范開英，沈蘭華，史海紅

（山東豐匯設(shè)備技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

塔機(jī)回轉(zhuǎn)力矩在設(shè)計(jì)中的控制比較

范開英，沈蘭華，史海紅

（山東豐匯設(shè)備技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

通過(guò)對(duì)塔機(jī)回轉(zhuǎn)力矩組成的分析，對(duì)比在結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮的不同因素，考慮電機(jī)在起制動(dòng)時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的沖擊影響，運(yùn)用電氣調(diào)節(jié)等措施，提出了一些控制方法，減少塔機(jī)的回轉(zhuǎn)力矩峰值，提高塔機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

塔式起重機(jī)；回轉(zhuǎn)力矩；制動(dòng)時(shí)間

在塔機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，回轉(zhuǎn)力矩的大小與整機(jī)性能和環(huán)境有關(guān)。塔機(jī)性能中起升載荷、回轉(zhuǎn)速度等參數(shù)是預(yù)先設(shè)定的；環(huán)境因素的取值如風(fēng)速，偏擺，效率等是由國(guó)家規(guī)范統(tǒng)一確定的?；剞D(zhuǎn)力矩對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電機(jī)選取和塔機(jī)附著都有很大影響。

塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)中對(duì)塔機(jī)回轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算在結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)中有著不同的規(guī)定。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，塔機(jī)回轉(zhuǎn)力矩由風(fēng)阻力矩，慣性阻力矩，偏擺力矩組成[1]。在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，塔機(jī)回轉(zhuǎn)力矩由摩擦阻力矩，慣性阻力矩，坡道阻力矩和風(fēng)阻力矩組成[2]。在相同的組成部分中，對(duì)風(fēng)阻力矩和慣性阻力矩也有不同的計(jì)算參數(shù)選擇。二者計(jì)算出來(lái)的結(jié)果沒(méi)有必然的大小之分，但設(shè)計(jì)時(shí)可以通過(guò)一些控制方法減少塔機(jī)的回轉(zhuǎn)力矩峰值，從而降低塔機(jī)起制動(dòng)時(shí)的沖擊載荷，降低對(duì)基礎(chǔ)和附著建筑物的要求，提高塔機(jī)的適用性和安全性。

1 回轉(zhuǎn)力矩的結(jié)構(gòu)算法

回轉(zhuǎn)風(fēng)載荷主要由起重臂，平衡臂，機(jī)構(gòu)等各段風(fēng)載荷組成，風(fēng)載荷按PWII校核。計(jì)算各段風(fēng)載荷，然后求和。在回轉(zhuǎn)中心兩側(cè)的起重臂和平衡臂風(fēng)載荷方向相同，力矩方向相反。計(jì)算時(shí)考慮風(fēng)力系數(shù)，擋風(fēng)折減系數(shù)的影響。

起重機(jī)回轉(zhuǎn)起（制）動(dòng)的水平慣性力，按其各部件質(zhì)量與該質(zhì)心的加速度乘積的φ5倍計(jì)算。其中可調(diào)的參數(shù)為加速度，當(dāng)回轉(zhuǎn)速度確定時(shí)，可調(diào)節(jié)參數(shù)轉(zhuǎn)化為起（制）動(dòng)時(shí)間。

臂架起重機(jī)回轉(zhuǎn)和變幅機(jī)構(gòu)起（制）動(dòng)時(shí)的總起升質(zhì)量產(chǎn)生的綜合水平力（包括風(fēng)力和回轉(zhuǎn)起制動(dòng)產(chǎn)生的慣性力），也可以用起升鋼絲繩相對(duì)于鉛垂線的偏擺角引起的水平分力來(lái)計(jì)算。對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算選用最大偏擺角計(jì)算，通常此值比由風(fēng)載和水平慣性力計(jì)算結(jié)果略大。但由于其隨起升載荷的關(guān)系簡(jiǎn)單明確，更容易實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)，所以一般用偏擺載荷計(jì)算

起重機(jī)結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)塔機(jī)承受的回轉(zhuǎn)力矩M為

2 回轉(zhuǎn)力矩的機(jī)構(gòu)算法

塔機(jī)一般選擇滾動(dòng)軸承式回轉(zhuǎn)支承裝置，摩擦阻力矩按下式計(jì)算

起重機(jī)回轉(zhuǎn)平面與水平面成θ角，在回轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生坡道阻力矩，按下式計(jì)算

起重機(jī)機(jī)構(gòu)計(jì)算回轉(zhuǎn)時(shí)需要克服的回轉(zhuǎn)阻力矩T為

3 結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)算法比較

對(duì)風(fēng)阻力矩，作用在起重機(jī)上的工作狀態(tài)正常風(fēng)載荷按PwI設(shè)計(jì)計(jì)算，且PwI=0.6PwII。機(jī)構(gòu)計(jì)算風(fēng)阻力矩中不考慮起升質(zhì)量時(shí)，公式(8)簡(jiǎn)化為

對(duì)起重機(jī)回轉(zhuǎn)起（制）動(dòng)時(shí)的總起升質(zhì)量產(chǎn)生的綜合水平力計(jì)算電動(dòng)機(jī)功率時(shí)用起重機(jī)正常偏擺角計(jì)算，此時(shí)風(fēng)阻力矩和慣性阻力矩中即可不考慮起升質(zhì)量的影響。對(duì)起升質(zhì)量部分，回轉(zhuǎn)阻力矩修改為

實(shí)際上，起升重物回轉(zhuǎn)慣性力部分為0.25～0.3倍，工作狀態(tài)正常風(fēng)載荷為最大風(fēng)載荷的0.6倍，兩者相加后系數(shù)應(yīng)該大于0.25～0.3。但電機(jī)作為動(dòng)力元件，規(guī)范上推薦其選取力矩小于結(jié)構(gòu)可以承受的載荷是偏安全的。

起重機(jī)回轉(zhuǎn)綜合水平力計(jì)算時(shí)取φ5=1。同理，機(jī)構(gòu)計(jì)算對(duì)慣性阻力矩單獨(dú)考慮起升質(zhì)量后，公式（8）簡(jiǎn)化為

此時(shí)起重機(jī)機(jī)構(gòu)計(jì)算回轉(zhuǎn)時(shí)需要克服的回轉(zhuǎn)阻力矩T′為

由公式(13)可知，結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)所計(jì)算包含項(xiàng)目不同，對(duì)應(yīng)相同項(xiàng)目的取值也不同，但結(jié)構(gòu)分項(xiàng)計(jì)算后的數(shù)據(jù)可直接提供給機(jī)構(gòu)借鑒參考。結(jié)構(gòu)計(jì)算中不含摩擦阻力矩和坡道阻力矩，在機(jī)構(gòu)計(jì)算中這兩項(xiàng)約占8%～10%[3]，在機(jī)構(gòu)計(jì)算時(shí)可預(yù)修正一個(gè)系數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4 電機(jī)選型對(duì)結(jié)構(gòu)的影響

通常情況下，起重機(jī)起制動(dòng)時(shí)力矩峰值較大，此峰值與電機(jī)功率成正比，也是結(jié)構(gòu)校核的主要依據(jù)，是塔機(jī)設(shè)計(jì)的計(jì)算控制項(xiàng)。

電機(jī)功率選擇要考慮兩種條件。一種根據(jù)機(jī)構(gòu)穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的等效靜阻力矩、回轉(zhuǎn)速度和機(jī)構(gòu)效率計(jì)算機(jī)構(gòu)的等效功率。

則電機(jī)提供給結(jié)構(gòu)的最大等效回轉(zhuǎn)阻力矩為

另一種當(dāng)機(jī)構(gòu)的靜阻力矩較小，將考慮電機(jī)平均起升轉(zhuǎn)矩倍數(shù)計(jì)算。

則電機(jī)提供給結(jié)構(gòu)的最大等效回轉(zhuǎn)阻力矩為

由此公式對(duì)比可以看出，雖然電機(jī)選取時(shí)風(fēng)阻力矩減小，但慣性力矩和起升偏擺力矩增加了，且包含了摩擦阻力矩項(xiàng)，增加了幾種不同方法計(jì)算結(jié)果的不確定性。如不注意控制，則電機(jī)輸出的扭矩傳到結(jié)構(gòu)后將超出結(jié)構(gòu)的承載能力?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)選力矩電機(jī)，這樣能有效地控制電機(jī)輸出扭矩滿足設(shè)計(jì)要求。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)如果不能控制起制動(dòng)力矩，控制摩擦阻力矩和坡道阻力矩效果不明顯，就應(yīng)控制起制動(dòng)時(shí)間和制動(dòng)器的延時(shí)時(shí)間，以便結(jié)構(gòu)在摩擦和風(fēng)阻的共同作用下，逐步降低回轉(zhuǎn)速度，從而降低回轉(zhuǎn)加速度，減少對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

5 實(shí) 例

某塔機(jī)最大額定起重量50t，對(duì)應(yīng)幅度22m，回轉(zhuǎn)速度0.3r/min。查表的偏擺角度為αII=2°，起制動(dòng)時(shí)間取5s，分別計(jì)算吊載時(shí)的結(jié)構(gòu)，機(jī)構(gòu)，穩(wěn)定運(yùn)行和電機(jī)起制動(dòng)時(shí)的阻力矩，結(jié)果如表1所示。

表1 塔機(jī)5s制動(dòng)回轉(zhuǎn)力矩對(duì)比表

通過(guò)表1分析，對(duì)起升偏擺力矩，機(jī)構(gòu)按風(fēng)載荷和回轉(zhuǎn)慣性力校核出來(lái)的力矩約為結(jié)構(gòu)校核數(shù)據(jù)的0.6倍，因此機(jī)構(gòu)選擇電機(jī)時(shí)按0.3倍選取時(shí)會(huì)降低對(duì)結(jié)構(gòu)的沖擊，對(duì)結(jié)構(gòu)有利；當(dāng)制動(dòng)時(shí)間較短時(shí)，電機(jī)起制動(dòng)產(chǎn)生的力矩比結(jié)構(gòu)校核的力矩大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)校核不安全，對(duì)塔機(jī)來(lái)講是嚴(yán)重的隱患；電機(jī)起制動(dòng)時(shí)的力矩遠(yuǎn)大于穩(wěn)定運(yùn)行的力矩，這對(duì)塔機(jī)設(shè)計(jì)是不合理的。

表2 塔機(jī)10s制動(dòng)回轉(zhuǎn)力矩對(duì)比表

通過(guò)表2和表1對(duì)比分析，適當(dāng)延長(zhǎng)制動(dòng)時(shí)間，電機(jī)需要的扭矩可以大幅減小，卻不會(huì)影響塔機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行速度。而且機(jī)構(gòu)，電機(jī)引起的起制動(dòng)力矩都比結(jié)構(gòu)校核的小，塔機(jī)比較安全。

當(dāng)進(jìn)一步延長(zhǎng)制動(dòng)時(shí)間到20s，此時(shí)電機(jī)穩(wěn)定等效力矩為62.41tm，電機(jī)起制動(dòng)回轉(zhuǎn)力矩為68tm，二者效果基本相同。塔機(jī)電機(jī)按此數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)比較經(jīng)濟(jì)，結(jié)構(gòu)校核也可以選取二者中較大項(xiàng)進(jìn)行校核。此時(shí)起制動(dòng)偏擺角將會(huì)遠(yuǎn)小于2°，非常安全。

6 結(jié) 論

本文總結(jié)了塔機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和控制思路，提出了電機(jī)功率選取時(shí)最經(jīng)濟(jì)安全的方法，降低了回轉(zhuǎn)的力矩峰值，對(duì)降低塔機(jī)成本，提高結(jié)構(gòu)安全性有很大意義。

1) 塔機(jī)選型時(shí)應(yīng)注意控制起制動(dòng)力矩，電機(jī)及機(jī)構(gòu)制動(dòng)器的力矩峰值應(yīng)小于結(jié)構(gòu)校核的力矩最大值，這樣才能保證塔機(jī)的安全性。力矩控制的方法有延長(zhǎng)制動(dòng)時(shí)間，力矩電機(jī)限峰值，調(diào)整制動(dòng)盤摩擦片的間隙等。

2) 回轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇影響的是起制動(dòng)時(shí)間，而不是回轉(zhuǎn)速度?；剞D(zhuǎn)速度與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的減速比和回轉(zhuǎn)支承與小齒輪的傳動(dòng)比有關(guān)，與電機(jī)扭矩關(guān)系很小。

3) 回轉(zhuǎn)電機(jī)選型設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)兼顧電機(jī)穩(wěn)定等效力矩和電機(jī)起制動(dòng)回轉(zhuǎn)力矩的平衡性，一般選型時(shí)起制動(dòng)力矩略大于穩(wěn)定等效力矩，塔機(jī)校核時(shí)可選起制動(dòng)力矩進(jìn)行校核。

4) 對(duì)大型塔機(jī)起制動(dòng)時(shí)間取10～20s比較合適。如制動(dòng)時(shí)間不能滿足，應(yīng)提前降速，然后制動(dòng)，達(dá)到控制制動(dòng)力矩的效果。

[1]GB/T 3811-2008，起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]張志文.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)（第一版）[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2001.

[3]李鵬舉，韋 清，范開英.大型平頭塔機(jī)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)功率的確定[J].建筑機(jī)械化，2015,（5）：25-27.

(編輯 賈澤輝）

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