建筑工程塔吊傾斜自動修正裝置設計研究

張先源 靳鵬偉 彭瑞瑩 田偉偉

（湖南科技學院 土木工程與建管理系，湖南 永州 425199）

0 引言

塔吊又名塔式起重機，是現代工業與民用建筑的主要施工機械之一塔吊上端分為三個部分：平衡臂、起重臂、塔頂。塔頂與兩臂連接后再在塔頂上端分別與兩臂裝上拉桿。拉桿能夠使臂穩定不下落，其次吊東西就是利用杠桿的原理，只要兩臂受力平衡就不會吊翻塔吊。當小車走的越遠則塔吊吊的東西越輕，越近越重，此外，在升高 30米后，每升幾節標準節就會裝附墻，固定在建筑物上。塔吊危險性高，如何實時監測塔吊傾斜狀態是很多建筑施工單位重點關注的技術改造內容。塔吊的設計、安裝、維修和嚴格的使用管理機制對于塔吊的安全至關重要。就算管理規范、嚴格操作，但由于塔吊安全監測場地的特殊性和復雜性，有時候還是會因為塔吊日曬風吹等因素，造成一些意外事故，從而造成傷亡。此外工地一旦出現塔吊倒塌事故，整個工地將會停工，這不僅嚴重影響工地的施工進度，而且影響整個項目的收益。因此，為了減少傷亡，最大限度提高項目的收益，避免塔吊倒塌事故的發生就變得尤為重要。

1 設計構思

就全國而言，對于塔吊傾斜的檢測設備還處于設計階段，目前還沒有應用到實際去。對于塔吊傾斜度檢測設備的設計，國外發達國家如美國、走在我國前面，例如：法國Potain公司生產的動臂式自升塔吊和汽車式快升塔吊，這兩種塔吊也沒有傾斜自動修正的功能。當然，我國也是后起之秀，目前，已經了塔吊有檢測設備應用的實例了，如：塔吊傾斜報警器等。但是他們致力于研究智能的報警裝置，并沒有研究能夠修正塔吊的裝置，不能從根本上解決塔吊傾斜問題。所以，應從這兩個方面下功夫。

塔吊事故發生的原因主要有以下幾種[1]：1、起升機構制動力矩不足，導致吊物快速下落，吊物觸底后，塔吊前傾力矩瞬間釋放塔吊整體平衡遭到破壞，起重臂在向上力的作用下反彈，產生一個力矩，導致塔身基礎節與標準節之間的連接螺栓拉斷從而造成安全事故。2、由于塔機的塔身過高，長細比太大，倘若此時塔機重物傾斜，或者其他額外的荷載，例如突起的大風給塔機造成了一個橫向剪切力，失去附著裝置的塔機的平衡性大大折扣，對付傾覆橫向力的能力也大打折扣，大風變成陣風對塔機不斷的進行搖晃，導致塔機的重心嚴重的偏移，以至于塔機倒塌。3、塔吊本身的質量問題。4、操作不當。

綜合以上原因，塔吊主要的原因就是力臂傾斜，導致塔身重心嚴重偏移，從而使吊塔收到過大的偏心力而搖搖欲墜。塔吊是建筑起重機械設備中技術含量較高的設備,從安裝、使用到拆卸整個過程基本上是高空作業,本身就有一定的危險性,只有專業的管理人員、技術人員和操作人員嚴格按照有關的規定操作才能保證塔吊的安全和正常的運行但是，僅僅從操作規范上去根本的解除安全隱患時不切實際的。

本文擬設計一個能檢測并修正塔吊的設備，實現自動修正功能，以減少工程事故的發生，保證工程進度和收益。

2 塔吊報警裝置的設計

目前，我國還沒有出現塔吊自動傾斜自動修正裝置，本設計通過紅外線感應技術測量塔吊的傾斜程度，將信號傳給塔吊頂部的自動修正系統，在系統計算之后，有傳動裝置拉動平衡裝置修正塔吊的傾斜度，從而達到修正塔吊傾斜的目的。現表述如下：

1）當紅外線激光檢測到塔吊的傾斜度超過一定值后，馬上把信號傳給塔吊修正系統，修正系統通過預先編好的程序，計算出平衡裝置修要移動的距離，然后由電動機帶動塔吊大臂上的平衡木移動到修正系統計算好的位置即可。

2）當一次修正完成之后，平衡木將會停在修正完成時的位置，如果這次修正沒有達到塔吊傾斜的允許值，那么紅外線激光將會再次發送信號給修正系統。

周而復始，直到塔吊恢復正常的工作狀態。當然，如果一天的工作結束之后，塔吊大臂上的平衡木就會回到一開始的位置，使塔吊處于垂直狀態。

3）設置報警裝置塔吊都有自己的工作極限，往往安全事故很大一部分就是鋼管疲勞，損耗，抗彎能力和抗剪能力大大下降。而在工作時又加上超負荷工作和人員操作不當大大縮短了塔吊的使用壽命，而且還存在很大的安全隱患。此時很有可能在鋼管的薄弱處或受力最大處發生斷裂。因此，結合鋼管的最大撓度，承載力和廠家提供的數據資料，可以推算出鋼管的最大變形范圍。在鋼管下面安裝一個紅外檢測報警裝置。針對塔吊傾斜測量的特殊性：響應速度快，測量精度高以確保塔吊在工作時，其傾斜角度必須在安全范圍內，一旦超出極限值，測量儀必須以最快速度報告現場操作員和監控中心。為此采用三軸加速度測量方法獲取兩軸傾斜角度。其中傾斜角度可按如下計算公式計算【2,3】：

當用單軸測量穩定性較難處理，為獲取較好的測量效果，采用兩軸測量加速度獲取傾斜角度，基本原理與前類似，計算公式為【2,3】：

顯然同時要獲取x，y軸兩個方向的傾斜度角度只需同時測量3個方向的加速度即可，計算模型如下式所示【4】：

為快速準確獲取塔吊工作中的傾斜狀態，本設計采用2套三軸加速傳感器測量芯片，快速分析、計算得到結果。

3 塔吊自動修正裝置的設計

3.1 整體結構設計及功能說明

下圖為塔吊實物簡化的正立面圖。它高為20m，工作半徑大約為直徑24m。它包括塔身、平衡臂、起重臂、駕駛室等部分構成。

在工作過程中，由于起重臂的重量過大或者啟動瞬間產生的啟動力而導致整個塔吊傾斜、搖擺等現象，現將塔吊的受力情況分別講述：

先考慮滿載時的情形，以塔吊整體為研究對象，要保證機身滿載是平衡而不向右傾倒則必須：

再考慮空載時的情形，這時W=0.要保證機身空載時平衡而不向左傾倒，則必須滿足平衡方程【4】：

將塔吊的制動臂單獨分析，又有如下圖：

對于上圖由理論力學公式【4】有：

如果將塔吊起重臂上起重的重物簡化成一個集中力，平衡木簡化成另外一個力，平衡臂上的平衡重物簡化成一個力，那么，整個塔吊就可以簡化成為一個杠桿。

由杠桿原理的平衡條件【4】有：

這樣系統就可以自動計算出平衡木需要移動的距離X和方向，從而實現塔吊的自動修復。

下圖為塔吊的剖面圖。它反映塔吊和整個修正裝置的位置關系。

3.2 設備選擇

制作本套裝置不需要設計新的機械，只要把激光檢測設備、電腦計算系統、電動機、調節平衡木、激光測距儀按照設計圖紙組裝在塔吊上即可。但設計需要的這幾項儀器都比較貴，所以造價較高。

4 傳動設計及工作流程

4.1 傳動設計

塔吊平衡臂在工作時，會出現不可避免的往重的一側傾斜。重心就會往外側偏移。偏移越多，塔身的傾斜度就會越大。往往這種重心偏移會使得平衡臂與塔身的節點處彎矩迅速增大，很容易造成鋼管薄弱處發生斷裂，從而易導致事故的發生。塔吊的工作安全性就降低了許多。此時紅外線檢測裝置檢測到一個角度，并且迅速及時的傳送到修正裝置處理中心，修正裝置就是實時的計算出平衡裝置的調節距離，通過電動機拉動平衡木移動到修正位置，塔吊就會在平衡木的力的作用下逐漸的恢復平衡。重心往左邊偏移。平衡木的運動距離是根據塔吊的最大荷載和空載的情況計算得到的，所以進一步保證了塔吊的安全性。在工作過程中，我們可以將最大傾斜角設置的稍小一點，這樣，就預留了充足的調整時間。像這種動態的實時調節能夠很好的預防塔吊過度的傾斜，緩解工作人員的心理壓力。

4.2 工作流程

下圖描述了塔吊修正系統的整個工作流程。

5 設計總結

在我們對課題做了詳細的計劃后，我們團隊積極行動，通過各種渠道收集資料，利用假期到塔吊生產公司進行學習；經過我們的精心準備，根據上述設計思路和圖紙，用木材制作一個模型進行試驗；取得了我們預期試驗效果。通過這一次的課題，從開題、中途學習和收集資料、到制作模型進行試驗，在一次又一次的失敗中，我們團隊不僅沒有放棄，而是摸索與探究越挫越勇，最后我們完成了我們的課題。

[1]課程教材研究所.物理[M].北京:人民教育出版社,2007,(9).

[2]劉平.材料力學[M].武漢:武漢理工大學出版社,2007,(8).

[3]李廉琨,結構力學[M].北京:高等教育出版社,2011,(11).

[4]周衍柏,理論力學[M].北京:高等教育出版社,2005,(10).