彭 程 方雁衡 鐘其林 劉洪宇 石金平

1 廣東省節(jié)能中心 廣州 510040 2 廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院順德檢測(cè)院 順德 528300 3 東北電力大學(xué) 吉林 132012

起重機(jī)事故發(fā)生率歷年來(lái)在各類特種設(shè)備事故中占比較高[1，2]，其中塔式起重機(jī)的起重量限制器失靈引發(fā)的事故時(shí)有發(fā)生[3]。根據(jù)TSG Q7015－2016 《起重機(jī)械定期檢驗(yàn)規(guī)則》C5.4的要求，塔式起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱塔機(jī)）需設(shè)置起重量限制器，但目前對(duì)起重量限制器的檢驗(yàn)需準(zhǔn)備額定起重量為1.05倍的重物，在起重機(jī)施工現(xiàn)場(chǎng)難以找到精準(zhǔn)要求的重物，使用大體積砝碼又大大增加檢驗(yàn)成本及檢驗(yàn)時(shí)間。當(dāng)前，我國(guó)塔機(jī)在定期檢測(cè)過(guò)程中，對(duì)起重量限制器的檢測(cè)主要是驗(yàn)證其是否被短接，但無(wú)法核實(shí)其有效性[4]。本文擬提出幾種無(wú)載荷試重系統(tǒng)模型，并驗(yàn)證其安全性。

1 塔機(jī)無(wú)載荷試重系統(tǒng)模型

塔機(jī)的起重量限制器一般安裝在吊臂根部，由主鋼絲繩繞過(guò)，對(duì)其進(jìn)行極限質(zhì)量測(cè)試，主要是利用主鋼絲繩的張力來(lái)觸發(fā)起重量限制器動(dòng)作[5]。因此，本文采用固定主鋼絲繩兩端，并利用施力裝置收縮主鋼絲繩，以期達(dá)到同樣的測(cè)試效果。

1.1 系統(tǒng)裝置主體結(jié)構(gòu)

圖1為系統(tǒng)設(shè)備連接示意圖，系統(tǒng)裝置主要分3個(gè)部分：拉伸裝置（見圖2a，作用是拉伸鋼絲繩，模擬塔機(jī)在實(shí)際起重時(shí)的拉力過(guò)程）、固定裝置（見圖2b，作用是保證鋼絲繩固定）和測(cè)力裝置，采用S型拉壓力傳感器（DJSX-200），可讀取鋼絲繩受力大小。圖3、圖4分別為固定端和施力端的演示圖。

圖1 系統(tǒng)設(shè)備連接示意圖

圖2 系統(tǒng)裝置主體結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 施力部分演示圖

圖4 固定部分演示圖

1.2 不同使用環(huán)境下的系統(tǒng)模型

由于各施工場(chǎng)地及檢測(cè)環(huán)境不同，本文利用上述觸發(fā)起重量限制器動(dòng)作原理提出實(shí)施模型，以便在不同場(chǎng)景下均能快速、方便、安全地進(jìn)行無(wú)載荷測(cè)試。

1）連接方式1

如圖5所示，塔機(jī)為小車變幅式，其設(shè)置有依次繞經(jīng)塔帽傳力轉(zhuǎn)向組件、起重量限制器11傳力轉(zhuǎn)向組件、載重小車14傳力轉(zhuǎn)向組件和吊鉤15傳力轉(zhuǎn)向組件的主起升鋼絲繩4，在主起升鋼絲繩4便于接入夾繩器的位置依次連接拉力傳感器8和施力裝置5，通過(guò)施力裝置5將拉力傳感器8直接作用于繞經(jīng)起重量限制器11傳力轉(zhuǎn)向組件的主起升鋼絲繩4上。本連接方式中塔帽傳力轉(zhuǎn)向組件為塔帽轉(zhuǎn)向滑輪12，起重量限制器11、載重小車14和吊鉤15傳力轉(zhuǎn)向組件是滑輪或滑輪組。

圖5 連接方式1示意圖

為了便于在平衡臂上檢測(cè)起重量限制器11的檢測(cè)，連接拉力傳感器8連接在塔機(jī)的平衡臂11端對(duì)應(yīng)的主起升鋼絲繩4上，該段主起升鋼絲繩4位于起重機(jī)的鋼絲繩卷筒16與塔帽傳力轉(zhuǎn)向組件，即本連接方式的塔帽轉(zhuǎn)向滑輪12之間，其中，鋼絲繩卷筒16安裝在起升機(jī)構(gòu)2上，主起升鋼絲繩4繞經(jīng)起升機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向滑輪3后依次連接至塔帽轉(zhuǎn)向滑輪12、起重量限制器11、載重小車14、吊鉤15，主起升鋼絲繩4的末端最后固定連接在塔機(jī)的起重臂13尾端的鋼絲繩固定位17處。

將拉力傳感器8通過(guò)輔助鋼絲繩6連接在主起升鋼絲繩4上以完成拉力傳感器8的位置固定，為便于檢測(cè)人員讀取起重量數(shù)值，拉力傳感器8連接有能夠顯示起重量數(shù)值的記錄儀表，其中拉力傳感器8為DJSX-200的S型拉力傳感器，記錄儀表為型號(hào)DJYB-HF的便攜式記錄儀表，起重量測(cè)量精度可達(dá)到1‰。另外，為了方便在平衡臂1或起重臂13上完成檢測(cè)工作，施力裝置5可以為手動(dòng)葫蘆或電動(dòng)液壓裝置。

本連接方式中通過(guò)外部施加于起重量限制器11的應(yīng)力而改變滑輪與連接銷軸的中心距，使限制器內(nèi)部弓板產(chǎn)生上下方向拉伸雙形變，起重量限制器11內(nèi)部傳感器產(chǎn)生微量的電壓變化，經(jīng)記錄儀表放大后經(jīng)高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；然后數(shù)字信號(hào)經(jīng)單片機(jī)或微處理器處理后最終在記錄儀表上顯示數(shù)值。

本連接方式為了方便拉力傳感器8與輔助鋼絲繩連接，拉力傳感器8與輔助鋼絲繩之間通過(guò)卸扣扣合。

塔機(jī)因其主起升鋼絲繩4很長(zhǎng)，每間隔一段距離用輔助鋼絲繩將其定位，輔助鋼絲繩與主起升鋼絲繩4連接處還設(shè)置有夾繩器9。

2）連接方式2

與連接方式1不同，該連接方式可在起重臂13上完成對(duì)起重量限制器11的檢測(cè)工作，連接拉力傳感器8連接在塔機(jī)的起重臂13端對(duì)應(yīng)的主起升鋼絲繩4上，該段主起升鋼絲繩位于起重量限制器11的傳力轉(zhuǎn)向組件與載重小車14的傳力轉(zhuǎn)向組件之間，如圖6所示，在起重量限制器11與載重小車14之間的主起升鋼絲繩上依次連接施力裝置5和拉力傳感器8。

圖6 連接方式二示意圖

3）連接方式3

該連接方式（見圖7）可直接在起重臂13尾端的吊鉤15所在位置完成對(duì)起重量限制器11的檢測(cè)，拉力傳感器8和施力裝置5直接依次連接在吊鉤15上，其余技術(shù)內(nèi)容與連接方式1或連接方式2相同。

圖7 連接方式三示意圖

4）連接方式4

不同于連接方式3，該連接方式（見圖8）更便于在起重臂13尾端的吊鉤15所在位置完成對(duì)起重量限制器11的檢測(cè)，連接拉力傳感器8連接在載重小車14的傳力轉(zhuǎn)向組件與吊鉤15的傳力轉(zhuǎn)向組件之間的主起升鋼絲繩4上，即將拉力傳感器8和施力裝置5直接連接在繞經(jīng)載重小車14一個(gè)轉(zhuǎn)向滑輪的主起升鋼絲繩上。將吊鉤15放至地面使主起升鋼絲繩5處于拉直狀態(tài)，吊鉤15設(shè)置有動(dòng)滑輪組，以防止連接方式3中吊鉤15上下活動(dòng)影響檢測(cè)效果，其他的與連接方式3相同。

圖8 連接方式四示意圖

2 對(duì)關(guān)鍵受力部件模擬分析

本文提出的模型中涉及幾部分重要的受力部件，一是固定部件如卸扣與夾繩器（固定部件均為起重機(jī)械常用的固定部件，已在10 t以上場(chǎng)合廣泛使用[6]，故本文不對(duì)此部分開展力學(xué)模擬）；二是塔架部分。由于需要承受固定主鋼絲繩的全部拉力載荷，需進(jìn)行力學(xué)模擬，驗(yàn)證本模型的可行性，故本文模擬無(wú)載荷系統(tǒng)模型在對(duì)塔機(jī)起重量限制器進(jìn)行施加外力的過(guò)程，通過(guò)分析外力加載過(guò)程中起重設(shè)備的受力情況，驗(yàn)證模型的可靠性。本文以QTZ100（6012）型塔機(jī)為模型。

2.1 起重鋼架網(wǎng)格化模型

實(shí)驗(yàn)?zāi)M塔機(jī)起重量限制器無(wú)載荷檢測(cè)過(guò)程，將安裝位置設(shè)置在塔機(jī)最大起重量幅度處（即幅度2.5～16 m范圍內(nèi)），并分別施加不同大小拉力進(jìn)行應(yīng)力對(duì)比分析，分析不同載荷對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。圖9為起重鋼架Ansys分析網(wǎng)格化模型，F(xiàn)為模擬的通過(guò)主起升鋼絲繩4對(duì)整體鋼架施加的拉力，即為模擬中的約束加載。

圖9 起重鋼架網(wǎng)格化模型及約束加載

2.2 不同載荷作用下鋼架受力情況模擬

由于塔機(jī)常規(guī)起重量為6 t、8 t、10 t，滑輪組繞繩比為4倍率或2倍率，故單繩載重量為1.5 t、2 t、2.5 t。在模擬實(shí)驗(yàn)中，對(duì)鋼架前端鋼絲繩承受載荷F分別選取多個(gè)數(shù)值進(jìn)行模擬，分別選取施加1 t、2 t、5 t、10 t載荷，得到不同大小載荷下鋼架的應(yīng)力和變形情況。

1）施加F＝1 t載荷作用下的計(jì)算結(jié)果如圖10、圖11所示。圖中最大變形為0.417 mm，最大變形發(fā)生在鋼絲繩受力端；最大應(yīng)力為11.5 MPa，最大應(yīng)力發(fā)生在鋼絲繩連接處的橫梁處。加載1 t載荷時(shí)，主要用于分析在施力過(guò)程中對(duì)鋼結(jié)構(gòu)總體的變形趨勢(shì)以及鋼架應(yīng)力變化趨勢(shì)。對(duì)于后續(xù)的應(yīng)力增加作為基礎(chǔ)性參考，應(yīng)力集中于桁架支撐結(jié)構(gòu)處。

圖10 結(jié)構(gòu)總體變形圖

圖11 鋼架應(yīng)力

2）施加F＝2 t載荷作用下的計(jì)算結(jié)果如圖12、圖13所示。最大變形0.833 mm，發(fā)生在鋼絲繩受力端；最大應(yīng)力23.1 MPa，發(fā)生在鋼絲繩連接處的橫梁處。加載2 t載荷時(shí)，主要模擬針對(duì)6 t與8 t，4倍率繞組的塔機(jī)測(cè)試時(shí)的實(shí)際情況，鋼結(jié)構(gòu)總體形變程度較小，鋼架應(yīng)力處于許用應(yīng)力范圍內(nèi)。

圖12 結(jié)構(gòu)總體變形圖

圖13 鋼架應(yīng)力

3）施加F＝5 t載荷作用下的計(jì)算結(jié)果如圖14、圖15所示。圖中最大變形2.08 mm，發(fā)生在鋼絲繩受力端；最大應(yīng)力57.7MPa，發(fā)生在鋼絲繩連接處的橫梁處。加載5 t載荷時(shí)，主要模擬8 t、10 t起重量的塔機(jī)（2倍率或4倍率滑輪繞組）實(shí)際情況，鋼結(jié)構(gòu)總體有輕微形變，受力點(diǎn)部位的鋼架存在明顯應(yīng)力集中，應(yīng)力集中部位未超出材料許用應(yīng)力范圍。

圖14 結(jié)構(gòu)總體變形圖

圖15 鋼架應(yīng)力

4）施加F＝10 t載荷作用下的計(jì)算結(jié)果如圖16、圖17所示。圖中最大變形4.16 mm，發(fā)生在鋼絲繩受力端；最大應(yīng)力115 MPa，發(fā)生在鋼絲繩連接處的橫梁處。加載10 t載荷時(shí)，主要模擬極限情況下，10 t單繩拉力對(duì)塔架的影響，以便估算出試驗(yàn)出現(xiàn)意外故障的突發(fā)情況時(shí)對(duì)整體結(jié)構(gòu)是否存在損傷。經(jīng)模擬分析，即便是在10 t單繩拉力下，總體形變未超出材料極限，應(yīng)力情況也在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。

圖16 結(jié)構(gòu)總體變形圖

經(jīng)力學(xué)模擬分析計(jì)算，在1 t、2 t、5 t、10 t的載荷下，該結(jié)構(gòu)鋼絲繩和鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力均在材料允許范圍內(nèi)，且起重機(jī)起升裝置為多滑輪組的省力模式，常規(guī)為4倍率，即額定載荷為10 t的起重機(jī)，實(shí)際單根主鋼絲繩受力僅為2.5 t，起重量限制器觸發(fā)的物力極限為2.5 t，故該無(wú)載荷系統(tǒng)模型符合實(shí)際使用要求。

圖17 鋼架應(yīng)力

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種塔機(jī)無(wú)載荷試重理論模型，可結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)多種連接形式，便于輔助檢驗(yàn)。該模型經(jīng)過(guò)力學(xué)模擬驗(yàn)證，不會(huì)對(duì)起重機(jī)部件造成損傷，具備操作安全性。此外，該無(wú)載荷的理論方法，也可推廣至其他需要配備標(biāo)準(zhǔn)重物的相關(guān)檢測(cè)任務(wù)，進(jìn)行更廣泛的使用或技術(shù)升級(jí)。