李 斌，楊 浩

（沈陽建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168）

大型平臂塔式起重機(jī)緊繩裝置的研究

李 斌，楊 浩

（沈陽建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168）

大型平臂塔式起重機(jī)變幅鋼絲繩直徑及單位長度自重較大，通過人力緊繩非常困難，且緊繩效果不理想。研究用力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)的新型緊繩裝置，建立了電機(jī)力矩與變幅鋼絲繩懸垂度之間的關(guān)系，提出了緊繩裝置各主要組成部分選取的基本原則并給出了相應(yīng)的計(jì)算公式。

平臂塔式起重機(jī)；變幅鋼絲繩；緊繩裝置；懸垂度；力矩電機(jī)

水平臂小車變幅塔式起重機(jī)的變幅牽引鋼絲繩的下垂撓度過大時(shí)，將導(dǎo)致變幅小車啟制動(dòng)與變幅機(jī)構(gòu)不同步，引起變幅小車運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)甚至吊重?cái)[動(dòng)［1-2］，影響塔機(jī)的正常作業(yè)，另外也可能在回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)與腳手架產(chǎn)生刮碰，影響塔機(jī)的有效作業(yè)高度，需要對變幅鋼絲繩進(jìn)行張緊。

變幅鋼絲繩產(chǎn)生下垂有兩個(gè)原因，一是安裝過程中由于張力較大難于張緊，二是在使用一段時(shí)間后變幅鋼絲繩自身被拉長。一般中小型塔式起重機(jī)幅度不太大，且變幅鋼絲繩直徑也較小，可以采用如圖1所示棘輪帶動(dòng)張緊卷筒的方式，由人力進(jìn)行張緊。但是對于大型甚至超大型塔機(jī)來說，由于工作幅度較大，變幅鋼絲繩直徑及單位長度自重較大，在懸垂?fàn)顟B(tài)下產(chǎn)生的水平力也較大，使用圖1所示張緊裝置進(jìn)行人工張緊難度較大，也不容易達(dá)到理想效果。為解決此問題，本文研究了適合大型及特大型塔式起重機(jī)變幅鋼絲繩緊繩裝置，這種張緊裝置由力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置帶動(dòng)張緊卷筒達(dá)到張緊變幅鋼絲繩的目的，利用力矩電機(jī)的特性能夠使變幅繩的張緊力在合適的范圍內(nèi)，從而保證了變幅鋼絲繩的懸垂度在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。

圖1 棘輪緊繩裝置

1 變幅繩張力與懸垂度的關(guān)系

本文提及的張緊裝置與運(yùn)行小車牽引系統(tǒng)的關(guān)系如圖2所示，它主要由導(dǎo)向滑輪、起重小車、變幅機(jī)構(gòu)、緊繩裝置及變幅鋼絲繩等5個(gè)部分組成，緊繩裝置收緊牽引繩使變幅鋼絲繩張緊。

圖2 變幅鋼絲繩纏繞示意圖

長度較大的鋼絲繩形成的懸垂曲線可以用懸鏈線理論進(jìn)行描述，對于塔式起重機(jī)下垂部分的變幅鋼絲繩都可以視為懸垂線，則圖2中變幅鋼絲繩5的形狀可用懸鏈線加以描述，以其最低點(diǎn)為原點(diǎn)建立平面直角坐標(biāo)系，如圖3所示，變幅繩可由圖3中曲線AOB表示，其曲線方程為

圖3 變幅鋼絲繩數(shù)學(xué)模型

式中 ρ——變幅鋼絲繩線密度；

F0——變幅鋼絲繩水平拉力。

變幅繩無外界載荷作用，僅承受自重時(shí)，其水平拉力可由拋物線撓度理論近似給出［3］

式中 f——變幅鋼絲繩懸垂度；

L——變幅鋼絲繩兩支撐點(diǎn)間的跨度。

一般情況下變幅鋼絲繩的懸垂度為其跨距的1/30～1/50［4］，過小的懸垂度可能造成變幅鋼絲繩張緊力太大而對臂架產(chǎn)生不利影響。如工作幅度80m，變幅鋼絲繩的線質(zhì)量為1kg/m，在懸垂度為L/50時(shí)鋼絲繩的水平張力將達(dá)到5 000N，這類水平力將轉(zhuǎn)化為起重臂的臂端載荷。

2 緊繩裝置的基本組成

緊繩裝置基本組成如圖4所示，其工作原理為：在變幅機(jī)構(gòu)不工作狀態(tài)下，開啟力矩電機(jī)，驅(qū)動(dòng)減速器帶動(dòng)牽引卷筒，收緊牽引鋼絲繩，通過滑輪組驅(qū)動(dòng)變幅鋼絲繩張緊滑輪拉緊變幅鋼絲繩，當(dāng)變幅鋼絲繩懸垂度滿足要求時(shí)，完成緊繩作業(yè)，并使棘爪鎖定棘輪防止鋼絲繩回拉。

圖4 緊繩裝置組成示意圖

3 力矩電機(jī)的選取原則

為了保證張緊裝置在變幅鋼絲繩上產(chǎn)生合適的張緊力，并且不會(huì)出現(xiàn)過度張緊現(xiàn)象，選取力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)張緊裝置，并使力矩電機(jī)的堵轉(zhuǎn)力矩值與變幅鋼絲繩的最大張緊力相對應(yīng)，即當(dāng)電機(jī)達(dá)到堵轉(zhuǎn)力矩時(shí)，鋼絲繩也正好達(dá)到所需的最大張緊力。這樣可以保證在施工現(xiàn)場進(jìn)行張緊時(shí)不會(huì)出現(xiàn)操作上的失誤造成過度張緊現(xiàn)象。因此，需要確定電動(dòng)機(jī)輸出力矩與變幅鋼絲繩張緊力之間的關(guān)系，從而可得出變幅鋼絲繩達(dá)到合適下?lián)隙葧r(shí)所需的電機(jī)力矩，為力矩電機(jī)的選取提供理論依據(jù)。

3.1 電機(jī)力矩與變幅鋼絲繩懸垂度的關(guān)系表達(dá)式

由于電動(dòng)機(jī)輸出力矩最終與負(fù)載保持平衡，設(shè)變幅鋼絲繩的最大張力為F，忽略張緊系統(tǒng)滑輪裝置的重量。由圖2可知，緊繩裝置中牽引鋼絲繩的拉力F1為

式中 a——滑輪組倍率；

η1——滑輪組效率；

η2——導(dǎo)向滑輪效率。

設(shè)緊繩裝置中卷筒的計(jì)算直徑為D，則牽引鋼絲繩的拉力在緊繩卷筒上產(chǎn)生的力矩為

驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要輸出力矩為

式中 i——減速器的傳動(dòng)比；

η—— 系統(tǒng)的總效率，η=η1η2η3，其中η3為機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率。

由式（1）～（3）可得電機(jī)力矩的數(shù)學(xué)模型

公式（6）表明，電機(jī)力矩與卷筒的計(jì)算直徑D成正比，與滑輪組的倍率a、減速機(jī)傳動(dòng)比i和系統(tǒng)的總效率η成反比。

由于懸鏈線上任一點(diǎn)水平方向的拉力大小不變［5］，由圖3可知，B點(diǎn)處變幅繩的拉力大小為

對式（1）求導(dǎo)可得曲線上任意一點(diǎn)處斜率為

式中 η——曲線任一點(diǎn)處切線與x軸夾角。

則圖3中B點(diǎn)處的θ值為

由式（2）、（7）、（8）可得

聯(lián)立式（6）和（10）可得到電機(jī)力矩與變幅鋼絲繩懸垂度之間的關(guān)系表達(dá)式

3.2 應(yīng)用MATLAB描述相關(guān)變量之間的關(guān)系［6］

通常力矩電機(jī)的堵轉(zhuǎn)力矩都是常數(shù)，公式（11）求得的電機(jī)力矩值應(yīng)該是電機(jī)的堵轉(zhuǎn)力矩值，在系統(tǒng)的跨度L、最小懸垂度f確定之后通過調(diào)整式（11）中的傳動(dòng)比i、滑輪組倍率a和緊繩卷筒的計(jì)算直徑D來使得式（11）兩邊平衡。借助MATLAB軟件繪制出了T2為定值的情況下，傳動(dòng)比i、滑輪組倍率a和緊繩卷筒的計(jì)算直徑D之間的變化關(guān)系，如圖5所示。圖5中給出了兩種T2值，即T2a=14kNm和T2b=20kNm兩組參數(shù)化曲面，圖中可以看出隨著T2值的升高，張緊裝置中的倍率a、傳動(dòng)比i和緊繩轉(zhuǎn)筒計(jì)算直徑D所形成的等值參數(shù)化曲面的量值都在提高。

對于特定的T2值，不同滑輪組倍率a的情況下，傳動(dòng)比i、緊繩卷筒的計(jì)算直徑D之間的變化如圖6所示。

圖5 兩種T2為定值下a，i和D的關(guān)系圖

圖6 T2為定值，不同a時(shí)，i和D的關(guān)系圖

圖5給出了電機(jī)力矩T2與滑輪組倍率a，減速機(jī)傳動(dòng)比i以及卷筒計(jì)算直徑D之間的關(guān)系，說明了電機(jī)力矩與卷筒計(jì)算直徑成正比，與滑輪組倍率a及減速機(jī)傳動(dòng)比i成反比。由圖6可知，當(dāng)電機(jī)力矩T為定值時(shí)，對于不同張緊滑輪組倍率a，卷筒的計(jì)算直徑D隨著傳動(dòng)比i的增加而增加，在設(shè)計(jì)上可以運(yùn)用這一方法確定張緊機(jī)構(gòu)緊繩卷筒的計(jì)算直徑D和減速機(jī)的傳動(dòng)比i。

4 結(jié) 論

利用懸鏈線理論研究了變幅鋼絲繩的懸垂度與張緊力之間的關(guān)系，建立了表達(dá)式；采用力矩電機(jī)作為變幅繩張緊機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，可以利用電機(jī)的堵轉(zhuǎn)力矩與變幅繩的最大張緊力相對應(yīng)，正常情況下要求變幅繩的懸垂度為（1/30～1/50）L，在使用中可以把力矩電機(jī)的賭轉(zhuǎn)力矩與L/50的懸垂度相對應(yīng)，有利于防止鋼絲繩發(fā)生過緊狀態(tài)。在實(shí)際應(yīng)用中緊繩裝置的收繩速度不宜太快，降低驅(qū)動(dòng)電機(jī)的堵轉(zhuǎn)力矩可以提升傳動(dòng)比也能夠減小卷筒的計(jì)算直徑。

［1］徐世利.塔式起重機(jī)變幅緊繩裝置的改進(jìn)［J］.建筑機(jī)械，1997，（7）：6-7.

［2］曲 巖.塔機(jī)變幅張緊裝置的改進(jìn)［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，1999，（6）：52.

［3］鐵道部大橋工程局.懸索橋［M］.北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社［M］.1996.

［4］顧迪民.工程起重機(jī)第二版［M］.北京：中國建材工業(yè)出版社，1988.

［5］李春明.水平臂塔式起重機(jī)起升鋼絲繩撓度的精確計(jì)算［J］.林業(yè)科技情報(bào)，2011，43（1）：38-39.

［6］王正林，劉 明.精通MATLAB［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

（編輯 賈澤輝）

Research of wire rope tightening device of big tower crane with the horizontal arm

LI Bin， YANG Hao

TH212；TH213.3

B

1001-1366（2015）08-0042-04

2015-05-15