上回轉(zhuǎn)塔式起重機(jī)平衡重計(jì)算方法

摘" 要：為進(jìn)一步提高上回轉(zhuǎn)塔式起重機(jī)的抗傾覆能力，提高其工作穩(wěn)定性，保證起重機(jī)平衡重設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)性，以更好地滿足操作需求和工作需要，該文分析上回轉(zhuǎn)塔式起重機(jī)平衡重的作用及影響、平衡重計(jì)算方法問題及改進(jìn)，研究上回轉(zhuǎn)塔式起重機(jī)的構(gòu)造，并重點(diǎn)探究科學(xué)的上回轉(zhuǎn)塔式起重機(jī)平衡重計(jì)算方法，以期為相關(guān)工作提供一定幫助。

關(guān)鍵詞：上回轉(zhuǎn)塔式起重機(jī)；平衡臂；平衡重；計(jì)算方法；改進(jìn)方法

中圖分類號：TH213.3" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）04-0144-04

Abstract： In order to further improve the anti-overturning ability of the upper rotary tower crane， improve its working stability， and ensure the accuracy of the crane balance weight design， so as to better meet the operational needs and work needs， this paper analyzes the function and influence of the upper rotary tower crane balance， the problems and improvement of the balance weight calculation method， studies the structure of the upper rotary tower crane， and focuses on the scientific balance weight calculation method of the upper rotary tower crane， with a view to providing some help for related work.

Keywords： upper rotary tower crane; balance arm; balance weight; calculation method; improvement method

塔式起重機(jī)一直在向大型化、超高超長化方向發(fā)展，在實(shí)際工作中，塔式起重機(jī)一般需要通過多種臂長組合滿足相應(yīng)的需求，而每種臂長組合方式都具有不同的起重性能。平衡重的設(shè)計(jì)可以避免塔機(jī)出現(xiàn)傾覆的危險(xiǎn)，保持穩(wěn)定性與安全性。

1" 上回轉(zhuǎn)塔式起重機(jī)平衡重的概念

上回轉(zhuǎn)塔式起重機(jī)是將回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)設(shè)置在塔機(jī)上部的一種塔式起重機(jī)，在工作的過程中塔身不會轉(zhuǎn)動(dòng)，塔身與回轉(zhuǎn)部分存在回轉(zhuǎn)支承裝置，此裝置包括上下2個(gè)部分，它們之間可以進(jìn)行回轉(zhuǎn)[1]。在具體應(yīng)用中，上回轉(zhuǎn)塔式起重機(jī)具有較好的附著力，并且起重能力大，同時(shí)利用頂升裝置升高較高。而且塔身不需要回轉(zhuǎn)，可以加快頂升加節(jié)的速度，保證起重機(jī)應(yīng)用的穩(wěn)定性與安全性。

上回轉(zhuǎn)塔式起重機(jī)平衡重，能夠在機(jī)械設(shè)備工作狀態(tài)中對其產(chǎn)生后傾力矩，能夠有效減輕在設(shè)備運(yùn)行過程中由于吊重所導(dǎo)致的前傾力矩，降低工作壓力。而在設(shè)備非運(yùn)行狀態(tài)下，上回轉(zhuǎn)塔式起重機(jī)平衡重又能夠使得由于風(fēng)力所導(dǎo)致的前傾力矩有所下降，提高起重機(jī)的抗傾斜能力，保持起重機(jī)穩(wěn)定性。根據(jù)起重臂的長度，可自由調(diào)節(jié)平衡重，以維持起重機(jī)安全穩(wěn)定。

在上回轉(zhuǎn)塔式起重機(jī)工作過程中，若平衡重不當(dāng)，無論過輕或過重都容易造成塔機(jī)傾斜甚至完全傾翻問題，引發(fā)安全事故，不僅損壞機(jī)具，還會造成嚴(yán)重的人員傷亡。若平衡重過輕，塔機(jī)的整體穩(wěn)定性勢必下降，不利于維持塔機(jī)平衡；若平衡重過重，則容易使得平衡臂自重加大，塔身的靜剛度因此會受到影響，導(dǎo)致塔機(jī)運(yùn)行或靜止?fàn)顟B(tài)下的后傾覆力矩加大，打破塔機(jī)平衡性，影響其正常運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至引發(fā)安全事故。

2" 上回轉(zhuǎn)塔式起重機(jī)的構(gòu)造

2.1" 塔身

上回轉(zhuǎn)塔式起重機(jī)的頂部存在一個(gè)回轉(zhuǎn)支承，不同型號的塔機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)大致相同，都存在塔身、底架、平衡臂、起重臂和回轉(zhuǎn)塔架系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)。塔身一般由多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)構(gòu)成，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)就是長寬高統(tǒng)一的塔身，能夠進(jìn)行互換，安裝簡單。但是因?yàn)樗聿煌恢盟艿娘L(fēng)力矩、水平拉力矩以及傾斜力矩存在差異，因此拉力也各不相同，因此塔身上的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)下面重、上面輕。塔機(jī)包括4根主弦桿、3個(gè)水平框架，其中主弦桿受到拉力與壓力的影響，它的合成力矩對起重力矩、附加力矩進(jìn)行平衡。上回轉(zhuǎn)塔式起重機(jī)的塔身主要承受彎矩，其次是壓力，因此需要具有一定的剛度與強(qiáng)度。

2.2" 底架

上回轉(zhuǎn)塔式起重機(jī)的底架包括十字底梁、底節(jié)、基礎(chǔ)節(jié)以及撐桿，十字底梁一般是整根梁或是用螺栓連接的2根半梁，在應(yīng)用時(shí)可以提高塔機(jī)的穩(wěn)定性，避免其出現(xiàn)傾翻線外移的情況。十字底梁中心位置是基礎(chǔ)節(jié)，通過螺栓與其連接在一起。底節(jié)通過螺栓和基礎(chǔ)節(jié)連接在一起，撐桿利用無縫鋼管與十字底梁、底節(jié)分別連接。當(dāng)塔身的彎矩傳到底節(jié)時(shí)，撐桿可以分擔(dān)部分力矩，避免底節(jié)傾斜。

2.3" 平衡臂

平衡臂是一個(gè)平面框架，主要由槽鋼、工字鋼以及方鋼管等焊接形成。上回轉(zhuǎn)塔式起重機(jī)具有較長的平衡臂，分為前節(jié)和后節(jié)，通過銷軸連接，平衡臂的根部、尾部分別通過銷軸、平衡拉桿和塔身、塔頂連接在一起，平衡重一般位于平衡臂的尾部，并且起升機(jī)構(gòu)需要在其后面布置[2]。平衡臂一般固定荷載，更加方便計(jì)算，起升機(jī)構(gòu)在應(yīng)用時(shí)會使塔身出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，需要改變平衡臂的結(jié)構(gòu)。

2.4" 起重臂

上回轉(zhuǎn)塔式起重機(jī)的起重臂一般是小車變幅式，由多節(jié)組成，可以通過減少或增加節(jié)的數(shù)量調(diào)節(jié)臂長，不同節(jié)可以利用銷軸進(jìn)行連接。起重臂的橫截面主要是等腰三角形，下弦桿的表面應(yīng)位于相同的水平面上，可以作為運(yùn)行軌道，避免小車運(yùn)行存在較大的沖擊力。在小車移動(dòng)時(shí)，臂架彎矩值會發(fā)生一定變化，同時(shí)由于風(fēng)力側(cè)彎與上回轉(zhuǎn)側(cè)彎的影響，主弦桿承受著較大的壓力，因此小車臂架應(yīng)安全輕質(zhì)，防止塔身的受力被影響。

2.5" 回轉(zhuǎn)塔架系統(tǒng)

上回轉(zhuǎn)塔式起重機(jī)的回轉(zhuǎn)主要利用回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，回轉(zhuǎn)上支座能夠相對于下支座進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。2個(gè)支座之間存在回轉(zhuǎn)支承，可以承受彎矩和壓力，并形成滾動(dòng)摩擦力。上支座與下支座分別與支承的內(nèi)圈和外圈相連，并且回轉(zhuǎn)塔架與塔身連接，存在駕駛室與工作臺。回轉(zhuǎn)塔身的上面與塔頂連接，前面與起重機(jī)連接，后面與平衡臂連接，當(dāng)上支座轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其上所有部件都會同步轉(zhuǎn)動(dòng)。回轉(zhuǎn)塔架系統(tǒng)可以利用塔身與塔頂將平衡力矩與起重力矩傳到上支座，二者的差為不平衡力矩。

2.6" 頂升系統(tǒng)

上回轉(zhuǎn)塔式起重機(jī)的頂升系統(tǒng)包括頂升作業(yè)平臺、頂升套架以及液壓頂升裝置，在頂升加節(jié)工作中可以發(fā)揮巨大作用。自升式塔機(jī)一般都具有頂升加節(jié)的功能，可以適應(yīng)不同高度的作業(yè)情況。一般來說，頂升套架包括內(nèi)套架與外套架2種，外套架應(yīng)用于整體標(biāo)準(zhǔn)節(jié)中，內(nèi)套架應(yīng)用于片式塔身中。外套架內(nèi)部存在16個(gè)滑板或者滾輪，在頂升過程中，滑板或者滾輪能夠沿著主弦桿的外側(cè)進(jìn)行移動(dòng)，從而對塔身進(jìn)行支承。在具體的頂升作業(yè)中，工作人員可以進(jìn)行小車位置的調(diào)整，減小附加力矩，提高作業(yè)的安全性。

3" 上回轉(zhuǎn)塔式起重機(jī)平衡重計(jì)算方法及存在問題

3.1 上回轉(zhuǎn)起重機(jī)平衡重計(jì)算方法

3.1.1" 平衡重確定原則

上回轉(zhuǎn)塔式起重機(jī)的平衡重在應(yīng)用時(shí)可以保持塔機(jī)的平衡，避免出現(xiàn)塔機(jī)傾斜的現(xiàn)象。塔機(jī)平衡重不僅能夠有效保障塔機(jī)平衡穩(wěn)定，還能夠構(gòu)成與設(shè)計(jì)要求相符、與起重力矩方向相反的平衡力矩，因此，在上回轉(zhuǎn)塔式起重機(jī)的設(shè)計(jì)中，平衡重的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，工作人員應(yīng)先根據(jù)JG/T 5037—1993《塔式起重機(jī) 分類》確定基本臂額定起升力矩等內(nèi)容。同時(shí)，GB/T 13752—2011《塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》明確規(guī)定上回轉(zhuǎn)塔式起重機(jī)平衡重應(yīng)根據(jù)塔身承受荷載最小的原則進(jìn)行確定[3]。在確定平衡重時(shí)，工作人員可以在吊鉤沒有承載任何東西、小車處于最小幅度并且從吊臂向平衡臂吹250 Pa風(fēng)載時(shí)向后傾翻力矩與小車在最大幅度處承載最大重量時(shí)超載10%相等。在實(shí)際的計(jì)算過程中，工作人員應(yīng)根據(jù)塔機(jī)的結(jié)構(gòu)和各部件的重量，對平衡重進(jìn)行初步計(jì)算，然后再根據(jù)平衡重的具體應(yīng)用條件，確定最終的計(jì)算公式，提高平衡重計(jì)算的科學(xué)性。工作人員在進(jìn)行平衡重計(jì)算時(shí)，不僅需要考慮塔機(jī)的結(jié)構(gòu)與受力特點(diǎn)，還要確保安裝、拆卸與使用的方便，防止出現(xiàn)意外情況。

3.1.2" 平衡重計(jì)算方法

在計(jì)算時(shí)，工作人員可以根據(jù)塔機(jī)能夠承受的最小力矩，計(jì)算出平衡重的質(zhì)量。在初步計(jì)算時(shí)，工作人員應(yīng)使用下列公式進(jìn)行計(jì)算

式中，M1代表的是小車在最小幅度、吊鉤不吊重時(shí)的力矩，M2代表的是小車在最大幅度、吊鉤吊重最大時(shí)的力矩，Mj代表的是起重臂自重的力矩，Mc代表的是平衡臂的力矩，Mp代表的是平衡重的力矩，Ml代表的是吊重的力矩，Mh代表平衡臂與塔身軸線距離，Mt代表的是小車的力矩，Mr代表的是鋼絲繩的力矩。例如，某上回轉(zhuǎn)起重機(jī)的起重臂長度為65 m，最大吊重為8 t，起重力矩為160 tm，根據(jù)上述的公式進(jìn)行平衡重計(jì)算，可以得到表1中的數(shù)值。在對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)，可以確定這種上回轉(zhuǎn)塔機(jī)在不同幅度的力矩，然后根據(jù)理論數(shù)據(jù)進(jìn)行平衡重組合的調(diào)整。

此外，平衡重在初步設(shè)計(jì)階段形成3種規(guī)格，分別為A1 300 kg、B2 500 kg和C3 000 kg，不同規(guī)格下所得到的平衡重理論值計(jì)算結(jié)果各有不同，且所匹配的不同臂長平衡重組合也各有差異。表2為不同平衡重匹配。

3.2" 計(jì)算方法存在的問題

塔機(jī)平衡重計(jì)算中，常見的方法有2種：①在非運(yùn)行狀態(tài)下，塔機(jī)最小幅度下、250 Pa風(fēng)載環(huán)境下，保持空鉤，吊臂向平衡臂吹的過程中，后傾翻力矩與最大起重量在最大幅度下的超載10%相同；②塔機(jī)的最大起重量在最大幅度下吊110%的最大起重量，載荷突然下墜，在250 Pa風(fēng)載環(huán)境下，吊臂向平衡臂吹的過程中，后傾翻力矩與最大起重量在最大幅度下超載10%相同。第一種計(jì)算方法下，所得到的平衡重雖然與液壓頂升要求相符，但由于其位于塔機(jī)的上部重心前，因此向后傾翻力矩并不能代表最惡劣條件下的后傾翻力矩，因此這種計(jì)算方式下，并不能充分確保塔身載荷為最小。第二種計(jì)算方法雖然能夠保證塔身載荷最小，但當(dāng)塔機(jī)頂升時(shí)，小車位于最小幅度下，上部的重心位于液壓頂升前，也就是吊臂的一側(cè)，會存在前傾問題，不能滿足其在頂升時(shí)的上部平衡調(diào)整需求。

4" 上回轉(zhuǎn)塔式起重機(jī)常見平衡重計(jì)算方法的改進(jìn)方式

觀察塔機(jī)的工作狀態(tài)和全過程運(yùn)行情況，充分考慮其在結(jié)構(gòu)受力條件下，既要滿足安裝和使用需求，又要滿足拆卸需求，探索塔身向平衡臂方向傾斜時(shí)，最惡劣條件為在250 Pa風(fēng)載條件下，吊臂吹向平衡臂，此時(shí)最大起重量最大幅度位置吊110%的最大起重量；以及向吊臂方向傾翻時(shí)，最惡劣條件為在250 Pa風(fēng)載條件下，平衡臂吹向吊臂，此時(shí)最大起重量的最大幅度位置吊110%的最大起重量。按照這種改進(jìn)的計(jì)算方法，計(jì)算上回轉(zhuǎn)塔式起重機(jī)平衡重，還需滿足塔機(jī)架的要求。

4.1" 最終計(jì)算

在實(shí)際的計(jì)算過程中，要想滿足平衡重安裝、拆卸與使用的需求，還需要對相關(guān)的計(jì)算方法進(jìn)行合理的改進(jìn)。由于平衡重在工作的過程中塔身可能會出現(xiàn)向平衡臂或者吊臂方向嚴(yán)重傾斜的情況。當(dāng)250 Pa的風(fēng)載從吊臂向平衡臂吹時(shí)，此時(shí)如果小車處于最大幅度和最大起重量，就會出現(xiàn)塔身向平衡臂傾斜的情況。當(dāng)250 Pa的風(fēng)載從平衡臂向吊臂吹時(shí)，此時(shí)如果小車處于最大幅度和最大起重量，就會出現(xiàn)塔身向吊臂傾斜的情況。

在計(jì)算時(shí)，工作人員可以根據(jù)平衡重確定原則，采取下列公式進(jìn)行計(jì)算

σ前=σ后，

式中，σ前代表的是塔身向吊臂傾斜時(shí)，塔身主肢應(yīng)力，σ后代表的是塔身向平衡臂傾斜式，塔身主肢應(yīng)力。在進(jìn)行塔身結(jié)構(gòu)受力情況分析時(shí)，可以利用G′表示平衡重，G1表示吊重，也就是上回轉(zhuǎn)塔式起重機(jī)的起吊荷載，G2代表吊臂以及吊臂上的變幅機(jī)構(gòu)自重，G3代表前長拉桿自重，G4代表前短拉桿自重，G5代表塔頂自重，G6代表平衡臂及起升機(jī)構(gòu)自重，G7代表后拉桿自重，I代表塔身與平衡重的距離，M前和M后分別為向吊臂傾斜的力矩和向平衡臂傾斜的力矩，A代表塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)截面積。

實(shí)際的平衡重計(jì)算公式為

式中，a代表的是塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主肢的中心距，如果用塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主肢尺寸是B，主肢的外緣和重心的距離是Z，那么塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主肢的中心距計(jì)算公式為

a=B-2×Z。

塔身上部除平衡重之外的自重用G表示，那么G的計(jì)算公式為

G=G2+G3+G4+G5+G6+G7。

同時(shí)，在進(jìn)行傾翻力矩時(shí)，可以用下列的公式計(jì)算

M前=110%×M風(fēng)+M自+M吊具-M平，

M后=M平+0.5×110%×M額+M風(fēng)-M自-M吊具，

M平=G′×I，

式中，M額代表額定起升力矩，M吊具代表吊具力矩，M自代表自重力矩，M風(fēng)代表風(fēng)載產(chǎn)生的彎矩，M平代表平均力距。在實(shí)際的平衡重計(jì)算中，還要滿足塔機(jī)安裝的要求，工作人員可以通過在塔機(jī)頂升時(shí)對小車的位置進(jìn)行改變，從而實(shí)現(xiàn)平衡。在進(jìn)行平衡重的檢查與核驗(yàn)時(shí)，應(yīng)合理分析塔機(jī)頂升中的受力情況。其中，用O'代表塔機(jī)頂升在標(biāo)準(zhǔn)節(jié)上的移動(dòng)位置，Gt代表塔機(jī)安裝時(shí)頂升裝置的質(zhì)量，Gi代表塔機(jī)起重臂位移幅度，xt代表頂升裝置到塔身的距離，G節(jié)代表塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)重量，b代表標(biāo)準(zhǔn)節(jié)和回轉(zhuǎn)中心的距離，x0代表頂升軸心和回轉(zhuǎn)中心的距離。要想實(shí)現(xiàn)起重機(jī)的兩側(cè)平衡，應(yīng)保證MO'=0，在具體計(jì)算中，其公式為

ΣGi×（xt+x0）+G節(jié)×（x0+b）-G×（I-x0）=0。

因此，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)和回轉(zhuǎn)中心的距離b就可以使用上述公式進(jìn)行計(jì)算，但是要想滿足塔機(jī)頂升的要求，就需要b大于塔機(jī)臂架的最小工作幅度，小于其最大工作幅度。此時(shí)，平衡重可以最終由下列公式計(jì)算

G′=（ΣGt×（xt+x0）+G節(jié)×（x0+b）/（I-x0））。

4.2" 平衡重的調(diào)整

在進(jìn)行平衡重的計(jì)算時(shí)，如果按照初步計(jì)算公式計(jì)算出平衡重，還需要結(jié)合頂升配平數(shù)據(jù)以及塔頂荷載進(jìn)行調(diào)整[4]。在上回轉(zhuǎn)塔式起重機(jī)作業(yè)的過程中，其頂升配平對頂升作業(yè)時(shí)的受力情況會產(chǎn)生一定的影響，工作人員可以用M代表頂升點(diǎn)的塔頂力矩，用G代表配平重量，用L代表配平距離，從而獲取頂升配平的相關(guān)數(shù)據(jù)。表3為某上回轉(zhuǎn)起重機(jī)頂升配平數(shù)據(jù)表。

在對配平數(shù)據(jù)表進(jìn)行分析時(shí)，工作人員可以發(fā)現(xiàn)，在配平之前，頂升點(diǎn)的塔頂力矩都是負(fù)數(shù)，也就是說，在頂升過程中，塔機(jī)出現(xiàn)后傾現(xiàn)象，此時(shí)可以進(jìn)行配平。如果在塔機(jī)頂升過程中出現(xiàn)的是正數(shù)，則說明塔機(jī)出現(xiàn)了前傾的現(xiàn)象，在塔機(jī)出現(xiàn)前傾的現(xiàn)象時(shí)，需要對平衡重組合進(jìn)行調(diào)整，增加重量，使其后傾然后再配平[5]。工作人員可以利用吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的方式進(jìn)行配平，因此配平重量中包括小車、吊鉤、1個(gè)或2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的重量。當(dāng)小車處于60、50 m幅度時(shí)，配平的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)為1個(gè)；當(dāng)小車處于40、30 m幅度時(shí)，配平的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)為2個(gè)。

塔機(jī)的塔頂荷載包括垂直荷載、風(fēng)力矩、工況以及非工況下的重力矩、慣性力矩等，在進(jìn)行平衡重的調(diào)整時(shí)，工作人員需要對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)注。非工況重力矩對塔身荷載、支座反力以及塔機(jī)基礎(chǔ)荷載有重要影響，從而影響塔機(jī)的穩(wěn)定性。如果重力矩的數(shù)據(jù)符合要求，不需要進(jìn)行平衡重的調(diào)整，如果重力矩的數(shù)據(jù)與要求相差較大，則需要對平衡重組合進(jìn)行調(diào)整，使其滿足工作需要。

5" 結(jié)束語

總之，在進(jìn)行上回轉(zhuǎn)塔式起重機(jī)的平衡重計(jì)算時(shí)，工作人員應(yīng)對塔機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，然后根據(jù)塔機(jī)的工作原理，明確平衡重的計(jì)算原則與計(jì)算方法，確保平衡重能夠滿足塔機(jī)使用的要求。在進(jìn)行平衡重設(shè)計(jì)時(shí)，工作人員不僅要對平衡重的重量進(jìn)行計(jì)算，還要結(jié)合平衡重的塔頂荷載以及頂升配平，進(jìn)行平衡重的調(diào)整，提升相關(guān)工作的安全性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 姚萃，惠鵬，李攀.上回轉(zhuǎn)塔式起重機(jī)平衡重計(jì)算方法研究[J].建筑機(jī)械化，2022，43（9）：14-16.

[2] 劉士明，桂召健，趙欣.新型移動(dòng)配重動(dòng)臂塔機(jī)平衡臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2022，35（3）：10-13.

[3] 楊佳.塔機(jī)結(jié)構(gòu)類型及其在橋梁施工中的問題與治理[J].工程機(jī)械與維修，2022（1）：68-69.

[4] 左琦.預(yù)應(yīng)力起重臂塔機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及研究[D].濟(jì)南：山東建筑大學(xué)，2020.

[5] 韓波.可展式移動(dòng)平衡重塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2016.