伸縮臂履帶式起重機力矩保護

何喜東，韓曉東，孫 浩，付韻豪，張清珠

（1.浙江三一裝備有限公司，浙江 湖州 313000；2.湖州師范學院工學院，浙江 湖州 313000）

伸縮臂履帶式起重機廣泛應用于各行各業，能夠完成重物轉移的任務[1]。伸縮臂履帶式起重機在工作的時候，由于操作失誤或者超載會發生翻車甚至垮塌。根據分析調查，大部分工作事故都是過載造成[2]。為了保證工況穩定和操作者安全，研發人員開發了許多功能各異的裝置來監測、規避超載情況的發生[3]。現有的技術大多是通過改進力矩限制器來優化監控能力[4]。周建明等[5]發現SCC4000 型履帶起重機上的RCI-8200型力矩限制器使用6 年后，在空載的狀態下都經常顯示過載，大部分時間都只能在安全模式下工作，造成力矩顯示器功能失效，如果更換的話費用達10 多萬元，所以該作者對故障進行了排查維修，但這也需要耗費大量時間和精力。因此，針對以上問題本文運用特殊算法，針對25TB 伸縮臂履帶式起重機在不對裝置進行修改的情況下進行算法計算。在算法適用的情況下，監控變幅油缸力是否超過傾翻載荷來判定是否超載，來達到提前預警的目的，保護了操作者的安全。

1 力矩保護技術路線

力矩保護技術路線如下：①根據傾翻穩定性計算臨界載荷；②根據臨界載荷計算臨界變幅油缸受力；③作業時實時監測變幅油缸力，判斷是否達到傾翻載荷，若超過則提前預警，從而保護操作者和起重機的安全。

2 最大傾覆力的計算

最大傾覆力的計算可分為兩種極限下的算法，分別是不考慮副臂的計算和極限狀態下的計算。

2.1 不考慮副臂算法

不考慮起重機副臂時，在理論的極限狀態下，以第一個支重輪作為傾翻點，對其進行受力分析，如圖1 所示。可以得出相對于臂根點的力矩平衡方程如下。

圖1 不考慮副臂的算法

式中W1——除去臂架和載荷后的車重相對于臂根的力矩，tm；

W2——臂架自重相對于臂根的力矩，tm；

W3——載荷相對于臂根的力矩，tm；

G1——除去臂架和載荷的車重，t；

G2——主臂自重，t；

L——固定值，m；

L3——需要根據實時臂長查表，m；

L4——固定值，m；

L5——固定值，m；

L9——臂長，m；

P——極限傾翻載荷，t；

C——夾角，°；

A——夾角，°。

G1、G2、L、L5為25TB 型號的固定值，已在下文表2 中已經列出。

聯立上式可得極限傾翻載荷P

極限傾翻額定載荷P0

式中FI——臂架折算到臂頭的重量。

對圖1 右側履帶式起重機理論模型對臂架的力矩進行受力分析可得：

式中F——變幅油缸力，t；

L8——油缸力相對于臂根的力臂，m；

L6、L7、D、E見圖1，均為定值，在下文表2 中已列出。

根據式(4)可得，不考慮副臂時的變幅油缸力

根據計算得到油缸長Lo為

2.2 極限狀態下的算法

極限情況如圖2 所示，即起重機的起重臂伸縮到最極限的長度。

還是以第一個支重輪作為傾翻點，進行受力分析，可以得出相對于臂根點的力矩平衡方程如下

式中G3——副臂自重，t；

W3——載荷相對于臂根的力矩，tm；

P——極限傾翻載荷，t。

由式(6)～式(9)可得極限傾翻載荷P

式中：L3需要根據實時臂長查表，m；G1、G2、G3、L、L2為25TB 型號的固定值，已在下文表2 中已經列出。

圖2 極限狀態的計算

取安全系數1.33，計算極限傾翻額定載荷P0

極限狀態下，關于臂架的力矩平衡方程

式中F——變幅油缸力，t，計算變幅油缸力F時，將臂架自重都除1.1，模擬動載沖擊量；

L8——油缸力相對于臂根的力臂，m；

L11——副臂重心到臂根的距離，m。

此處油缸長Lo和L8已在不考慮副臂算法中計算出。

根據式(12)可得，極限狀態下的變幅油缸力

3 實驗數據分析

以極限狀態下的算法為例，其基礎數據與臂架坐標系的數值如表1 所示。

表1 25TB起重機基礎參數

根據上面推導的極限狀態下的算法公式，得到結果如表2 右側所示。表2 中列表的L9可取表1中臂長的不同值，現在以臂長L9為10.9m為例，其余都為測算出來的數值或定值，列表右側為通過計算得到的數值。

將文中提出的新算法應用于25TB 型伸縮臂履帶式起重機，得到的試驗結果如圖3 所示。圖中虛線為原策略，實線為本文所提出的新算法。原策略是通過理論計算得出，在理論計算時應用了一些假設，比如變幅油缸的重量重心是恒定的，臂架不考慮帶載時的變形、沖擊和加速度，為了使設備更加安全，人為地增加了一個安全系數，根據這個安全余量再進行反向推導出載荷。本文提出的新算法無需對整車各個部件進行假設，而是通過實時檢測變幅油缸的壓力來反向推導出載荷，一旦超過提前設定的預警值（通過實驗得出），整機只有向安全的方向運動才有動作，否則所有其它操作被強制鎖定，從而達到安全預警的目的。通過進行實驗發現采用新算法能保證25TB 型伸縮臂履帶式起重機在極限的情況下確實能夠在監控變幅油缸力來判斷是否達到傾翻載荷來提前預警。

表2 計算結果

圖3 結果對比圖

4 總結

本文以25TB 型伸縮臂履帶式起重機為例，為解決起重機超載和工作下易發生事故的難題提出了一種新算法。該方法通過計算傾覆穩定性的臨界載荷，推導出臨界變幅油缸力。再經過理論計算和數據分析，判斷起重機在極限工況下變幅油缸力是否達到傾翻載荷，進行實時監控與提前預警，試驗驗證明這種算法可以實現起重機動態力矩保護。