动臂塔式起重机臂架防倾翻装置设计计算

才 冰，贺 全，史 勇

（抚顺永茂建筑机械有限公司，辽宁 抚顺 113126)

动臂式塔式起重机是通过臂架的俯仰动作来实现变幅作业的。变幅系统是由动滑轮组、变幅拉绳系统组成。防倾翻装置的设计是动臂式塔机设计的重要部分（如图1所示），设计的合理与否直接关系着塔机的安全性能，所以必须对防倾翻进行合理设计，提高整机的稳定性，保证动臂塔机的安全使用。

图1 动臂塔机臂架防倾翻装置

1 防倾翻装置的种类

1.1 刚性撑杆式防后倾装置

刚性撑杆防倾翻装置是在臂架与塔头前撑杆之间设置的一个强度足够的刚性撑杆，在臂架达到一定角度时，以机械限位的形式限制臂架后倾，是最直接有效的防倾翻方式。但当塔头、防倾杆和臂架三者顶在一起时，会使臂架产生冲击和震荡，防后倾作用效果不佳。

1.2 弹簧式防后倾装置

目前，弹簧式撑杆分为前置撑杆（图2）和后置撑杆（图3），动臂式塔机大部分采用的是弹簧式后置撑杆防倾翻装置，布置在塔头和臂架之间，臂架上弦或下弦设计接触点，当臂架达到最大仰角时，防倾翻撑杆与臂架接触，弹簧受压后吸收臂架的动能，并且还要释放出来，这样起到缓冲的作用，延长臂架稳定周期。前置防倾杆与弹簧缓冲器的四连杆机构牵变幅架下弦。其优点是防后倾与塔头撑杆无关，且与臂架始终不分离，Potain的MR150，国内则有FL25/30、STL203等均采用过。

图2 弹簧式前置撑杆示意图

图3 弹簧式后置撑杆示意图

1.3 液压缓冲式防后倾装置

液压缓冲式防后倾装置，是靠液压腔内的活塞运动实现缓冲作用，通过回路中阻尼孔控制，吸收臂架的动能。此种形式可以很好地解决锈蚀卡滞润滑问题，而且与机械弹簧相比，还具有良好的吸收冲击的缓冲作用，消除碰撞后的结构振动。缺点是成本较高。

2 防倾翻装置作用

动臂塔机配置防倾翻装置有2个主要作用：其一是臂架在小幅度（79°～85°）工作时，由于臂架和吊钩前倾力矩已经很小，此时臂架的变幅拉绳系统又会给臂架一个后倾的力矩，防倾翻装置则会给臂架一个向前的力，保证臂架小幅度时顺利向前下放，并保持变幅处于一定的张紧状态；其二是最小工作幅度限位及缓冲作用。凡是用钢丝绳变幅的动臂塔机都加装了臂架防倾翻装置。

3 防后倾装置的设计计算

防倾翻装置的设计计算包括静态、动态、弹簧的选择，防后倾撑杆和弹簧套筒的受压稳定性。除此以外，还应验算防倾翻装置对塔头、臂架的作用。本文主要介绍防倾翻装置的动态计算。

3.1 防倾翻装置动态计算

计算工况：臂架受到前吹风，吊重突然卸载脱落，此状态臂架仰角一般大于60°，因为此时前吹风较大，臂架重心与臂根铰点距离rc.cosα很小，如图4所示，虚线为后倾位置。

图中G——臂架重力；

FH——重物脱落时臂架受到的后倾冲击力；

FG——臂架质量受FH产生的加速度形成的向上作用力；

FA——防后倾装置对臂架的冲击反力，其中包括前吹风作用；

Fw——臂架受到的风力；

hw——Fw至O点的垂直距离；

图4 防倾翻装置计算简图

hA——防倾翻装置至O点距离；

hc——受FH作用后的重心升高距离；

rc——臂架重心至O点直线距离；

α——臂架冲击前的仰角；

α′——臂架冲击后的仰角。

动力系数φ3按式(1）计算，计算得φ3=-1.0

式中φ3——突然卸载动力系数；

ΔmH——在空中突然卸除的部分起升载荷质量，kg；

mH——起升载荷质量，kg；

β3——系数，对电磁盘或类似的快速卸载装置，β3=1.0。

突然卸载部分起升载荷FH按式(2)计算

与防倾翻装置碰撞前速度v按式(3)计算

动能T按式(4）计算

式中，由图4可得hc=rc(sinα′-sinα)

碰撞后的位能U按式(5)计算

式中dH——臂架受冲击作用时的变形；

dc——臂架受静载荷G时的变形。

因为T=U，且弹性参数恒等

解此方程，可得

设冲击载荷动载荷系数kH=1+

可得臂架质量受FH产生的加速度形成的向上作用力计算公式如(7)所示

防倾翻装置及风力对臂架的冲击作用力

3.2 弹簧的选择

初选弹簧可按公式(9)计算

式中d——弹簧钢丝直径；

n——弹簧有效圈数；

D——弹簧中径；

f——弹簧压缩量；

G——剪切弹性模数；

弹簧允许的最大载荷

式中K——曲度系数；

ts——许用剪切应力。

按静载荷选取时，FA≤0.8Fs；

按动载荷选取时，FA＜Fs。

弹簧工作行程如图5所示。

图5 弹簧行程

Fj——工作极限载荷；

Fn——最大工作载荷；

F1——最小工作载荷；

fj——工作极限载荷位移；

fn——最大工作载荷位移；

f1——最小工作载荷位移。

压并长度Hb=(n+1)d

f1即为满足弹簧在接近最大仰角前时（例如α=80°）应开始预压，与防倾翻装置顶端接触。应注意，在达到最小极限位置α=αmax时，弹簧不能达到压并位置Hb，以保持适当的缓冲吸振作用，即留有Δf段的位移。

3.3 塔头前撑杆

校核前撑杆的强度，应以4.3计算的FA和轴向压力联合作用的压弯状态计算。关于是否设斜撑杆的问题，则应考虑回转平台的空间大小，对布置起升、变幅机构及电控系统的影响。国外多不设斜撑杆，而加大前撑杆抗弯截面。例如H型钢、矩形管，这种做法值得推广。另外，采用这种做法后，两撑杆之间也可不设腹杆，便于起升钢丝绳由起升卷筒直接穿过进入臂架鹅头或吊钩导向滑轮。

4 结语

防倾翻装置是动臂塔机不可缺少的重要组成部分。过去国外塔机厂家采取了许多方案来探索取消防倾翻装置，例如：一种方案是采用液压油缸变幅，早在20世纪70年代Liebherr HB系列就如此，但因不能采用可伸缩变截面箱形结构臂架，而桁架又不适合这种支承方式，在20世纪80年代被淘汰。2019年bauma慕尼黑展会上出现过一台用油缸变幅的小型动臂塔机（图6），但未成为主流产品；另外一种不用防倾翻装置的动臂塔机（图7），臂架俯仰是通过连杆与配重的移动相连，当达到最小幅度时因配重移动受阻而防止了臂架后倾。但这种型式因为构造复杂、连杆移动易出现卡滞。综上所述，防倾翻装置是动臂塔机不可或缺的重要部件，设计时应考虑周全，避免出现因设计不合理的事故，因此，必须安全可靠的进行防倾翻装置的设计。

图6 液压变幅式动臂塔机

图7 移动式配重动臂塔机