回转支承当量载荷对塔机性能的控制分析

沈兰华，范开英，孟庆琳

（山东丰汇设备技术有限公司，山东 济南 250000）

塔机起升特性曲线的控制条件有很多，传统校核以等控制力矩为条件，通过以近端最大额定起升力矩处或远端最大幅度处为代表性工作状态计算，为塔机设计出起升性能曲线。随着对建筑物覆盖面的需要，同规格塔机越来越注重远端性能，有些塔机设计时远端控制力矩大于近端控制力矩。当控制力矩发生变化时，对回转支承当量载荷的全面校核非常复杂。

回转支承作为塔机回转机构的重要组成部分，不仅是功能部件，而且是结构连接的重要安全部件。回转支承作为上部结构和塔身的过渡配合，与整机的协调性是选型考虑的重要因素。回转支承不仅要考虑倾覆控制力矩，还要考虑对回转机构计算的影响，因其自身特点使起重机总设计者无法局部设计修改，只能通过选型校核控制。

样本对回转支承校核条件的规定不够全面，设计人员对回转支承的校核认识不足，对塔机的安全性是巨大的考验；对潜力发掘没有充分的设计依据，对回转支承的利用率也有待提高。随着塔机的精细化设计，塔机控制力矩应体现随幅度变化的细节，才能充分发挥功能模块的实际性能，这需要精确的计算方法和参数化的手段提高设计的安全性和效率。

1 回转支承选型样本的计算条件

回转支承承载能力曲线有两种类型。一类为静态承载曲线，表示回转支承保持静止状态时所能承受的最大载荷；另一类为回转支承螺栓极限负荷曲线，它是在螺栓夹持长度为螺栓公称直径的5倍，预紧力为螺栓屈服极限的70%时确定的。

主机厂可以根据产品样本所提供的信息，利用静承载能力曲线图，按回转支承的选型计算方法选择回转支承。回转支承选型计算时考虑静态安全系数fs,轴向载荷Fa，径向载荷Fr，倾覆力矩M。其中倾覆力矩M和轴向载荷Fa需要计算不同的组合工况。

以大型塔机选用三排滚柱式为例，静态参照载荷的计算方法为

塔机回转支承校核示例中只有两个工况，静载实验工况，动载工况。起重机代表工况有两处，远端吊载和近端吊载，校核应同时兼顾两点。

最大工作风压下的最大工作载荷为

式中 Mk——起重机空载自重力矩；

G0——起重机自重；

Qi——起重机起升载荷。

不计风力，考虑125%试验负荷的载荷

2 回转支承实际工况的当量载荷

静态额定值原则上必须考虑到存在的最大载荷，这个载荷必须包括附加载荷和试验载荷。起重机实际工况组合比回转支承选型示例考虑的因素多很多。以塔式起重机为例，计算组合[4]不仅包括有风工作，静载试验，还包括暴风组合，装拆组合，抗后倾覆组合工况等。

上述工作载荷未考虑偏摆的影响，对动臂塔机，履带起重机等设备，此载荷影响比风载还大，不可忽略。公式（2）应修正为

式中 Mp——起升载荷的偏摆力矩。

对普通塔机而言，虽然在整机设计时考虑了控制停机组合和抗后倾覆组合工况的危险性小于起升动载冲击的工作组合，但规范中对这些工作条件还是单独要求。通过大量的设计计算表明，抗后倾覆经常比满载工作更危险，对回转支承校核要单独校核。

最大工作风压下的停机组合为

突然卸载工况下的工作组合为

对俯仰式臂架起重机，暴风如果臂架不能采取有效避风措施，则校核回转支承时的组合为

式中 n——暴风风压与工作风压之比。

回转支承计算体系与起重机计算体系不统一，应建立必要的联系和判别条件加以控制。综合上述可能发生各种状态的当量载荷，选取最不利的工况组合，才能全面校核回转支承的安全性和利用率。

3 回转支承控制力矩

回转支承限制条件中的控制力矩与上部垂直载荷有直接关系，与幅度无直接关联。但臂架式起重机的起升性能是随幅度变化而变化的，上部载荷的大小随幅度也跟着变化，即控制力矩与幅度有间接关系。回转支承在不同的上部载荷下，力矩承载能力也在变化，成正比关系；但对塔机幅度变化却成反斜线关系，即幅度越大，当量载荷的中的垂直力越小，控制力矩越小。

对回转支承第一阶段由螺栓群计算控制，塔机校核通常也在这一线段范围内。这条折线可近似为一条一次方程，通过插值计算求参数，将此控制力矩作为一条额定起重量的曲线可解出一个函数。引入载荷组合系数k表达在不同组合工况，如满载工况，125%静载试验，以及抗后倾覆反弹的通用公式。

取自重为参数，起升固定载荷部分（含吊钩组，钢丝绳等）与相应幅度额定起重量之和与对应幅度的乘积为起重臂设计的控制力矩，引入通用载荷参数MQ表达不同组合中偏摆，工作风载力矩或暴风力矩的影响。该起重力矩可得出一个与幅度相关的曲线

联立公式（8）和（9）二方程，解得性能曲线的方程为

可得出受回转支承限制的起升控制力矩与幅度的关系表达式

其中公式（10）作为起升性能曲线校核的通用精确表达式使用，公式（11）即充分发挥回转支承性能时塔机倾覆控制力矩的通用精确表达式。

4 实 例

以某平头1280塔机为例，最大额定起重量64t，对应幅度20m，头部集中载荷6.3t，对回转支承工作风载力矩22.5tm，上部非载荷部分自重为196t,空载力矩762tm。

对上述六种工况进行分析，平头塔机偏摆和暴风在回转支承部位影响很小，计算时本塔机远端力矩也小于近端，未单独罗列。主要计算结果如表1所示。

表1 回转支承当量载荷计算表

工况1为工作载荷组合，工况2为125%静载试验载荷组合，工况3为突然卸载组合，工况4为空载组合。通过比较可以看出，空载组合不一定比工作组合当量载荷小；设计不周时，突然卸载也有可能比125%静载试验力矩大。对其他类型的起重机，更应该全面考虑。

对回转支承取等控制力矩，得出控制条件为

由此条件的起升曲线方程为

分析可得，静载试验工况为最危险的载荷组合。查回转支承性能曲线，插值公式（8）计算得

Mi=800+(196+1.25Qi)=996+1.25Qi

联立公式（10）解得回转支承控制的起升曲线方程为

二者比较如图1所示。

图1 不同控制条件下的起升特性曲线

下方曲线为等起重控制力矩确定的起升曲线，上方为回转支承控制的起升曲线。从曲线上比较分析，对回转支承的利用率还可以进一步提升，起升性能还有较大的提升空间。精确计算为起重机参数设计提供了可行方案，可充分发挥潜力，提升起重机性能。

5 结 论

1）回转支承作为系列化标准件，设计人员只能通过选型校核。倾覆控制力矩校核完成后，还应通过轴向力、径向力还有倾覆力矩校核回转控制力矩，要对回转机构的最大输入扭矩对啮合大齿轮的影响进行校核，全部通过之后完成选型。

2）为提升参数化设计效率，应将样本回转支承当量载荷性能转化为参数表达式，供起重机起重性能曲线设计使用，一般表达式可用线性代数式表达，精度不满足要求时可分段表达。

3）回转支承当量载荷校核条件很多，除样本示例计算满载工作和125%实验工况外，对空载、暴风、突然卸载以及起重机可能发生的特殊工况也应校核，尽量避免后倾力矩大于前倾力矩的情况，避免未校核工况大于校核工况状态的发生。

4）起升特性曲线由起重机所有部件校核的最苛刻条件决定，在提升时应考虑回转支承的控制条件。回转支承限制的起升特性曲线提升空间可以借鉴本文提供的计算方法精确校核。通过回转支承性能精确表达式的计算，对回转支承的安全余量有了更明确的结论，对起重机的精细化和参数化设计提供了理论依据。 O

[1] 曲振波．关于塔机平衡重与起升特性确定方法的研究[J]．建设机械技术与管理，1999，(5)：21-22.

[2] 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.

[3] 张志文．《起重机设计手册》（第一版）[M].北京：中国铁道出版社，2001：138-141.

[4] GB/T 3811-2008，起重机设计规范 [S].