油缸变幅动臂塔式起重机移动配重研究

王新聪，郭吉坦，潘志毅，白朝阳

（1.大连交通大学 土木与安全工程学院，辽宁 大连 116028；2.大连理工大学 机械工程学院，辽宁 大连 116023；3.大连益利亚工程机械有限公司，辽宁 大连 116024）

1 引 言

塔式起重机（简称塔机）配重的作用是使塔机前后平衡，减小塔身所受弯矩，改善塔身受力情况。动臂塔机的配重有固定式和移动式两种，固定配重是将配重固定在平衡臂的尾部，配重对塔身的后倾弯矩保持不变，塔身承受较大的不平衡弯矩，容易发生疲劳破坏；移动式配重是通过设置移动配重机构，根据臂架俯仰情况，调节配重位置，减小塔身受到的不平衡弯矩。采用移动式配重的塔机塔身截面小，质量轻，但是移动式配重机构构造复杂，往往需要添加辅助动力驱动，成本较高，而且安装维护也不方便[1]。现有的采用移动式配重的动臂塔机其配重移动方式主要有钢丝绳移动配重方式、平行四连杆移动配重方式和动力驱动移动配重方式[2～4]。

油缸变幅动臂塔机是以液压油缸为变幅机构，采用移动式配重的动臂塔机，是德国JOST公司专为英国市场开发的产品，目前国内还没有相关研究。本文以油缸变幅动臂塔机为研究对象，研究了其移动配重的实现方式，给出了配重重量和起重性能的计算方法，并与同级别平头塔机和固定配重动臂塔机进行了起重性能及塔身弯矩的对比分析。

2 油缸变幅动臂塔机移动配重设计

2.1 机构 组成

油缸变幅动臂塔机移动配重机构主要是由配重、平衡臂、起重臂和液压油缸组成。如图1所示，起重臂和平衡臂相连并铰接于旋转轴O处，配重悬挂于平衡臂尾部C处，液压油缸上下铰点A、B分别铰接于起重臂和塔身的适当位置。当油缸伸缩带动起重臂绕旋转轴做俯仰变幅运动时，平衡臂随起重臂绕旋转轴同步转动，从而带动配重移动。

图1 油缸变幅动臂塔机配重移动示意图

2.2 移动配重力学模型

油缸变幅动臂塔机移动配重的力学模型如图2所示。

图2 油缸变幅动臂塔机移动配重力学模型

2.3 移动配重计算

由图2所示力学模型可得，塔身轴向力N和对回转中心弯矩M的计算如下

塔身为压弯杆件结构，主要承受轴向压力和弯矩[5]，塔身横截面应力

式中φ——轴心受压稳定系数；

A——塔身截面面积；

W——抗弯截面系数。

上回转塔式起重机按照塔身受载最小的原则确定配重质量[6]。在配重设计时，应使塔身截面应力在塔身受最大前倾弯矩和最大后倾弯矩两个工况下差值最小。

式中M1——塔身所受最大前倾弯矩，即塔机起吊额定起重量时塔身所受最大弯矩；

M2——塔身所受最大后倾弯矩，即塔机空载

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时臂架位于水平位置塔身所受弯矩；

N1、N2——两个工况下塔身的轴向压力；

σs1、σs2——两个工况下塔身横截面应力；

Δσ——两个工况下塔身截面应力的差值。

公式(4)中，N1和N2的差值是定值为额定起重量Q1，所以当M1＝M2时，Δσ的取得最小值，即最大前倾弯矩和最大后倾弯矩大小相等时，塔身截面上应力的差值最小。故可得配重重量计算方法

式中Q1——额定起重量；

Rq1——最大前倾弯矩工况时吊物的幅度；

Rp1、Rz1、Rb1——最大前倾弯矩工况时平衡臂、配重和起重臂的重心位置至回转中心的距离；

Rp2、Rz2、Rb2——最大后倾弯矩工况时平衡臂、配重和起重臂的重心位置至回转中心的距离。

2.4 塔机起重性能曲线

影响塔机起重性能的因素有多种，其中臂架稳定性和刚度、受力构件的强度和稳定性、塔机倾覆稳定性是影响塔机起重性能的主要因素[7]，本文仅考虑倾覆稳定性决定的起重性能，起重机的抗倾覆稳定性是指起重机在自重和外载荷作用下抵抗翻倒的能力。倾覆稳定性计算的基本原则是稳定力矩大于倾覆力矩[5]。故可得塔机起重性能计算方法。

式中Qr——幅度Rq时的最大起重量。

3 实例分析

以JOST公司的TYP-JTL108.6油缸变幅动臂塔机为例进行计算分析，并与同级别平头塔机和固定配重动臂塔机进行起重性能及塔身所受弯矩的对比分析。假设3种塔机的最大工作幅度相同，最大工作幅度的起重量相同，起重臂和平衡臂重量相同，臂架和其他受力构件的强度和稳定性均满足要求。其塔机的主要参数见表1。

平头、固定配重动臂塔机的力学模型如图3所示。

3.1 起重性能对比分析

油缸变幅动臂塔机塔身受最大前倾弯矩工况为起重机工作幅度7.5m时，起吊额定起重量的工况；塔身受最大后倾弯矩工况为臂架位于水平位置时，空载工况。

表1 塔机主要参数表

图3 平头塔机和固定配重动臂塔机力学模型

由公式(5)可得该型号油缸变幅动臂塔机配重大小为22.8t。根据图3所示力学模型，按上述配重计算方法计算得到了平头塔机和固定配重动臂塔机的配重大小分别为22.3t和12t。

按照抗倾覆稳定性原则确定塔机的起重性能计算方法，并利用MATLAB编程绘制油缸变幅动臂塔机、平头塔机和固定配重动臂塔机的起重性能曲线，如图4所示。

图4 塔机的起重性能曲线对比图

由图4可知，在最大幅度相同、最大幅度的起重量相同，且各主要部件质量相同条件下，油缸变幅动臂塔机的起重性能较平头塔机和固定配重动臂塔机略差，是因为油缸变幅动臂塔机采用移动配重，减小了塔机的稳定力矩，降低了起重量，防止塔机倾覆。

3.2 塔身弯矩对比分析

分别对起吊2t重物和空载这两种工况下3者塔身所受弯矩进行对比分析，结果如图5所示。

由图5a可知，油缸变幅动臂塔机塔身所受最大弯矩最小，塔机所受弯矩变化最小，对塔身截面要求低，塔身截面小，质量轻；由图5b可知，空载时，油缸变幅动臂塔机在最小幅度时塔身弯矩最小，塔机非工作时，臂架可仰起到最大角度，占用空间小。

图5 塔身所受弯矩对比图

4 结 论

1)最大工作幅度相同，最大工作幅度的起重量相同的条件下，油缸变幅动臂塔机的起重性能较平头和固定配重动臂塔机略差，但起吊相同载荷时，塔身所受最大弯矩和塔身弯矩的变化最小，塔身截面小，质量轻。

2)空载时，油缸变幅动臂塔机塔身所受弯矩在最小工作幅度处达到最小值，因此，非工作工况时可将臂架仰起到最大角度，塔身弯矩小，占用空间少。

[1]屠凤莲,罗文龙.动臂变幅塔机的配重同步移动机构[J].建筑机械，2010，(1)：91-92.

[2]刘杰海.对拉循环式动臂塔机平衡重移动装置[J].建筑机械化，2010，（9）：64-66.

[3]张明勤，张瑞军，李海青，等.动臂式塔式起重机平衡重自适应调节装置[P].中国专刊：200720026287.0，2007-08-21.

[4]李力强.丹麦K10000塔式起重机控制系统的改造[J].建筑机械化，2011，(8)：69-72.

[5]GB/T 3811-2008，起重机设计规范[S].

[6]GB/T 13752-1992，塔式起重机设计规范[S].

[7]高顺德,崔丹丹,滕儒民，等.动臂塔式起重机起重性能曲线研究[J].建筑机械，2011，(3)：98-101.