塔机回转力矩在设计中的控制比较

范开英，沈兰华，史海红

（山东丰汇设备技术有限公司，山东 济南 250000）

塔机回转力矩在设计中的控制比较

范开英，沈兰华，史海红

（山东丰汇设备技术有限公司，山东 济南 250000）

通过对塔机回转力矩组成的分析，对比在结构和机构设计时考虑的不同因素，考虑电机在起制动时对结构的冲击影响，运用电气调节等措施，提出了一些控制方法，减少塔机的回转力矩峰值，提高塔机的经济性和安全性。

塔式起重机；回转力矩；制动时间

在塔机设计时，回转力矩的大小与整机性能和环境有关。塔机性能中起升载荷、回转速度等参数是预先设定的；环境因素的取值如风速，偏摆，效率等是由国家规范统一确定的。回转力矩对结构设计、电机选取和塔机附着都有很大影响。

塔式起重机设计手册中对塔机回转力矩的计算在结构和机构中有着不同的规定。在结构设计计算时，塔机回转力矩由风阻力矩，惯性阻力矩，偏摆力矩组成[1]。在机构设计计算时，塔机回转力矩由摩擦阻力矩，惯性阻力矩，坡道阻力矩和风阻力矩组成[2]。在相同的组成部分中，对风阻力矩和惯性阻力矩也有不同的计算参数选择。二者计算出来的结果没有必然的大小之分，但设计时可以通过一些控制方法减少塔机的回转力矩峰值，从而降低塔机起制动时的冲击载荷，降低对基础和附着建筑物的要求，提高塔机的适用性和安全性。

1 回转力矩的结构算法

回转风载荷主要由起重臂，平衡臂，机构等各段风载荷组成，风载荷按PWII校核。计算各段风载荷，然后求和。在回转中心两侧的起重臂和平衡臂风载荷方向相同，力矩方向相反。计算时考虑风力系数，挡风折减系数的影响。

起重机回转起（制）动的水平惯性力，按其各部件质量与该质心的加速度乘积的φ5倍计算。其中可调的参数为加速度，当回转速度确定时，可调节参数转化为起（制）动时间。

臂架起重机回转和变幅机构起（制）动时的总起升质量产生的综合水平力（包括风力和回转起制动产生的惯性力），也可以用起升钢丝绳相对于铅垂线的偏摆角引起的水平分力来计算。对结构计算选用最大偏摆角计算，通常此值比由风载和水平惯性力计算结果略大。但由于其随起升载荷的关系简单明确，更容易实现参数化设计，所以一般用偏摆载荷计算

起重机结构计算时塔机承受的回转力矩M为

2 回转力矩的机构算法

塔机一般选择滚动轴承式回转支承装置，摩擦阻力矩按下式计算

起重机回转平面与水平面成θ角，在回转时产生坡道阻力矩，按下式计算

起重机机构计算回转时需要克服的回转阻力矩T为

3 结构与机构算法比较

对风阻力矩，作用在起重机上的工作状态正常风载荷按PwI设计计算，且PwI=0.6PwII。机构计算风阻力矩中不考虑起升质量时，公式(8)简化为

对起重机回转起（制）动时的总起升质量产生的综合水平力计算电动机功率时用起重机正常偏摆角计算，此时风阻力矩和惯性阻力矩中即可不考虑起升质量的影响。对起升质量部分，回转阻力矩修改为

实际上，起升重物回转惯性力部分为0.25～0.3倍，工作状态正常风载荷为最大风载荷的0.6倍，两者相加后系数应该大于0.25～0.3。但电机作为动力元件，规范上推荐其选取力矩小于结构可以承受的载荷是偏安全的。

起重机回转综合水平力计算时取φ5=1。同理，机构计算对惯性阻力矩单独考虑起升质量后，公式（8）简化为

此时起重机机构计算回转时需要克服的回转阻力矩T′为

由公式(13)可知，结构和机构所计算包含项目不同，对应相同项目的取值也不同，但结构分项计算后的数据可直接提供给机构借鉴参考。结构计算中不含摩擦阻力矩和坡道阻力矩，在机构计算中这两项约占8%～10%[3]，在机构计算时可预修正一个系数进行设计。

4 电机选型对结构的影响

通常情况下，起重机起制动时力矩峰值较大，此峰值与电机功率成正比，也是结构校核的主要依据，是塔机设计的计算控制项。

电机功率选择要考虑两种条件。一种根据机构稳定运动的等效静阻力矩、回转速度和机构效率计算机构的等效功率。

则电机提供给结构的最大等效回转阻力矩为

另一种当机构的静阻力矩较小，将考虑电机平均起升转矩倍数计算。

则电机提供给结构的最大等效回转阻力矩为

由此公式对比可以看出，虽然电机选取时风阻力矩减小，但惯性力矩和起升偏摆力矩增加了，且包含了摩擦阻力矩项，增加了几种不同方法计算结果的不确定性。如不注意控制，则电机输出的扭矩传到结构后将超出结构的承载能力。回转机构设计时应优选力矩电机，这样能有效地控制电机输出扭矩满足设计要求。机构设计时如果不能控制起制动力矩，控制摩擦阻力矩和坡道阻力矩效果不明显，就应控制起制动时间和制动器的延时时间，以便结构在摩擦和风阻的共同作用下，逐步降低回转速度，从而降低回转加速度，减少对结构的影响。

5 实 例

某塔机最大额定起重量50t，对应幅度22m，回转速度0.3r/min。查表的偏摆角度为αII=2°，起制动时间取5s，分别计算吊载时的结构，机构，稳定运行和电机起制动时的阻力矩，结果如表1所示。

表1 塔机5s制动回转力矩对比表

通过表1分析，对起升偏摆力矩，机构按风载荷和回转惯性力校核出来的力矩约为结构校核数据的0.6倍，因此机构选择电机时按0.3倍选取时会降低对结构的冲击，对结构有利；当制动时间较短时，电机起制动产生的力矩比结构校核的力矩大，导致结构校核不安全，对塔机来讲是严重的隐患；电机起制动时的力矩远大于稳定运行的力矩，这对塔机设计是不合理的。

表2 塔机10s制动回转力矩对比表

通过表2和表1对比分析，适当延长制动时间，电机需要的扭矩可以大幅减小，却不会影响塔机稳定运行速度。而且机构，电机引起的起制动力矩都比结构校核的小，塔机比较安全。

当进一步延长制动时间到20s，此时电机稳定等效力矩为62.41tm，电机起制动回转力矩为68tm，二者效果基本相同。塔机电机按此数据设计比较经济，结构校核也可以选取二者中较大项进行校核。此时起制动偏摆角将会远小于2°，非常安全。

6 结 论

本文总结了塔机回转机构的设计和控制思路，提出了电机功率选取时最经济安全的方法，降低了回转的力矩峰值，对降低塔机成本，提高结构安全性有很大意义。

1) 塔机选型时应注意控制起制动力矩，电机及机构制动器的力矩峰值应小于结构校核的力矩最大值，这样才能保证塔机的安全性。力矩控制的方法有延长制动时间，力矩电机限峰值，调整制动盘摩擦片的间隙等。

2) 回转电机的选择影响的是起制动时间，而不是回转速度。回转速度与回转机构的减速比和回转支承与小齿轮的传动比有关，与电机扭矩关系很小。

3) 回转电机选型设计时应兼顾电机稳定等效力矩和电机起制动回转力矩的平衡性，一般选型时起制动力矩略大于稳定等效力矩，塔机校核时可选起制动力矩进行校核。

4) 对大型塔机起制动时间取10～20s比较合适。如制动时间不能满足，应提前降速，然后制动，达到控制制动力矩的效果。

[1]GB/T 3811-2008，起重机设计规范[S].

[2]张志文.起重机设计手册（第一版）[M].北京：中国铁道出版社，2001.

[3]李鹏举，韦 清，范开英.大型平头塔机回转驱动功率的确定[J].建筑机械化，2015,（5）：25-27.

(编辑 贾泽辉）

Control comparison of tower crane gyroscopic moment design

FAN Kai-ying, SHEN Lan-hua, SHI Hai-hong

TH212;TH213.3

B

1001-1366(2015)09-0030-03

2015-07-09