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基于輪壓檢測的塔式起重機(jī)防傾翻方案

曾葵

（四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川德陽618000）

摘要：為有效防止塔式起重機(jī)傾翻，以檢測直接反映塔機(jī)傾翻力矩大小變化的工作狀態(tài)輪壓為基礎(chǔ)，通過確定并限制目標(biāo)輪壓來限制傾翻力矩。用常規(guī)的靜態(tài)計(jì)算法對(duì)最不利工況下的輪壓進(jìn)行計(jì)算，獲得輪壓變化規(guī)律，給出目標(biāo)輪壓限定值，提出涉及檢測方案設(shè)計(jì)、傳感器選型、傳感器安裝設(shè)計(jì)及電路設(shè)計(jì)的輪壓檢測方法，為完善塔式起重機(jī)防傾翻方案提供了新思路。

關(guān)鍵詞：塔式起重機(jī)；抗傾翻穩(wěn)定性；傾翻力矩；起重力矩；輪壓檢測

收到修改稿日期：2013-03-18

0　引言

塔式起重機(jī)重心高、支撐面小，屬高聳設(shè)備，容易發(fā)生傾翻事故。在對(duì)60起建筑起重機(jī)械事故的統(tǒng)計(jì)中，塔機(jī)事故45起，其中傾翻26起，占58%，塔機(jī)事故中屬租賃和使用單位責(zé)任的事故16起，其中傾翻事故11起，占69%[1]，可見傾翻事故在塔機(jī)事故中占有較大比重。造成塔機(jī)傾翻事故的原因較多[2-3]，其中傾翻力矩超限是重要原因之一，導(dǎo)致傾翻力矩超限的主要因素有起重力矩超載、風(fēng)力過大、水平慣性力增大、軌道基礎(chǔ)縱向和橫向坡度超標(biāo)、塔身垂直度超標(biāo)等。目前，為防止傾翻力矩超限所采用的主要方法是借助起重力矩限制器對(duì)起重力矩進(jìn)行檢測并加以限制，但起重力矩限制器的應(yīng)用存在一些不足之處，所以還應(yīng)尋求對(duì)傾翻力矩進(jìn)行有效檢測和控制的其他方法，例如通過對(duì)臺(tái)車輪壓的檢測來限制傾翻力矩不超限。

1　起重力矩檢測和輪壓檢測特點(diǎn)分析

1.1起重力矩檢測

1.1.1起重力矩檢測的方法

我國塔式起重機(jī)廣泛采用弓形板式力矩限制器檢測并限制起重力矩。力矩限制器安裝在塔帽前方或后方的主弦桿上（塔帽式塔機(jī)），或水平動(dòng)臂上弦桿上（平頭式塔機(jī)），塔機(jī)工作時(shí)，弦桿受起重力矩作用發(fā)生變形，力矩限制器的兩條弓形彈簧板之間的距離隨之改變，帶動(dòng)其上的調(diào)整螺桿移動(dòng)觸及行程開關(guān)，發(fā)出報(bào)警并切斷塔機(jī)向上起升和向外變幅的電路，起到限制起重力矩的保護(hù)作用。

近十年來國內(nèi)對(duì)弓形板式力矩限制器仍然有持續(xù)的研究[4-8]，這些研究主要集中在力矩限制器的調(diào)試方法、安裝位置、數(shù)字化改造、質(zhì)量控制等方面，尚不能從根本上解決其在應(yīng)用中存在的問題。

1.1.2力矩限制器的不足之處

（1）弓形板式力矩限制器不易調(diào)試準(zhǔn)確，對(duì)雙吊點(diǎn)水平動(dòng)臂塔機(jī)尤其如此[6，9]。只在以最優(yōu)全力矩取矩中心進(jìn)行計(jì)算，繪出起重特性曲線并以此曲線來調(diào)試時(shí)，力矩限制器的系統(tǒng)綜合精度才會(huì)有所改善[10]。

（2）力矩限制器安裝試驗(yàn)時(shí)，現(xiàn)場往往沒有標(biāo)準(zhǔn)砝碼，常用鋼筋、腳手架鋼管等估算重量進(jìn)行試驗(yàn)，調(diào)試結(jié)果誤差較大。

（3）最重要的是，力矩限制器不能檢測和限制除起重力矩之外的導(dǎo)致傾翻力矩超限的其他因素。

1.2輪壓檢測

1.2.1輪壓檢測的方法

韓連元、王桂云[11]通過檢測車輪支承彈簧的平均變形來獲得纜車的輪壓信息，尹丁等[12]通過測量纜車支腿上的應(yīng)變值來獲得纜車輪壓值，王平[13]用輪輻式傳感器檢測跨座式單軌車水平輪壓力，以上均證明對(duì)輪壓進(jìn)行在線檢測是可行的。當(dāng)傾翻力矩超限時(shí)，起重機(jī)將繞相鄰兩組車輪與軌道接觸點(diǎn)的連線（傾翻軸線）傾翻，無論對(duì)傾翻起作用的是何種因素，傾翻時(shí)傾翻軸線上車輪的輪壓增大，而另一側(cè)車輪的輪壓減小并最終等于零。在目前所用的靜態(tài)計(jì)算法（將動(dòng)載荷按達(dá)蘭貝爾原理視為靜載荷不變地作用于起重機(jī)）下，傾翻軸線對(duì)面的兩車輪輪壓和為零，意味著除軌道支承反力以外的塔機(jī)所受力系的合力剛好垂直向下作用在傾翻軸線上，是塔機(jī)達(dá)到傾翻臨界狀態(tài)時(shí)的顯著特征。因此，通過傳感器檢測輪壓減小一側(cè)輪壓的大小，即可知道起重機(jī)的穩(wěn)定性狀態(tài)，當(dāng)其輪壓和減小到某一極限值時(shí)，只要切斷機(jī)構(gòu)向不利方向運(yùn)動(dòng)的電路，便可防止起重機(jī)翻倒。

1.2.2輪壓檢測的優(yōu)點(diǎn)

（1）輪壓檢測方法主要檢測包含前述所有因素綜合作用的傾翻力矩，檢測內(nèi)容全面。

（2）直接對(duì)輪壓進(jìn)行檢測時(shí)，測量沒有原理誤差。

2　輪壓檢測方案設(shè)計(jì)

2.1輪壓變化情況分析

塔式起重機(jī)輪壓一般按剛性底架4支點(diǎn)支承計(jì)算[14]，計(jì)算工況為：軌道縱、橫方向有坡度（見圖1），起重機(jī)滿載下坡運(yùn)行制動(dòng)，起升起動(dòng)或下降制動(dòng)，向幅度增大方向變幅制動(dòng)，穩(wěn)定回轉(zhuǎn)，工作風(fēng)載從平衡臂向動(dòng)臂方向作用。

圖1　車輪位置及坡度方向示意圖

按此工況用靜態(tài)計(jì)算法以QTZ50A塔機(jī)為原型機(jī)進(jìn)行輪壓計(jì)算，其4倍率時(shí)輪壓變化曲線如圖2和圖3所示。

圖2　輪壓和隨動(dòng)臂轉(zhuǎn)角不同的變化曲線（R=12.7m）

圖3　輪壓和隨幅度不同的變化曲線（α=0°）

圖2為幅度R=12.7m（最大起重量對(duì)應(yīng)的最大幅度）時(shí)輪壓和隨動(dòng)臂轉(zhuǎn)角不同的變化曲線，圖3為動(dòng)臂位于塔機(jī)行走正前方（轉(zhuǎn)角α=0°）時(shí)輪壓和隨幅度不同的變化曲線。單個(gè)車輪的輪壓以及2倍率時(shí)的輪壓有類似的變化曲線。

輪壓變化規(guī)律為：

（1）當(dāng)幅度一定時(shí)，相鄰兩輪輪壓和及單個(gè)車輪輪壓隨動(dòng)臂轉(zhuǎn)角α的不同均按正弦或余弦規(guī)律變化；當(dāng)動(dòng)臂轉(zhuǎn)角一定時(shí)，相鄰兩輪輪壓和及單個(gè)車輪輪壓隨幅度的不同均按類似L形或Г形的規(guī)律變化。相鄰兩輪輪壓和的最大、最小值分別出現(xiàn)在α= 0°、90°、180°和270°時(shí)，即當(dāng)動(dòng)臂平行或垂直于軌道方向時(shí)，動(dòng)臂下方的兩車輪有最大輪壓和，平衡臂下方兩車輪的輪壓和最小；單個(gè)車輪輪壓的最大、最小值分別出現(xiàn)在α=45°、135°、225°和315°時(shí)，即當(dāng)動(dòng)臂方向垂直于塔機(jī)支撐面對(duì)角線時(shí)，動(dòng)臂下方的車輪輪壓最大，而此時(shí)平衡臂下方的車輪輪壓最小。

（2）在幅度為最大起重量對(duì)應(yīng)的最大幅度情況下，當(dāng)動(dòng)臂轉(zhuǎn)角α=0°（順下坡方向）時(shí)，起重機(jī)行駛后方兩車輪（B、C輪）的輪壓和是所有相鄰兩輪輪壓和中最小的；當(dāng)動(dòng)臂轉(zhuǎn)角α=45°（位于A輪正上方）時(shí)，A輪的輪壓是所有單個(gè)車輪輪壓中最大的。

相鄰兩輪輪壓和及單個(gè)車輪輪壓的最大、最小值見表1。

表1　相鄰兩輪輪壓和及單個(gè)車輪輪壓的最大、最小值

2.2輪壓檢測方案系統(tǒng)框圖

相鄰兩輪輪壓之和達(dá)到最小值時(shí)，塔機(jī)的穩(wěn)定性處于較差狀態(tài)，該最小值越小，塔機(jī)越接近傾翻臨界狀態(tài)，抗傾翻穩(wěn)定性越差。雖然靜態(tài)計(jì)算并未反映起重機(jī)傾翻的真實(shí)過程，是偏于保守的方法，但仍然要對(duì)輪壓和的最小值作出限定，用最小支承壓力作為其極限值，當(dāng)檢測到相鄰兩輪輪壓之和等于或小于最小支承壓力時(shí)，起重機(jī)應(yīng)停止向不利方向的作業(yè)。最小支承壓力可取為全部車輪輪壓之和（即起重機(jī)整機(jī)重量與最大額定起升重量之和）的15%[15]。

單個(gè)車輪輪壓的最小值在計(jì)算中有等于零甚至負(fù)值的實(shí)例，在這種情況下，憑檢測到輪壓等于零已無法判斷傾翻力矩是否正常。由于此時(shí)動(dòng)臂下方的車輪輪壓最大，因此通過檢測最大輪壓可知實(shí)際傾翻力矩是否達(dá)到或超過計(jì)算力矩，當(dāng)單個(gè)車輪輪壓達(dá)到設(shè)計(jì)計(jì)算的最大值時(shí)，起重機(jī)應(yīng)停止向不利方向的作業(yè)。

因此，作為輪壓檢測和限制對(duì)象的目標(biāo)輪壓應(yīng)為相鄰兩輪最小輪壓和及單個(gè)車輪最大輪壓。為實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)輪壓的限制，采用如圖4所示系統(tǒng)總體方案框圖。

3　傳感器的選擇及安裝

圖4　輪壓檢測方案系統(tǒng)框圖

測力傳感器的種類較多，其中軸承座式傳感器已廣泛應(yīng)用于橋架型起重機(jī)上，這種傳感器高度低、量程廣、安裝使用方便、抗側(cè)向力和抗沖擊性能好，精度較高、性能穩(wěn)定可靠；因此，選擇軸承座式傳感器對(duì)塔機(jī)輪壓進(jìn)行檢測。

根據(jù)QTZ50A塔式起重機(jī)4個(gè)車輪的最大輪壓、每處車輪角型軸承需用2個(gè)傳感器以及安裝空間等結(jié)構(gòu)情況，選擇中航電測儀器股份有限公司量程為15t的H10B型軸承座式傳感器，傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2　傳感器主要技術(shù)指標(biāo)

傳感器的安裝如圖5所示，圖中固定圈與其左右兩邊底架上的鋼板接觸，前后由端蓋（零件b）定位，以避免起重機(jī)縱、橫向水平力對(duì)傳感器受力的影響，保證傳感器只受垂直向上的輪壓作用。輪壓傳遞路線為：輪壓→車輪→角型軸承箱→固定板→支架→傳感器→底架。

4　系統(tǒng)電路

每處車輪的兩個(gè)傳感器的電橋采用并聯(lián)輸出，接入起重機(jī)主控單元的信號(hào)調(diào)理模塊，如圖6所示。電路系統(tǒng)的主控單元和顯示單元相互分離，由各自的單片機(jī)來控制。采用分離式結(jié)構(gòu)可以分別安裝，把顯示單元放置在司機(jī)室控制臺(tái)上，主控單元?jiǎng)t因信號(hào)采集和輸出控制的需要放置在有利于走線的地方。兩單元之間的信號(hào)線用雙絞線連接。

圖5　傳感器安裝示意圖

圖6　系統(tǒng)電路總體框圖

5　結(jié)束語

（1）傳感器的類型和安裝位置是準(zhǔn)確獲得輪壓的關(guān)鍵。將傳感器置于軸承外圈與軸承座之間，或置于角型軸承與圖5中的固定圈之間，也可對(duì)輪壓進(jìn)行檢測，但這種埋入式傳感器需要專門設(shè)計(jì)[16]。本方案選擇的軸承座式傳感器是常用傳感器，技術(shù)成熟，性能完全滿足檢測需要，容易找到恰當(dāng)?shù)陌惭b位置且安裝方便。

（2）由于起重機(jī)的重量數(shù)據(jù)在起重機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)已精確獲得，最小支承壓力可直接設(shè)定，所以方案實(shí)施過程中只需對(duì)單個(gè)車輪輪壓的最大值進(jìn)行測定。當(dāng)實(shí)測值大于設(shè)計(jì)計(jì)算的最大輪壓時(shí)，以后者作為限值；當(dāng)實(shí)測值小于設(shè)計(jì)計(jì)算的最大輪壓時(shí)，應(yīng)以實(shí)測值作為限值。

（3）輪壓限制方案不是力矩限制器方案的冗余，而是一種防止塔機(jī)傾翻的新思路和新方法。在塔身下方主弦桿受力計(jì)算的基礎(chǔ)上，選擇適當(dāng)?shù)闹飨覘U受力檢測方案后，這一方法也可用在固定式塔機(jī)上。

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Design tip-over prevention plan for tower cranes based on wheel load test

ZENG Kui

（Sichuan College of Architectural Technology，Deyang 618000，China）

Abstract:To effectively prevent the tower crane tipping，overturning moment was limited through identifying and limiting the target wheel load for the working wheel load status directly determine the size of the overtuening moment. The wheel load under the worst working condition was calculated with the general static calculation method to get the change rule of wheel load and target wheel load limits. And the wheel load detection method was proposed，which includes detection scheme design，sensor selection，sensor installation design and circuit design. This method offers a new way to perfect tower crane tip-over prevention plan.

Key words:tower crane；anti overturning stability；overturning moment；load moment；wheel load test

收稿日期：2013-01-07；

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2013.05.004

文章編號(hào)：1674-5124（2013）05-0016-04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號(hào)：TH213.302；TB931；TM930.12；TP212.9

作者簡介：曾葵（1958-），男，四川自貢市人，副教授，主要從事工程機(jī)械設(shè)計(jì)及工程機(jī)械專業(yè)教學(xué)工作。