油缸變幅動臂塔式起重機移動配重研究

2014-01-31 07:23:22王新聰郭吉坦潘志毅白朝陽

建筑機械化 2014年5期

王新聰，郭吉坦，潘志毅，白朝陽

（1.大連交通大學土木與安全工程學院，遼寧大連 116028；2.大連理工大學機械工程學院，遼寧大連 116023；3.大連益利亞工程機械有限公司，遼寧大連 116024）

1 引言

塔式起重機（簡稱塔機）配重的作用是使塔機前后平衡，減小塔身所受彎矩，改善塔身受力情況。動臂塔機的配重有固定式和移動式兩種，固定配重是將配重固定在平衡臂的尾部，配重對塔身的后傾彎矩保持不變，塔身承受較大的不平衡彎矩，容易發(fā)生疲勞破壞；移動式配重是通過設置移動配重機構(gòu)，根據(jù)臂架俯仰情況，調(diào)節(jié)配重位置，減小塔身受到的不平衡彎矩。采用移動式配重的塔機塔身截面小，質(zhì)量輕，但是移動式配重機構(gòu)構(gòu)造復雜，往往需要添加輔助動力驅(qū)動，成本較高，而且安裝維護也不方便[1]。現(xiàn)有的采用移動式配重的動臂塔機其配重移動方式主要有鋼絲繩移動配重方式、平行四連桿移動配重方式和動力驅(qū)動移動配重方式[2～4]。

油缸變幅動臂塔機是以液壓油缸為變幅機構(gòu)，采用移動式配重的動臂塔機，是德國JOST公司專為英國市場開發(fā)的產(chǎn)品，目前國內(nèi)還沒有相關(guān)研究。本文以油缸變幅動臂塔機為研究對象，研究了其移動配重的實現(xiàn)方式，給出了配重重量和起重性能的計算方法，并與同級別平頭塔機和固定配重動臂塔機進行了起重性能及塔身彎矩的對比分析。

2 油缸變幅動臂塔機移動配重設計

2.1 機構(gòu) 組成

油缸變幅動臂塔機移動配重機構(gòu)主要是由配重、平衡臂、起重臂和液壓油缸組成。如圖1所示，起重臂和平衡臂相連并鉸接于旋轉(zhuǎn)軸O處，配重懸掛于平衡臂尾部C處，液壓油缸上下鉸點A、B分別鉸接于起重臂和塔身的適當位置。當油缸伸縮帶動起重臂繞旋轉(zhuǎn)軸做俯仰變幅運動時，平衡臂隨起重臂繞旋轉(zhuǎn)軸同步轉(zhuǎn)動，從而帶動配重移動。

圖1 油缸變幅動臂塔機配重移動示意圖

2.2 移動配重力學模型

油缸變幅動臂塔機移動配重的力學模型如圖2所示。

圖2 油缸變幅動臂塔機移動配重力學模型

2.3 移動配重計算

由圖2所示力學模型可得，塔身軸向力N和對回轉(zhuǎn)中心彎矩M的計算如下

塔身為壓彎桿件結(jié)構(gòu)，主要承受軸向壓力和彎矩[5]，塔身橫截面應力

式中φ——軸心受壓穩(wěn)定系數(shù)；

A——塔身截面面積；

W——抗彎截面系數(shù)。

上回轉(zhuǎn)塔式起重機按照塔身受載最小的原則確定配重質(zhì)量[6]。在配重設計時，應使塔身截面應力在塔身受最大前傾彎矩和最大后傾彎矩兩個工況下差值最小。

式中M1——塔身所受最大前傾彎矩，即塔機起吊額定起重量時塔身所受最大彎矩；

M2——塔身所受最大后傾彎矩，即塔機空載

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時臂架位于水平位置塔身所受彎矩；

N1、N2——兩個工況下塔身的軸向壓力；

σs1、σs2——兩個工況下塔身橫截面應力；

Δσ——兩個工況下塔身截面應力的差值。

公式(4)中，N1和N2的差值是定值為額定起重量Q1，所以當M1＝M2時，Δσ的取得最小值，即最大前傾彎矩和最大后傾彎矩大小相等時，塔身截面上應力的差值最小。故可得配重重量計算方法

式中Q1——額定起重量；

Rq1——最大前傾彎矩工況時吊物的幅度；

Rp1、Rz1、Rb1——最大前傾彎矩工況時平衡臂、配重和起重臂的重心位置至回轉(zhuǎn)中心的距離；

Rp2、Rz2、Rb2——最大后傾彎矩工況時平衡臂、配重和起重臂的重心位置至回轉(zhuǎn)中心的距離。

2.4 塔機起重性能曲線

影響塔機起重性能的因素有多種，其中臂架穩(wěn)定性和剛度、受力構(gòu)件的強度和穩(wěn)定性、塔機傾覆穩(wěn)定性是影響塔機起重性能的主要因素[7]，本文僅考慮傾覆穩(wěn)定性決定的起重性能，起重機的抗傾覆穩(wěn)定性是指起重機在自重和外載荷作用下抵抗翻倒的能力。傾覆穩(wěn)定性計算的基本原則是穩(wěn)定力矩大于傾覆力矩[5]。故可得塔機起重性能計算方法。

式中Qr——幅度Rq時的最大起重量。

3 實例分析

以JOST公司的TYP-JTL108.6油缸變幅動臂塔機為例進行計算分析，并與同級別平頭塔機和固定配重動臂塔機進行起重性能及塔身所受彎矩的對比分析。假設3種塔機的最大工作幅度相同，最大工作幅度的起重量相同，起重臂和平衡臂重量相同，臂架和其他受力構(gòu)件的強度和穩(wěn)定性均滿足要求。其塔機的主要參數(shù)見表1。

平頭、固定配重動臂塔機的力學模型如圖3所示。