趙天雪，王 剛

（1. 沈陽建筑大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110168；2. 中建三局集團有限公司，遼寧 沈陽 110000）

裝配式建筑已經(jīng)成為建筑施工的重要組成部分，未來還將進一步發(fā)展。目前，裝配式建筑施工普遍采用普通塔機進行吊裝作業(yè)，在構(gòu)件裝配過程中，工人需要在建筑物頂部以人力對構(gòu)件進行調(diào)位，這不僅增加了工人的勞動強度，而且還存在著一定的人身安全風險。為了解決這一問題，文章研究了裝配式建筑構(gòu)件吊裝施工專用塔機。這種塔機不僅能將構(gòu)件調(diào)運到施工現(xiàn)場，還能夠?qū)?gòu)件的空間位姿進行調(diào)整，使之與現(xiàn)場裝配的需求相適應。

圖1 裝配式建筑用塔機組成

1 裝配式建筑用塔機組成與特點

裝配式建筑用塔機的組成如圖1所示，主要由2個起升機構(gòu)、平衡臂、塔頂、變幅機構(gòu)、起重臂、變幅小車、吊鉤、回轉(zhuǎn)總成、頂升套架、塔身以及底架等組成。

從表面看這種塔機與普通的上回轉(zhuǎn)塔機沒有本質(zhì)差異，但其裝配的2個起升機構(gòu)和變幅小車的新型功能使得這種塔機與普通塔機形成了作業(yè)性能的不同。其2個起升機構(gòu)構(gòu)成的2套起升系統(tǒng)和具有回轉(zhuǎn)功能的變幅小車使其形成了與普通上回轉(zhuǎn)塔機的根本不同，下面分別進行介紹。

1.1 雙起升機構(gòu)

圖2所示是布置于平衡臂尾部的2個起升機構(gòu)，其中1個機構(gòu)置于靠近配重的尾部平臺上，其電機采用直立式安裝；另1個置于桁架中底平面上，其電機采用臥式安裝，使得這2套機構(gòu)能夠與平衡臂空間位置相適應。另外，這2套起升機構(gòu)具有相同的工作特性，均采用變頻調(diào)速電機，通過PLC系統(tǒng)控制2個機構(gòu)的變頻器，使2個機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)同步起升和異步起升，得以實現(xiàn)所吊運構(gòu)件的起升、下降運動和調(diào)姿擺動。另外，這2個機構(gòu)前低后高放置，既有利于起升鋼絲繩的排布，也能夠避免2個機構(gòu)起升鋼絲繩之間發(fā)生干涉。而且平衡臂后部平臺的提升，也有利于改善平衡臂尾部的受力狀態(tài)。

圖2 雙起升機構(gòu)在平衡臂上的排布

1.2 帶回轉(zhuǎn)功能的變幅小車

正常的塔機變幅小車沒有回轉(zhuǎn)功能，本文所研究裝配式建筑用塔機的變幅小車帶有回轉(zhuǎn)功能，如圖3所示。圖3（a）是小車構(gòu)造圖，圖3（b）是小車拆解圖。變幅小車包括上車、回轉(zhuǎn)支承、回轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)、回轉(zhuǎn)角度傳感器、下轉(zhuǎn)臺和回轉(zhuǎn)梁等。

上車構(gòu)造與普通小車基本相同，只是在下部安裝有回轉(zhuǎn)支承裝置。上車有2個起升繩導入滑輪和2個起升繩導出滑輪。下車由下轉(zhuǎn)臺和回轉(zhuǎn)梁組成，回轉(zhuǎn)梁置于下轉(zhuǎn)臺的下部，并隨下轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)。回轉(zhuǎn)支承裝置用于連接上、下轉(zhuǎn)臺，回轉(zhuǎn)機構(gòu)和回轉(zhuǎn)角度傳感器均布置于下轉(zhuǎn)臺上，并隨下轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)。在回轉(zhuǎn)梁上布置有起升繩導向滑輪，在回轉(zhuǎn)梁回轉(zhuǎn)時通過起升鋼絲繩帶動起升橫梁一起回轉(zhuǎn)。根據(jù)吊運工作的實際情況，小車上的下轉(zhuǎn)臺只需要進行±900°回轉(zhuǎn)，與塔機主機回轉(zhuǎn)及變幅運動相結(jié)合，就能夠使所吊運構(gòu)件在吊運空域內(nèi)的任意位置呈現(xiàn)出所需要的姿態(tài)?；剞D(zhuǎn)角度傳感器可以通過無線傳輸將小車下轉(zhuǎn)臺的相對回轉(zhuǎn)角度同步傳入司機室的中央控制臺，以監(jiān)視和控制回轉(zhuǎn)梁的回轉(zhuǎn)角度。

圖3 帶回轉(zhuǎn)功能的變幅小車

1.3 雙起升系統(tǒng)原理

圖4 所示為2套起升系統(tǒng)排布方式，這2套起升系統(tǒng)分別為a系統(tǒng)和b系統(tǒng)。2套系統(tǒng)的起升機構(gòu)都是由同1個PLC控制運行，可以實現(xiàn)構(gòu)件起吊橫梁水平起升和下降以及該橫梁不同方向的傾斜。在該橫梁上裝有回轉(zhuǎn)角度傳感器，可以直接將橫梁的傾斜狀態(tài)傳遞到PLC控制系統(tǒng)，通過調(diào)整使2個機構(gòu)在運行中保持橫梁的傾斜狀態(tài)滿足吊裝要求。圖4中4a和4b是2個獨立的起重量限制器，其載荷信息隨時傳遞到起升機構(gòu)控制系統(tǒng)。圖中6a、6b、7a、7b、8a和8b是固定在變幅小車回轉(zhuǎn)梁上的導向滑輪，通過回轉(zhuǎn)梁的回轉(zhuǎn)，可以帶動起升橫梁13回轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)所吊運構(gòu)件的回轉(zhuǎn)運動。當需要起升橫梁傾斜時，可以通過2個起升機構(gòu)同步和異步工作進行實施。

圖4 雙起升系統(tǒng)原理圖

2 變幅小車設計中的技術問題

變幅小車需要選擇回轉(zhuǎn)支承和回轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)?；剞D(zhuǎn)支承所受到的偏心力矩不大，能夠滿足起吊重物和吊具等重量的載荷就可以。而小車上的回轉(zhuǎn)機構(gòu)應該越小越好，以減輕小車整體的重量。小車回轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)應該能夠克服小車回轉(zhuǎn)部分所產(chǎn)生的阻力矩。小車回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)阻力矩包括回轉(zhuǎn)支承的摩擦阻力矩、起升鋼絲繩抗扭剛度形成的回轉(zhuǎn)阻力矩和回轉(zhuǎn)慣性阻力矩。因為風載荷所能夠形成的阻力矩不會有明顯作用，所以可以忽略?；剞D(zhuǎn)支承的摩擦阻力矩Mf可以采用如下方法計算

式中 Pq—— 下轉(zhuǎn)臺、吊重、吊具和鋼絲繩等產(chǎn)生的垂直載荷；

α——滾動體與滾道的接觸角；

μ—— 滾動綜合摩擦系數(shù)，滾球式取0.006～0.003，滾珠式取0.01；

D0——回轉(zhuǎn)支承裝置滾道中心直徑。起升鋼絲繩抗扭剛度形成的回轉(zhuǎn)阻力是正常回轉(zhuǎn)中所沒有的。這一回轉(zhuǎn)阻力與鋼絲繩的結(jié)構(gòu)形式、直徑、鋼絲繩受扭部分的長度、鋼絲繩所受到的拉力和鋼絲繩的旋向有關。由于目前尚無法從鋼絲繩產(chǎn)品樣板等資料中查取有關鋼絲繩的抗扭剛度參數(shù)，在本項目的研究中選取了3種鋼絲繩進行抗扭剛度實驗。

圖5 實驗原理圖

這3種鋼絲繩分別是：鋼絲繩6×19+FC-16，鋼絲繩6×19+FC-18，鋼絲繩34×7+IWS-20。實驗采用的3種鋼絲繩直徑為16mm的和20mm的為右旋，鋼絲繩直徑為18mm的是左旋。鋼絲繩旋轉(zhuǎn)受扭轉(zhuǎn)的角度為-90°到90°范圍內(nèi)，角度正值表示旋轉(zhuǎn)角與鋼絲繩股的旋向相同，角度負值為與鋼絲繩股的旋向相反。

圖5（a）是實驗系統(tǒng)原理圖，圖5（b）是實驗現(xiàn)場照片。實驗中鋼絲繩的一端通過國標瑪鋼花蘭連接到軸銷拉力傳感器上，另一端用細鋼絲繩進行固定。在有細鋼絲繩固定的一側(cè)上部裝有鋼絲繩夾緊固定裝置，在距離鋼絲繩固定夾緊裝置下部0.8m處有鋼絲繩用于扭轉(zhuǎn)鋼絲繩扭轉(zhuǎn)夾緊裝置。扭轉(zhuǎn)夾緊裝置的下部是用于張緊的細鋼絲繩。實測顯示細鋼絲繩的抗扭力矩很小，可以忽略不計。實驗用的數(shù)顯力矩扳手是ADEMA ADA40200，扳手力矩范圍為10～200N·m，實測為5～200N·m。拉力傳感器是H9X2型軸銷傳感器，信號檢測儀器是DH3820靜態(tài)應變測試系統(tǒng)。該實驗裝置模擬回轉(zhuǎn)小車上部起升鋼絲繩繞入和繞出滑輪到小車下部回轉(zhuǎn)梁上起升鋼絲繩繞入和繞出滑輪之間起升繩的抵抗扭矩，就是圖4中滑輪9和10與滑輪7和8之間鋼絲繩的抗扭轉(zhuǎn)力矩。

在鋼絲繩固定夾緊裝置放松狀態(tài)下，通過調(diào)整瑪鋼花蘭改變鋼絲繩張緊力，由DH3820系統(tǒng)對拉力值進行監(jiān)測，在不同張緊力狀態(tài)下對鋼絲繩抗扭力矩檢測。通過對2種直徑鋼絲繩不同方向旋轉(zhuǎn)實驗，得到了抗扭轉(zhuǎn)力矩Mn（N·m）值。表1和表2是直徑18mm鋼絲繩正向和反向扭轉(zhuǎn)時抗扭力矩值，表3和表4為直徑20mm鋼絲繩正向和反向扭轉(zhuǎn)時抗扭力矩值。

表1是直徑18mm鋼絲繩正向抗扭力矩，從表1中數(shù)據(jù)可以看出，在0～90°的范圍內(nèi)，鋼絲繩的抗扭力矩與扭轉(zhuǎn)角度幾乎呈線性變化關系。鋼絲繩的拉力小于6000N時，拉力對抗扭力矩有影響，隨著拉力的增加而增加，當拉力達到6000N以后，拉力對鋼絲繩的抗扭力矩幾乎沒有影響。

表1 直徑18mm鋼絲繩正向抗扭力矩（N·m）

表2是直徑18mm鋼絲繩反向抗扭力矩，從表2中數(shù)據(jù)可以看出，在0～90°的范圍內(nèi)，鋼絲繩的抗扭力矩與扭轉(zhuǎn)角度幾乎也呈線性變化關系，但抗扭力矩值比正向扭轉(zhuǎn)小許多。在5000N以下的所有扭矩相等，5000N及以上所有力矩相等，鋼絲繩的拉力對抗扭力矩影響不大，在實驗拉力范圍內(nèi)幾乎可以忽略。

表2 直徑18mm鋼絲繩反向抗扭力矩（N·m）

表3是直徑20mm鋼絲繩正向抗扭力矩，從表3中數(shù)據(jù)可以看出，在0～90°的范圍內(nèi)鋼絲繩的抗扭力矩與扭轉(zhuǎn)角度幾乎呈線性變化關系，但鋼絲繩的抗扭力矩隨著拉力的增加仍然呈現(xiàn)出繼續(xù)增加的狀態(tài)。

表3 直徑20mm鋼絲繩正向抗扭力矩（N·m）

表4是直徑20mm鋼絲繩反向抗扭力矩，從表4中數(shù)據(jù)顯示，在0～90°的范圍內(nèi)鋼絲繩的抗扭力矩與扭轉(zhuǎn)角度幾乎也呈線性變化關系，但抗扭力矩值比正向扭轉(zhuǎn)小許多。拉力對抗扭力矩的影響似乎呈現(xiàn)為臺階式變化，但扭矩值幾乎為正向扭轉(zhuǎn)的1/3。

表4 直徑20mm鋼絲繩反向抗扭力矩（N·m）

綜合上述4個表格的實驗數(shù)據(jù)可以看出，20mm鋼絲繩的抗扭力矩明顯大于直徑18mm的鋼絲繩，反向抗扭力矩也明顯小于正向抗扭力矩。根據(jù)數(shù)據(jù)預判鋼絲繩拉力對抗扭力矩的影響應該只是在一定范圍內(nèi)，當拉力達到一定程度后，拉力將不會對抗扭力矩有明顯影響。

在實際測試中發(fā)現(xiàn)，直徑為16mm的鋼絲繩在所測范圍內(nèi)扭矩非常小，所以實驗數(shù)據(jù)沒有列出。實驗數(shù)據(jù)也會受到鋼絲繩的類型和浸油程度的影響，所以還要進一步實驗研究和理論分析。但本實驗研究數(shù)據(jù)也能夠基本反映鋼絲繩的抗扭狀態(tài)。

由于細鋼絲繩相對于粗鋼絲繩的抗扭剛度可以忽略，所以將所測結(jié)果直接作為起升鋼絲繩的抗扭力矩。正常情況下在小車回轉(zhuǎn)裝置回轉(zhuǎn)時，受扭鋼絲繩有4根，為了減少受扭鋼絲繩產(chǎn)生的扭矩，在本系統(tǒng)中利用2根從構(gòu)件起吊橫梁返回到臂端的鋼絲繩，在回轉(zhuǎn)梁上減少了1組導向滑輪，以提高鋼絲繩的受扭長度，從而降低鋼絲繩在扭轉(zhuǎn)時的抵抗扭拒。另外在設計時，要適當提高小車上部導繩滑輪與回轉(zhuǎn)梁上相應導繩滑輪之間的距離，以降低鋼絲繩的扭轉(zhuǎn)力矩和提高鋼絲繩的壽命。此外，鋼絲繩在發(fā)生扭轉(zhuǎn)時，經(jīng)過的上、下滑輪繩槽與鋼絲繩之間如果有良好的潤滑，也會發(fā)生一定的轉(zhuǎn)動，從而減少上下滑輪之間鋼絲繩相對扭轉(zhuǎn)角，扭轉(zhuǎn)力矩也會隨之減小。但這一現(xiàn)象與鋼絲繩在滑輪上的潤滑狀態(tài)有關，所以具有不確定性。另外，2套起升系統(tǒng)應選擇不同旋向的鋼絲繩，這樣可以保證小車旋轉(zhuǎn)機構(gòu)在2個旋轉(zhuǎn)方向上具有相等的驅(qū)動力矩，可適當降低驅(qū)動功率。

所吊運構(gòu)件的回轉(zhuǎn)慣性力屬于動態(tài)載荷，在回轉(zhuǎn)驅(qū)動電機選擇時可以不考慮，回轉(zhuǎn)電機的驅(qū)動功率只考慮回轉(zhuǎn)支承的摩擦力和起升鋼絲繩的抗扭轉(zhuǎn)力矩2項即可?；剞D(zhuǎn)鋼絲繩的抗扭轉(zhuǎn)力矩因鋼絲繩的不同有很大的差異，計算參數(shù)要以實驗數(shù)據(jù)為準。則回轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)的靜功率計算方法為

式中 M—— 靜態(tài)回轉(zhuǎn)阻力矩，M=Mf+Mn；

N——回轉(zhuǎn)速度；

η——回轉(zhuǎn)系統(tǒng)效率，一般情況下取η=0.9。

3 結(jié)束語

文章所介紹的裝配式建筑用塔機可以將所吊運的構(gòu)件按照施工的需要進行位姿調(diào)整，免去了由人力調(diào)整構(gòu)件位姿的過程。這不僅僅減少了工人的勞動強度，還能夠提高裝配過程中的安全可靠性。這一產(chǎn)品技術的出現(xiàn)將為裝配式建筑的發(fā)展提供新的動力。

本文介紹的產(chǎn)品技術申請的國家專利已經(jīng)公開，并且在所開發(fā)的PTT370和PTT460兩個型號的塔機上得到了應用。