塔機回轉力矩在設計中的控制比較

范開英，沈蘭華，史海紅

（山東豐匯設備技術有限公司，山東 濟南 250000）

塔機回轉力矩在設計中的控制比較

范開英，沈蘭華，史海紅

（山東豐匯設備技術有限公司，山東 濟南 250000）

通過對塔機回轉力矩組成的分析，對比在結構和機構設計時考慮的不同因素，考慮電機在起制動時對結構的沖擊影響，運用電氣調節等措施，提出了一些控制方法，減少塔機的回轉力矩峰值，提高塔機的經濟性和安全性。

塔式起重機；回轉力矩；制動時間

在塔機設計時，回轉力矩的大小與整機性能和環境有關。塔機性能中起升載荷、回轉速度等參數是預先設定的；環境因素的取值如風速，偏擺，效率等是由國家規范統一確定的。回轉力矩對結構設計、電機選取和塔機附著都有很大影響。

塔式起重機設計手冊中對塔機回轉力矩的計算在結構和機構中有著不同的規定。在結構設計計算時，塔機回轉力矩由風阻力矩，慣性阻力矩，偏擺力矩組成[1]。在機構設計計算時，塔機回轉力矩由摩擦阻力矩，慣性阻力矩，坡道阻力矩和風阻力矩組成[2]。在相同的組成部分中，對風阻力矩和慣性阻力矩也有不同的計算參數選擇。二者計算出來的結果沒有必然的大小之分，但設計時可以通過一些控制方法減少塔機的回轉力矩峰值，從而降低塔機起制動時的沖擊載荷，降低對基礎和附著建筑物的要求，提高塔機的適用性和安全性。

1 回轉力矩的結構算法

回轉風載荷主要由起重臂，平衡臂，機構等各段風載荷組成，風載荷按PWII校核。計算各段風載荷，然后求和。在回轉中心兩側的起重臂和平衡臂風載荷方向相同，力矩方向相反。計算時考慮風力系數，擋風折減系數的影響。

起重機回轉起（制）動的水平慣性力，按其各部件質量與該質心的加速度乘積的φ5倍計算。其中可調的參數為加速度，當回轉速度確定時，可調節參數轉化為起（制）動時間。

臂架起重機回轉和變幅機構起（制）動時的總起升質量產生的綜合水平力（包括風力和回轉起制動產生的慣性力），也可以用起升鋼絲繩相對于鉛垂線的偏擺角引起的水平分力來計算。對結構計算選用最大偏擺角計算，通常此值比由風載和水平慣性力計算結果略大。但由于其隨起升載荷的關系簡單明確，更容易實現參數化設計，所以一般用偏擺載荷計算

起重機結構計算時塔機承受的回轉力矩M為

2 回轉力矩的機構算法

塔機一般選擇滾動軸承式回轉支承裝置，摩擦阻力矩按下式計算

起重機回轉平面與水平面成θ角，在回轉時產生坡道阻力矩，按下式計算

起重機機構計算回轉時需要克服的回轉阻力矩T為

3 結構與機構算法比較

對風阻力矩，作用在起重機上的工作狀態正常風載荷按PwI設計計算，且PwI=0.6PwII。機構計算風阻力矩中不考慮起升質量時，公式(8)簡化為

對起重機回轉起（制）動時的總起升質量產生的綜合水平力計算電動機功率時用起重機正常偏擺角計算，此時風阻力矩和慣性阻力矩中即可不考慮起升質量的影響。對起升質量部分，回轉阻力矩修改為

實際上，起升重物回轉慣性力部分為0.25～0.3倍，工作狀態正常風載荷為最大風載荷的0.6倍，兩者相加后系數應該大于0.25～0.3。但電機作為動力元件，規范上推薦其選取力矩小于結構可以承受的載荷是偏安全的。

起重機回轉綜合水平力計算時取φ5=1。同理，機構計算對慣性阻力矩單獨考慮起升質量后，公式（8）簡化為

此時起重機機構計算回轉時需要克服的回轉阻力矩T′為

由公式(13)可知，結構和機構所計算包含項目不同，對應相同項目的取值也不同，但結構分項計算后的數據可直接提供給機構借鑒參考。結構計算中不含摩擦阻力矩和坡道阻力矩，在機構計算中這兩項約占8%～10%[3]，在機構計算時可預修正一個系數進行設計。

4 電機選型對結構的影響

通常情況下，起重機起制動時力矩峰值較大，此峰值與電機功率成正比，也是結構校核的主要依據，是塔機設計的計算控制項。

電機功率選擇要考慮兩種條件。一種根據機構穩定運動的等效靜阻力矩、回轉速度和機構效率計算機構的等效功率。

則電機提供給結構的最大等效回轉阻力矩為

另一種當機構的靜阻力矩較小，將考慮電機平均起升轉矩倍數計算。

則電機提供給結構的最大等效回轉阻力矩為

由此公式對比可以看出，雖然電機選取時風阻力矩減小，但慣性力矩和起升偏擺力矩增加了，且包含了摩擦阻力矩項，增加了幾種不同方法計算結果的不確定性。如不注意控制，則電機輸出的扭矩傳到結構后將超出結構的承載能力。回轉機構設計時應優選力矩電機，這樣能有效地控制電機輸出扭矩滿足設計要求。機構設計時如果不能控制起制動力矩，控制摩擦阻力矩和坡道阻力矩效果不明顯，就應控制起制動時間和制動器的延時時間，以便結構在摩擦和風阻的共同作用下，逐步降低回轉速度，從而降低回轉加速度，減少對結構的影響。

5 實 例

某塔機最大額定起重量50t，對應幅度22m，回轉速度0.3r/min。查表的偏擺角度為αII=2°，起制動時間取5s，分別計算吊載時的結構，機構，穩定運行和電機起制動時的阻力矩，結果如表1所示。

表1 塔機5s制動回轉力矩對比表

通過表1分析，對起升偏擺力矩，機構按風載荷和回轉慣性力校核出來的力矩約為結構校核數據的0.6倍，因此機構選擇電機時按0.3倍選取時會降低對結構的沖擊，對結構有利；當制動時間較短時，電機起制動產生的力矩比結構校核的力矩大，導致結構校核不安全，對塔機來講是嚴重的隱患；電機起制動時的力矩遠大于穩定運行的力矩，這對塔機設計是不合理的。

表2 塔機10s制動回轉力矩對比表

通過表2和表1對比分析，適當延長制動時間，電機需要的扭矩可以大幅減小，卻不會影響塔機穩定運行速度。而且機構，電機引起的起制動力矩都比結構校核的小，塔機比較安全。

當進一步延長制動時間到20s，此時電機穩定等效力矩為62.41tm，電機起制動回轉力矩為68tm，二者效果基本相同。塔機電機按此數據設計比較經濟，結構校核也可以選取二者中較大項進行校核。此時起制動偏擺角將會遠小于2°，非常安全。

6 結 論

本文總結了塔機回轉機構的設計和控制思路，提出了電機功率選取時最經濟安全的方法，降低了回轉的力矩峰值，對降低塔機成本，提高結構安全性有很大意義。

1) 塔機選型時應注意控制起制動力矩，電機及機構制動器的力矩峰值應小于結構校核的力矩最大值，這樣才能保證塔機的安全性。力矩控制的方法有延長制動時間，力矩電機限峰值，調整制動盤摩擦片的間隙等。

2) 回轉電機的選擇影響的是起制動時間，而不是回轉速度。回轉速度與回轉機構的減速比和回轉支承與小齒輪的傳動比有關，與電機扭矩關系很小。

3) 回轉電機選型設計時應兼顧電機穩定等效力矩和電機起制動回轉力矩的平衡性，一般選型時起制動力矩略大于穩定等效力矩，塔機校核時可選起制動力矩進行校核。

4) 對大型塔機起制動時間取10～20s比較合適。如制動時間不能滿足，應提前降速，然后制動，達到控制制動力矩的效果。

[1]GB/T 3811-2008，起重機設計規范[S].

[2]張志文.起重機設計手冊（第一版）[M].北京：中國鐵道出版社，2001.

[3]李鵬舉，韋 清，范開英.大型平頭塔機回轉驅動功率的確定[J].建筑機械化，2015,（5）：25-27.

(編輯 賈澤輝）

Control comparison of tower crane gyroscopic moment design

FAN Kai-ying, SHEN Lan-hua, SHI Hai-hong

TH212;TH213.3

B

1001-1366(2015)09-0030-03

2015-07-09