狭小空间内大型构件多点起吊机构分析

钱彬彬， 王云智

（沈阳新松机器人自动化股份有限公司， 辽宁 沈阳 110000）

0 引言

随着国家现代化轨道建设的战略实施， 越来越多的苛刻工况下，大型构件支撑承重结构被使用，如构件要下探到地下洞库安装。 由于装备制造行业不断向着大型化发展，现场的安装调试需要配备形式各样大型起重设备。随着基建的市场份额越来越大， 许多重型机器生产厂家希望拥有自己的重型起重组装设备，完成现场的安装、调试，并要求起重机安全、稳定、可靠，运行平稳。准确，便于拆装、运输，并可随机反复使用。

本文基于某实际工程大型构件吊装就位需求， 提出的技术痛点。解决狭小垂直运输井道，完成大型型重载构件安装就位，整个过程不能与井壁碰撞，同时要满足浇筑构件质心偏差大，仍能平稳起吊要求[1]。 提出多吊点完成细长比大的直立构件吊装需求。

1 吊点方案布置

吊装通道井壁内部空间尺寸、大型构件参数见图1，吊点布置范围， 在下图等腰梯形内部， 任意位置布置大型构件，构件总高7.6m，质量70t。 吊机起升工作级别为M5，收高度要求，吊机系统总高度：≤3m（吊机系统顶部至吊点处最小距离）；吊机系统自身总重：≤20t；吊机系统有效行程：20m；负载垂直吊装速度：10～20mm/s，具有速度调节功能；空载垂直吊装速度：≤50mm/s；垂直吊装定位精度：±10mm。

图1 吊机系统工作空间

根据上述吊点布置范围尺寸要求， 结合吊钩外形尺寸，初步设计三个吊点位于三角形ABC 顶点[2]。 在现有技术水平下，将吊钩尽可能选择体积小，强度高， 摆动幅度小，进行方案布置，而后再进行校核；若不满足再重新调整布局，再二次校核，直至布局合理，校核满足。

2 吊机载荷理论分析

2.1 各吊点受力计算

结合图1 布局尺寸， 对大型直立构件吊装进行受力分析，三吊点及大型直立构件理论质心位置x1、x2 如图1矩形框内所示。 已知吊机参数见表1，ABC 三点实施拉力分别定义为Fa，Fb，Fc，构件最大重量70t。

表1 吊机参数表

起吊大型直立构件时[3]，根据力和力矩平衡得到如下：

综合上表求得， 起吊构件1 时，A 吊点受力最大，为39.1t。起吊构件2 时，B、C 吊点受力最大，为27.9t，吊机各点布置图见图2。

图2 吊机布局图

2.2 质心范围理论规划

吊装要求两类构件质心允许在长1452mm，宽400mm 的矩形框范围任意偏差，吊机系统均能平稳完成吊装，兼容范围见图1 内虚线矩形框。

分析ABC 三点实时拉力及质心坐标[4]，根据力和力矩平衡得到如下公式：

根据实际情况得：

2.3 吊机驱动计算

已知吊机垂直升降行程L，提升速度V，设计卷扬滚筒直径D，在筒绳圈n，钢丝绳线径d。

滚筒直径：D=L/1000/（n×π）+2×d/2

钢丝绳中径：Dj=D+2×d/2=D+d

额定速度：Ve=n电/2×π×Dj×10-3/i总≥V

额定扭矩：Te=Gg×Dj×10-3/2其中：G—单吊机额定起重载荷。

按电机样本选取电机1PH8135F 系列， 带高速制动及伺服编码器。

对该系列电机转动惯量匹配进行复核，查阅设计规范[9]机构起动时间和加速时间的计算，机构起动时间tq（s）。

其中PQ—额定起升载荷（N）；D—按最外层钢丝绳中心计算的卷筒卷绕直径（m）；g—重力加带速度（m/s2）；a—钢丝绳滑轮组的倍率；i—由电机轴到卷筒轴的总传动比；μ—起升物品时起升机构传动装置和滑轮组的总效率；Mdq—电动机平均起动转矩。

Mdq=λASMN

其中λAS—电动机平均起动转矩倍率；MN—电动机额定起动转矩（Nm）。

经过计算，采用此型号扭矩的伺服电机，启动时间最快可达到t=0.053s 小于使用于规范中提到的做精密安装用起重机启动时间要求（1～3s），满足设计。

3 结果分析

3.1 构件质心兼容求解

结合上节分析，对多种构件进行70t 起吊，方案布局中A 吊点受力最大为39.1t。 基于此，计划将通过线性规划理论[5]，在满足70t 负载起吊，同时质心在矩形框区域内任意变动， 将各点的卷扬额定负载控制在合理的安全系数下进行计算，防止冗余设计。

同时，考虑三点起吊各点负载F，防止出现任意两点ΔF 差值过大[6]，出现构件提升过程中倾斜。 分别将单个吊点受力按3t～40t、3t～50t、3t～60t 设计， 结合同类项目经验可知，ΔF≤37t、47t、57t 得出允许安全吊装条件下[7]，构件质心范围，见图3～图5 所示。

图3 允许构件质心偏差范围（3t≤Fx≤40t）

图4 允许构件质心偏差范围（3t≤Fx≤50t）

图5 允许构件质心偏差范围（3t≤Fx≤60t）

上图线框1 为吊机系统吊装允许质心偏差范围，线框2 为客户指标要求的区域范围。 当线框1 全包含线框2[8]，则代表满足客户工艺要求。

可知，图3 线框1 与线框2 相交，不满足设计指标要求；图4 线框1 包含线框2，满足设计指标要求；图5 线框1 包含线框2，亦满足设计指标要求；

3.2 多点起吊机构方案设计

综合上述分析，按照构件的重心范围：在长1452mm，宽400mm 的长方形范围内部见图1。起重量70t，经计算，构件重心偏移到距离井壁左边1682mm，偏离梯形中心线上或下200mm 时，产生的拉力最大为431KN。

根据GB/T3811-2008《起重机设计规范》[9]，机构工作级别M5， 增大系数1.16。 吊机单吊点的最大起重量：499.96kN≈500kN，取整后，按照50t 为最大起重量。

则单吊机额定载荷G 为50t 以上， 按设计布局布置三点的吊机，可满足两类质心构件平稳起吊，亦兼容浇筑构件质心偏差。 避免选择单吊机额定载荷60t，防止出现设计冗余。

设计一套满足两类构件（下文简称构件1、构件2）在通道井壁中起吊，同时兼容一定范围内浇筑质心偏差的构件吊装平衡作业方案，见图6。

图6 三吊机方案布置图

（1） 将吊机理论布置点设置在底1580mm、 高2950mm等腰三角形节点上， 可满足狭小空间，垂直井壁内构件起吊。

（2）各卷扬额定载荷设置为50t， 满足客户需求在长1452mm、 宽400mm 矩 形 框内，构件质心任意偏差，且满足70t 负载起吊。

（3） 三吊机初始位置建立基准， 采用编码器建立反馈，完成超差调整，保持提升平稳。

4 结束语

本文设计一套基于空间受限 （如构件要下探到地下洞库安装）工况的三吊机同步平衡起吊结构，满足多种大型直立构件，其浇筑成型后质心大范围偏差，仍能平稳起吊要求。 解决狭小垂直通道内，重载构件下放安装，及维修起吊问题。 最后通过理论计算，将机构设计和选型，做到经济实用、安全可靠，为同类多点起重吊机布置方案设计，提供理论依据。