塔式起重機無載荷試重理論模型的驗證與分析

彭 程 方雁衡 鐘其林 劉洪宇 石金平

1 廣東省節能中心 廣州 510040 2 廣東省特種設備檢測研究院順德檢測院 順德 528300 3 東北電力大學 吉林 132012

起重機事故發生率歷年來在各類特種設備事故中占比較高[1，2]，其中塔式起重機的起重量限制器失靈引發的事故時有發生[3]。根據TSG Q7015－2016 《起重機械定期檢驗規則》C5.4的要求，塔式起重機（以下簡稱塔機）需設置起重量限制器，但目前對起重量限制器的檢驗需準備額定起重量為1.05倍的重物，在起重機施工現場難以找到精準要求的重物，使用大體積砝碼又大大增加檢驗成本及檢驗時間。當前，我國塔機在定期檢測過程中，對起重量限制器的檢測主要是驗證其是否被短接，但無法核實其有效性[4]。本文擬提出幾種無載荷試重系統模型，并驗證其安全性。

1 塔機無載荷試重系統模型

塔機的起重量限制器一般安裝在吊臂根部，由主鋼絲繩繞過，對其進行極限質量測試，主要是利用主鋼絲繩的張力來觸發起重量限制器動作[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，以期達到同樣的測試效果。

1.1 系統裝置主體結構

圖1為系統設備連接示意圖，系統裝置主要分3個部分：拉伸裝置（見圖2a，作用是拉伸鋼絲繩，模擬塔機在實際起重時的拉力過程）、固定裝置（見圖2b，作用是保證鋼絲繩固定）和測力裝置，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 系統設備連接示意圖

圖2 系統裝置主體結構示意圖

圖3 施力部分演示圖

圖4 固定部分演示圖

1.2 不同使用環境下的系統模型

由于各施工場地及檢測環境不同，本文利用上述觸發起重量限制器動作原理提出實施模型，以便在不同場景下均能快速、方便、安全地進行無載荷測試。

1）連接方式1

如圖5所示，塔機為小車變幅式，其設置有依次繞經塔帽傳力轉向組件、起重量限制器11傳力轉向組件、載重小車14傳力轉向組件和吊鉤15傳力轉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，通過施力裝置5將拉力傳感器8直接作用于繞經起重量限制器11傳力轉向組件的主起升鋼絲繩4上。本連接方式中塔帽傳力轉向組件為塔帽轉向滑輪12，起重量限制器11、載重小車14和吊鉤15傳力轉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起重量限制器11的檢測，連接拉力傳感器8連接在塔機的平衡臂11端對應的主起升鋼絲繩4上，該段主起升鋼絲繩4位于起重機的鋼絲繩卷筒16與塔帽傳力轉向組件，即本連接方式的塔帽轉向滑輪12之間，其中，鋼絲繩卷筒16安裝在起升機構2上，主起升鋼絲繩4繞經起升機構轉向滑輪3后依次連接至塔帽轉向滑輪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，為便于檢測人員讀取起重量數值，拉力傳感器8連接有能夠顯示起重量數值的記錄儀表，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DJYB-HF的便攜式記錄儀表，起重量測量精度可達到1‰。另外，為了方便在平衡臂1或起重臂13上完成檢測工作，施力裝置5可以為手動葫蘆或電動液壓裝置。

本連接方式中通過外部施加于起重量限制器11的應力而改變滑輪與連接銷軸的中心距，使限制器內部弓板產生上下方向拉伸雙形變，起重量限制器11內部傳感器產生微量的電壓變化，經記錄儀表放大后經高分辨率的A/D轉換器轉換成數字信號；然后數字信號經單片機或微處理器處理后最終在記錄儀表上顯示數值。

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卸扣扣合。

塔機因其主起升鋼絲繩4很長，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上完成對起重量限制器11的檢測工作，連接拉力傳感器8連接在塔機的起重臂13端對應的主起升鋼絲繩4上，該段主起升鋼絲繩位于起重量限制器11的傳力轉向組件與載重小車14的傳力轉向組件之間，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所在位置完成對起重量限制器11的檢測，拉力傳感器8和施力裝置5直接依次連接在吊鉤15上，其余技術內容與連接方式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所在位置完成對起重量限制器11的檢測，連接拉力傳感器8連接在載重小車14的傳力轉向組件與吊鉤15的傳力轉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直接連接在繞經載重小車14一個轉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，吊鉤15設置有動滑輪組，以防止連接方式3中吊鉤15上下活動影響檢測效果，其他的與連接方式3相同。

圖8 連接方式四示意圖

2 對關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械常用的固定部件，已在10 t以上場合廣泛使用[6]，故本文不對此部分開展力學模擬）；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，需進行力學模擬，驗證本模型的可行性，故本文模擬無載荷系統模型在對塔機起重量限制器進行施加外力的過程，通過分析外力加載過程中起重設備的受力情況，驗證模型的可靠性。本文以QTZ100（6012）型塔機為模型。

2.1 起重鋼架網格化模型

實驗模擬塔機起重量限制器無載荷檢測過程，將安裝位置設置在塔機最大起重量幅度處（即幅度2.5～16 m范圍內），并分別施加不同大小拉力進行應力對比分析，分析不同載荷對測量結果的影響。圖9為起重鋼架Ansys分析網格化模型，F為模擬的通過主起升鋼絲繩4對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

由于塔機常規起重量為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。在模擬實驗中，對鋼架前端鋼絲繩承受載荷F分別選取多個數值進行模擬，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力和變形情況。

1）施加F＝1 t載荷作用下的計算結果如圖10、圖11所示。圖中最大變形為0.417 mm，最大變形發生在鋼絲繩受力端；最大應力為11.5 MPa，最大應力發生在鋼絲繩連接處的橫梁處。加載1 t載荷時，主要用于分析在施力過程中對鋼結構總體的變形趨勢以及鋼架應力變化趨勢。對于后續的應力增加作為基礎性參考，應力集中于桁架支撐結構處。

圖10 結構總體變形圖

圖11 鋼架應力

2）施加F＝2 t載荷作用下的計算結果如圖12、圖13所示。最大變形0.833 mm，發生在鋼絲繩受力端；最大應力23.1 MPa，發生在鋼絲繩連接處的橫梁處。加載2 t載荷時，主要模擬針對6 t與8 t，4倍率繞組的塔機測試時的實際情況，鋼結構總體形變程度較小，鋼架應力處于許用應力范圍內。

圖12 結構總體變形圖

圖13 鋼架應力

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

圖14 結構總體變形圖

圖15 鋼架應力

4）施加F＝10 t載荷作用下的計算結果如圖16、圖17所示。圖中最大變形4.16 mm，發生在鋼絲繩受力端；最大應力115 MPa，發生在鋼絲繩連接處的橫梁處。加載10 t載荷時，主要模擬極限情況下，10 t單繩拉力對塔架的影響，以便估算出試驗出現意外故障的突發情況時對整體結構是否存在損傷。經模擬分析，即便是在10 t單繩拉力下，總體形變未超出材料極限，應力情況也在許用應力范圍內。

圖16 結構總體變形圖

經力學模擬分析計算，在1 t、2 t、5 t、10 t的載荷下，該結構鋼絲繩和鋼結構應力均在材料允許范圍內，且起重機起升裝置為多滑輪組的省力模式，常規為4倍率，即額定載荷為10 t的起重機，實際單根主鋼絲繩受力僅為2.5 t，起重量限制器觸發的物力極限為2.5 t，故該無載荷系統模型符合實際使用要求。

圖17 鋼架應力

3 結語

本文提出了一種塔機無載荷試重理論模型，可結合現場環境，實現多種連接形式，便于輔助檢驗。該模型經過力學模擬驗證，不會對起重機部件造成損傷，具備操作安全性。此外，該無載荷的理論方法，也可推廣至其他需要配備標準重物的相關檢測任務，進行更廣泛的使用或技術升級。