裝的負(fù)荷率不超過(guò)相應(yīng)工況下的額定吊裝能力的90%要求，防止吊裝過(guò)程動(dòng)載荷因素疊加造成超負(fù)荷吊裝。

單吊車吊裝設(shè)備或工件時(shí)，特別是設(shè)備重量與吊車的額定起重量接近時(shí)，充分考慮動(dòng)載荷產(chǎn)生的不利影響，在吊裝作業(yè)過(guò)程中，減少由于吊車的違規(guī)操作、自然條件、人為因素造成的各種危險(xiǎn)，制定合理的吊裝作業(yè)程序，確保吊裝作業(yè)安全。