動臂式教學專用塔式起重機設計研究

劉承桓，魯衛濤,2，陳贛平，尹如法，崔新亮

(1.中國建筑科學研究院有限公司 建筑機械化研究分院，河北 廊坊 065000；2.中國建設教育協會，北京 010000；3.廊坊凱博建設機械科技有限公司，河北 廊坊 065000)

目前大部分持有建筑起重機械司機（塔機）特種作業證的人員并沒有系統的接受過動臂式塔機實操培訓，工地上動臂式塔機司機都是先學會平臂式塔機操作考取建筑起重機械司機（塔機）特種作業證后進入工地跟隨師傅以邊工作邊學習的方式學習動臂式塔機操作，屬于自學成才。究其原因，主要是實操培訓裝備的缺乏特別是專業化的動臂式塔機實操培訓裝備的缺乏。為此，本文對動臂式教學專用塔機進行了研究設計。

1 設計目標

為滿足動臂式塔司培訓，開發一種動臂式塔司實操考訓專用的小型塔機，功能上實現如下目標。

1）塔機可允許多名學員一起登塔觀摩，體驗高空感，教練在副駕駛座椅就座一對一指導學員操作，進行互動教學、實操指導、監督實操考試或處理突發事件。

2）便于轉場運輸和快速架設，使用預制裝配壓塊式塔機基礎，設計快拆快裝系統，方便安拆。

3）能夠根據教學目標開展較多的培訓科目，開展動臂式塔機操作技術實操培訓。

4）安全冗余較大，容錯性強，裝配安全監控系統，具有故障預警、報警、停止危險動作并自動糾錯、自動結束危險狀態、自動歸位等功能。

5）能夠無死角記錄學員的實操培訓與考試情況，考訓全過程視頻可回溯，方便教練點評和指導，提高考試透明性。

6）主要技術參數如下。

最大工作幅度（m） 16

最大幅度額定起重量（kg） 400

最大額定起重量（kg） 1 000

最大起升高度（m） 29.5

容員量（人） 10

2 研究思路

基于裝配式建筑對吊裝作業的新要求分析塔機操作、司索信號作業、高處施工作業的特點，根據塔機特種作業培訓的現狀，結合培訓機構的實際需求和動臂式塔機的技術特征，以實現動臂式塔機主要操作功能，再現施工現場動臂式塔機吊裝作業、實施場景教學和實現人機互動為功能目標，明確了技術路線和研究思路，確定了整體技術方案，在保證主要結構、駕駛室、安全防護部件設置齊全的前提下，弱化或去除非關鍵功能部件，最終方案是將動臂式教學專用塔機設計成固定安裝高度，不帶爬升加節系統的微小型塔機，最后完成動臂式教學專用塔機的設計、樣機的試制及檢測，產品設計過程中重點對如下內容進行了研究（圖1）：①關鍵結構設計計算；②總體結構布局與關鍵結構形式；③結構安全性；④結構小型化；⑤試驗裝置設計和樣機性能測試方案。

圖1 動臂式教學專用塔機

3 創新點

3.1 結構優化

動臂式教學專用塔機設計時減小了標準節、起重臂和尾部A 字架等結構的截面尺寸，重點體現動臂式塔機起升、變幅、回轉等三大機構及主要操作功能，保持與普通施工用動臂式塔機操作體驗的一致性。將人員爬梯設置在塔身外部，以適應小截面塔身，其次，由于目標塔機主要用于操作實訓，不包含安裝拆卸培訓，因此可以去除爬升功能。

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3.2 駕駛室與平臺布局

設計了超大駕駛室（圖2），設置了操作位和教練位雙座椅布局，駕駛室后部設計了學員交流觀摩學習區，教練和學員同時就座，觀察視角一致，當學員誤操作或發生緊急情況，教練可按下急停裝置，制止危險發生，保證人機安全。

機架兩側均設置平臺（圖3）有較強的承載能力，通過性好，學員在平臺上可接近起升機構和變幅機構，學習觀察機構的構造及運行情況。平臺在機架左側互相聯通。學員在前后臂平臺之間通行方便。駕駛室的安裝后門學員可以從后部平臺的高空體驗區平臺進入駕駛室。起重臂左側設置延伸到起重臂端部的走臺，學員可接近觀察鋼絲繩的穿繞方法和起重量限制器的安裝。

圖2 動臂式教學專用塔機駕駛室

圖3 機架兩側平臺

3.3 安全設計

教學塔機為長期使用專用設備，安全是動臂式教學專用塔機研究開發的核心，需要結構有更大的安全冗余，更高的結構強度和整機的抗傾翻穩定性。根據教學塔機實際工作情況按照國家標準GB/T 3811-2008《起重機設計規范》的要求，教學塔機的起升動載載荷系數應選取為2.0。

動臂式教學專用塔機安全監控系統使用角度傳感器、和起重量傳感器和回轉傳感器等實時采集監測數據，將關鍵數據參數實時顯示在監控系統的屏幕上，監控系統能夠禁止超載等危險操作或違規行為并報警，監控系統主顯示界面采用與塔機特性曲線相同的圖形顯示，有助于學員加深對動臂式塔機特性曲線的理解與應用，有利于學員理解塔機安全操作規程。

在塔機安全監控系統的保護及配合下，可開展動臂式塔機安全教學，能夠現場演示起重量限制器、力矩限制器等安全裝置的作用原理和調整方法，有利于學員理解安全裝置對塔機工作能力的影響等。

動臂式教學專用塔機安裝的視頻監控，可全程記錄學員的考訓過程，教學考訓視頻還可以遠程傳輸，可在地面監視教學考訓情況，考訓可全程回溯，保證了學員實操考評的公開公正，避免了學員實操考試過程中作弊或考試糾紛現象的發生。

3.4 預制裝配基礎

為實現快拆快裝方便轉場移動，塔機的安裝固定方式采用帶斜撐桿的壓重式十字梁底架預制裝配基礎，使塔機可以安裝在未經硬化處理的地面上（圖4）。

圖4 預制裝配基礎

4 設計計算

動臂式教學專用塔機采用了簡化自由度的數值計算法和動載系數法進行設計計算，建立了動臂式教學型塔機的簡化計算模型并進行了靜力學、運動學、動力學分析，設計計算執行標準GB/T13752-92《塔式起重機設計規范》、GB/T5031-2008《塔式起重機》、GB5144-2006《塔式起重機安全規程》。

穩定性驗算包括：工況Ⅰ：基本穩定性，工況Ⅱ：動態穩定性，工況Ⅲ：暴風侵襲，工況Ⅳ：突然卸載，工況Ⅴ：安裝、拆卸。

起穩定作用的力矩符號為正，起傾覆作用的力矩符號為負。經過驗算抗傾翻穩定性和結構強度滿足要求。

5 安裝調試與檢測

5.1 安裝調試

動臂式教學專用塔機由外協生產廠家完成樣機的生產試制，并在教學型塔機示范基地進行了安裝調試。

5.2 檢測

經委托，由中國建筑科學研究院有限公司建筑機械化研究分院中心試驗室依據國家標準GB/T 5031-2008《塔式起重機》對樣機進行了結構應力測試和性能測試。整機性能測試結果表明整機性能參數全面達到了合同書上的性能參數要求。

6 結語

本文對動臂式教學專用塔機進行了設計研究，在依據相關國家標準的基礎上，結合塔機教學考訓要求進行了分析研究，確定了最終方案，經過反復改進與試驗，確保了產品的性能及使用要求。通過專業機構檢測和示范基地的應用驗證，各項性能指標良好，達到了預期的目標。解決了國內缺乏動臂式塔機實操培訓裝備的難題，對引領建筑塔機培訓行業完成實操教學轉型，促進塔機司機特種作業人員實操技能水平具有創新意義。