塔式起重機(jī)起升性能曲線的控制分析

任師道，沈蘭華，范開英

（中國(guó)電建集團(tuán)山東電力建設(shè)第一工程有限公司，山東 濟(jì)南 250014)

工程項(xiàng)目選取塔機(jī)時(shí)通過起升性能進(jìn)行對(duì)比，性能好的起重機(jī)不僅能滿足最大件吊裝需求，而且有起升性能曲線高于同類型設(shè)備，方便適用于各施工流程。當(dāng)最大起重量和起重力矩確定后，獲得更高的起升性能曲線，是每個(gè)起重機(jī)廠孜孜以求的目標(biāo)。

起升性能對(duì)工程項(xiàng)目也有范圍適應(yīng)，性能追高很可能帶來起重機(jī)整機(jī)成本的增加。限制起升性能的因素有：起重臂承載能力，變幅機(jī)構(gòu)承載能力，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)承載能力，塔身承載能力等[1]，各部件校核計(jì)算對(duì)應(yīng)著也有不同的工況，本文從塔機(jī)載荷組合出發(fā)，考慮不同工況下各種載荷對(duì)起升性能的影響。

1 無風(fēng)起升工況

塔機(jī)初始設(shè)計(jì)時(shí)，等力矩設(shè)計(jì)是比較常用的原則。計(jì)算時(shí)取起重機(jī)正常工作狀態(tài)下，無約束地從地面起吊物品，與動(dòng)載試驗(yàn)環(huán)境條件相同，忽略風(fēng)載荷和偏擺載荷，設(shè)此工況為穩(wěn)定起升工況。按照穩(wěn)定起升工況的控制力矩取恒值M1con

式中M1i——在任意i點(diǎn)位置的上部結(jié)構(gòu)力矩；

Mk——空載狀態(tài)下的整機(jī)自重力矩；

Gq——隨工作幅度變化的移動(dòng)載荷，含吊具、起升鋼絲繩、平臂塔機(jī)的小車或動(dòng)臂塔機(jī)的頭部積重等載荷[2]；

Qi——在任意i點(diǎn)位置的額定起重量；

?1——起升沖擊系數(shù)；

?2——起升動(dòng)載系數(shù)；

Li——在任意 點(diǎn)位置的工作幅度。

由此求得起重量和工作幅度的關(guān)系為

式（2）中只有一個(gè)變量載荷Li，令

則式（2）可簡(jiǎn)化為

可得出起升性能曲線是一條關(guān)于幅度的反曲線，并且修正了移動(dòng)載荷。當(dāng)起升沖擊系數(shù)和起升動(dòng)載系數(shù)基本相同時(shí)，?1≈?2，式4 可簡(jiǎn)化為

在起重機(jī)初始方案設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員可此公式求得一條近似的起升特性曲線，起重臂等上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都可按照此性能曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 起升偏擺工況

塔機(jī)在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核計(jì)算時(shí)，需要考慮正常操作控制下的變幅機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，并考慮風(fēng)載荷作用[3]，對(duì)此工況考慮偏擺載荷力矩Mp和風(fēng)載荷力矩Mf。

以動(dòng)臂塔機(jī)為例，上部結(jié)構(gòu)到回轉(zhuǎn)支承位置的力矩取恒值M2con為控制力矩。偏擺載荷力矩與到回轉(zhuǎn)支承的相對(duì)高度有直接關(guān)系，與幅度有間接關(guān)系，列式表達(dá)為

式中αII——起重鋼絲繩最偏擺角；

θi——工作幅度 時(shí)的起重臂與水平面夾角；

Hh——起重臂根部鉸點(diǎn)到回轉(zhuǎn)支承的高度；

為單獨(dú)分析每個(gè)因素對(duì)起升性能的影響，暫不考慮風(fēng)載荷因素，此時(shí)Mf=0。當(dāng)無風(fēng)工作時(shí)，起升機(jī)構(gòu)與變幅或回轉(zhuǎn)共同作用，考慮偏擺載荷，同時(shí)令

此時(shí)對(duì)回轉(zhuǎn)支承位置等力矩控制的起升性能表達(dá)式為

為統(tǒng)一表達(dá)式型式，設(shè)關(guān)于工作幅度Li的加權(quán)函數(shù)如下

則式（9）可表達(dá)為

由公式可得，偏擺載荷相當(dāng)于在起升特性上增加了一項(xiàng)加權(quán)函數(shù)，此加權(quán)函數(shù)值在初始控制力矩的最大起重力矩工況時(shí)提升了很大一段性能。隨著工作幅度的增加，加權(quán)系數(shù)在下降，因此遠(yuǎn)端性能影響下降，遠(yuǎn)端性能因此有所提升，圖1 起升特性比較驗(yàn)證了此結(jié)論。

圖1 偏擺工況與無風(fēng)工況的起升特性比較

當(dāng)考慮塔身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，可將M2con取為起重臂根部鉸點(diǎn)到塔身底部的高度即可。

3 有風(fēng)起升工況

起重臂風(fēng)載力矩為非固定值，與工作幅度也有間接關(guān)系，列式表達(dá)為

式中Fsf——回轉(zhuǎn)支承上部結(jié)構(gòu)風(fēng)載荷；

Hsh——上部結(jié)構(gòu)風(fēng)載荷合力作用點(diǎn)到回轉(zhuǎn)支承的高度。

同樣在有風(fēng)工作條件下，同樣可能存在起升載荷偏擺。為簡(jiǎn)化結(jié)果，令

對(duì)回轉(zhuǎn)支承位置等力矩控制的起升性能計(jì)算公式為

平頭及平臂塔機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，起升物品與回轉(zhuǎn)支承高度相近，偏擺高度較小，Hh≈0，偏擺力矩可忽略，MP=0，則上式可近似為

通過式（15）觀察可得出，風(fēng)載對(duì)起升性能有幅度修正作用，此修正值與起重臂風(fēng)載荷和工作角度有關(guān)。由式可以得出，隨著幅度的增大，風(fēng)載的影響在減小，有利于遠(yuǎn)端起升性能的提升，圖2 起升特性比較驗(yàn)證了此結(jié)論。

圖2 有風(fēng)工況與無風(fēng)工況的起升特性比較

當(dāng)考慮塔身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，除將 取為起重臂根部鉸點(diǎn)到塔身底部的高度外，還要考慮塔身等回轉(zhuǎn)支承下部結(jié)構(gòu)的風(fēng)載力矩。

4 靜載試驗(yàn)工況

無風(fēng)起升工況、有風(fēng)起升工況和偏擺工況都是通過最大額定起重力矩值推導(dǎo)出控制力矩恒值，通過此恒值，設(shè)工作幅度為主要變量參數(shù)，推導(dǎo)出整條起升特性曲線。

靜載試驗(yàn)工況可以簡(jiǎn)化為起升動(dòng)載系數(shù)為1.25 的無風(fēng)起升工況，但塔機(jī)起升性能同樣受到回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)承載能力的限制[4]。與幅度參數(shù)影響不同，回轉(zhuǎn)支承因?yàn)槁菟ㄟB接的緣故，承載力矩性能與起重機(jī)回轉(zhuǎn)支承上部重量有關(guān)，即起重量影響了控制力矩值[3]。根據(jù)回轉(zhuǎn)支承樣本可查得，回轉(zhuǎn)支承在螺栓線性階段的承載性能可表達(dá)為

式中Mh——根據(jù)回轉(zhuǎn)支承性能圖表求得的線性方程的力矩初始值；

G40——起重機(jī)上部載荷自重；

m——根據(jù)回轉(zhuǎn)支承性能圖表螺栓承載能力的方程斜率；

k——起升載荷組合系數(shù)，靜態(tài)時(shí)取1，動(dòng)態(tài)時(shí)取?2，靜載試驗(yàn)時(shí)取1.25。

引入回轉(zhuǎn)支承承載能力后，起升性能與幅度的關(guān)系可表達(dá)為

令

則式（17）可簡(jiǎn)化為

根據(jù)塔機(jī)性能規(guī)律和回轉(zhuǎn)支承性能曲線，工作幅度增大時(shí)，遠(yuǎn)端起升載荷小于近端起升載荷，所以回轉(zhuǎn)支承遠(yuǎn)端承載力矩小于近端承載力矩。由于塔機(jī)回轉(zhuǎn)支承承載能力受靜載試驗(yàn)工況限制，載荷系數(shù)k=1.25，此時(shí)根據(jù)式（19）推導(dǎo)出的性能曲線優(yōu)于k=1 時(shí)的性能曲線，因此遠(yuǎn)端性能也有提升的空間，圖3 起升特性比較驗(yàn)證了此結(jié)論。

圖3 靜載工況與無風(fēng)工況的起升特性比較

5 結(jié)論

本文以塔機(jī)性能曲線為研究目標(biāo)，分析了起重機(jī)在不同載荷組合下的控制力矩，并以無風(fēng)穩(wěn)定起升工況為基礎(chǔ)，對(duì)比了塔機(jī)起重臂、變幅機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)支承和塔身等主要部件對(duì)起升性能的影響，給出了起升性能曲線的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，為提升塔機(jī)性能提供了理論依據(jù)。

1）起升性能是塔機(jī)最根本的性能，起升性能曲線通常是按照等力矩控制設(shè)計(jì)計(jì)算，等力矩原則下，幅度是影響起重量的最主要因素，但偏擺、風(fēng)載和試驗(yàn)等載荷也會(huì)影響起升性能；

2）等力矩的控制力矩對(duì)起重臂、變幅機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和塔身等部件的含義并不相同，初設(shè)時(shí)選取無風(fēng)靜載工況進(jìn)行初算，方法簡(jiǎn)單，但得出的性能曲線偏低，沒有充分發(fā)揮各部件的性能。設(shè)計(jì)者在提升起升性能曲線前，應(yīng)系統(tǒng)地對(duì)各部件進(jìn)行校核，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，取得更好的經(jīng)濟(jì)效益。