大型平頭塔機回轉驅動功率的確定

李鵬舉，韋 清，范開英LI Peng-ju, WEI Qing, FAN Kai-ying（山東豐匯設備技術有限公司，山東 濟南 250200）

Design & Research 設計研究

大型平頭塔機回轉驅動功率的確定

李鵬舉，韋 清，范開英
LI Peng-ju, WEI Qing, FAN Kai-ying
（山東豐匯設備技術有限公司，山東 濟南 250200）

[摘 要]介紹平頭塔式起重機回轉機構的載荷工況，分析各載荷工況下的計算載荷，根據工況及載荷確定回轉阻力矩；比較各載荷工況下的阻力矩大小，并選取驅動功率；通過實例分析不同工況、不同計算載荷對阻力矩大小的影響，及對驅動功率的影響，給設計人員、使用者提供學習和參考。

[關鍵詞]平頭塔式起重機；回轉；功率

1 概 述

平頭塔機沒有塔頭和拉桿，起重臂和平衡臂懸臂布置，構造簡單、受力明確、安拆便捷，具有工作幅度大、互換性好等優點，近幾年來得到了廣泛應用，并朝著大噸位、大型化方向發展。

由于大噸位平頭塔機回轉部分自重較大，塔機回轉時，自身回轉部分及重物沿塔身軸向水平轉動，其回轉驅動功率與尖頭塔機的驅動功率有較大差異。驅動功率太小影響塔機的回轉性能，驅動功率太大又造成部件及資源的浪費，如何選取功率大小十分重要。塔機上部構造簡圖如圖1所示。

圖1 塔機上部構造簡圖

通過對塔機工況及載荷的闡述，計算回轉阻力矩和等效功率，分析各載荷及相關參數等因素對驅動功率的影響，并最終選取合理的回轉驅動功率。

2 工況及載荷

塔機有多個工況及對應的多種載荷，計算不同部件時，各載荷的相關參數選擇也不相同。工作狀態最大計算風壓pII和鋼絲繩最大偏擺角αII用來計算機構、結構的強度及穩定性，工作狀態正常計算風壓pI和鋼絲繩正常偏擺角αI用來計算機構的驅動功率及零件的疲勞強度。

與計算回轉支承的載荷工況略有不同，計算驅動功率時的載荷工況如下：工況A——起重機的靜載試驗工況；工況B——起重機最大額定起重量工況，不計動載系數，承受風壓pI下的風載荷，鋼絲繩偏斜角為αI；工況C——起重機最大幅度工況，不計動載系數，承受風壓pI下的風載荷，鋼絲繩偏斜角為αI；工況D——起重機空鉤最大回轉速度工況。各工況對應的載荷見表1。

表1 各工況對應的載荷

3 回轉阻力矩

對載荷工況A、B、C、D分別計算，求出最大的回轉阻力矩來確定驅動功率。

起重機回轉時需要克服的回轉阻力矩T包括摩擦阻力矩Tm、坡道阻力矩Tp、風阻力矩Tw和慣性阻力矩Tg。

3.1 靜載試驗工況A

1)摩擦阻力矩Tm

滾動軸承式回轉支承裝置在回轉起動時產生的摩擦阻力矩為

其中，μ為當量摩擦系數；D為回轉支承滾道中心圓直徑，ΣF為滾動體法向反力絕對值之和。

靜載試驗工況沒有坡道阻力矩、風阻力矩和慣性阻力矩。

3.2 最大起重量工況B

1)摩擦阻力矩Tm

算法同工況A。

2)坡道阻力矩Tp

由地面坡度、土壤沉降、支腿不平、塔身歪斜等產生的阻力矩為

其中，Gi為起重機回轉部分質量的重力；li為回轉各部分重心到回轉軸線的距離;θ為坡道角度。

3)風阻力矩Tw

風作用在塔機回轉部分和物品上產生的阻力矩為

Twmax=FwQdwQ+FwGdwG(3)

其中，FwQ為物品受的風力；dwQ為物品受風力對應的幅度；FwG為起重機回轉部分受的風力；dwG為風力作用線到起重機回轉中心線的距離。

4)慣性阻力矩Tg

回轉起、制動時，塔機回轉部分和物品產生的阻力矩為

Tg=TgQ+TgG(4)

其中，TgQ為物品的慣性阻力矩；TgG為回轉部分的慣性阻力矩。

3.3 其它工況

最大幅度工況C、最大回轉速度工況D時，回轉阻力矩的計算同工況B。

4 驅動功率

當回轉部分慣性阻力矩較小時，驅動功率按下式計算（算法一）

其中，n為回轉速度；η為傳動效率；TαI為鋼絲繩偏擺產生的扭矩，TaI=FshS=FQStanαI，S為幅度。

當回轉部分靜阻力矩較小，慣性阻力矩較大時，驅動功率按下式計算（算法二）

其中，λAS為電機平均起升轉矩倍數。

在計算阻力矩和驅動功率時，鋼絲繩偏擺阻力矩和物品產生的阻力矩（風阻力矩、慣性阻力矩等）不能同時出現，避免重復計入。

物品產生的風阻力和慣性力等載荷是通過鋼絲繩傳遞給臂架的，所以物品產生的風阻力矩和慣性阻力矩等由物品（包括下垂鋼絲繩）本身產生的阻力矩之和應該等于鋼絲繩偏擺阻力矩。

從阻力矩的計算結果大小看，鋼絲繩偏擺阻力矩比物品產生的阻力矩之和要大得多，所以用鋼絲繩偏擺阻力矩取代物品產生的阻力矩是更安全的，也是比較合適的。

比較公式(5)和(6)兩種算法，驅動功率取其大者。

5 實 例

某塔機最大額定起重量60t，最大幅度70m，其它性能參數如表2所示。

表2 某塔機性能參數表

表3 各工況阻力矩及功率對比表

該塔機最終選取驅動功率之和為40kW，各工況阻力矩及功率對比如表3所示。由表3可得如下結論。

1）相同起動時間時，各工況中，算法二得到的功率比算法一得到的功率大許多，說明平頭塔機靜阻力較小，慣性阻力較大。應按算法二計算平頭塔機的回轉驅動功率。

2）相同起動時間時，按照算法二，工況C和工況D得到的功率比工況B得到的功率大，說明最大幅度工況和空鉤最大回轉速度工況需要更大的驅動功率。

3）適當延長工況C和工況D的起動時間后，慣性阻力矩大幅降低，其所需功率與工況B所需功率相當。此時各阻力矩中，慣性阻力矩和風阻力距最大，風阻力矩約占35%～45%，慣性阻力矩約占50%～55%，坡道阻力矩較小。

通常情況下，塔機回轉機構的起動時間一般為5～10s，根據平頭塔機臂架慣性較大的特點，尤其是大噸位平頭塔機，起動時間取為10～20s更合適。

平頭塔機三大機構（起升、變幅、回轉）驅動功率的特點是：正常使用時需要功率小，個別工況下需要功率大。根據這種特點，建議采用液壓驅動，兼顧三機構的功率需要，使得某機構個別工況下，峰值功率得到有效輸出，比如變幅和回轉共用一套液壓動力，最大幅度工況和空鉤最大回轉速度工況時，變幅需要功率小，而回轉需要功率大，此時功率能夠得到合理分配和充分利用。

6 結 語

1）大噸位平頭塔機，相同起動時間時，最大額定起重量工況需要功率相對小，最大幅度工況和空鉤最大回轉速度工況需要功率大。

2）大噸位平頭塔機的回轉阻力矩中，慣性阻力矩和風阻力距最大，風阻力矩約占35%～45%，慣性阻力矩約占50%～55%。

3）大噸位平頭塔機，回轉機構起動時間取為10～20s更加合適。

4）對于大噸位平頭塔機，建議采用液壓驅動方式，使各工況下三大機構驅動功率得到合理分配和充分利用。

[參考文獻]

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（編輯 賈澤輝）

［中圖分類號］TH212;TH213.3

［文獻標識碼］B

［文章編號］1001-1366(2015)05-0025-03

［收稿日期］2015-03-24

The determination of large flat tower crane slewing drive power