大型平臂塔式起重機緊繩裝置的研究

李 斌，楊 浩

（沈陽建筑大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110168）

大型平臂塔式起重機緊繩裝置的研究

李 斌，楊 浩

（沈陽建筑大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110168）

大型平臂塔式起重機變幅鋼絲繩直徑及單位長度自重較大，通過人力緊繩非常困難，且緊繩效果不理想。研究用力矩電機驅動的新型緊繩裝置，建立了電機力矩與變幅鋼絲繩懸垂度之間的關系，提出了緊繩裝置各主要組成部分選取的基本原則并給出了相應的計算公式。

平臂塔式起重機；變幅鋼絲繩；緊繩裝置；懸垂度；力矩電機

水平臂小車變幅塔式起重機的變幅牽引鋼絲繩的下垂撓度過大時，將導致變幅小車啟制動與變幅機構不同步，引起變幅小車運動不平穩甚至吊重擺動［1-2］，影響塔機的正常作業，另外也可能在回轉運動時與腳手架產生刮碰，影響塔機的有效作業高度，需要對變幅鋼絲繩進行張緊。

變幅鋼絲繩產生下垂有兩個原因，一是安裝過程中由于張力較大難于張緊，二是在使用一段時間后變幅鋼絲繩自身被拉長。一般中小型塔式起重機幅度不太大，且變幅鋼絲繩直徑也較小，可以采用如圖1所示棘輪帶動張緊卷筒的方式，由人力進行張緊。但是對于大型甚至超大型塔機來說，由于工作幅度較大，變幅鋼絲繩直徑及單位長度自重較大，在懸垂狀態下產生的水平力也較大，使用圖1所示張緊裝置進行人工張緊難度較大，也不容易達到理想效果。為解決此問題，本文研究了適合大型及特大型塔式起重機變幅鋼絲繩緊繩裝置，這種張緊裝置由力矩電機驅動傳動裝置帶動張緊卷筒達到張緊變幅鋼絲繩的目的，利用力矩電機的特性能夠使變幅繩的張緊力在合適的范圍內，從而保證了變幅鋼絲繩的懸垂度在適當的范圍內。

圖1 棘輪緊繩裝置

1 變幅繩張力與懸垂度的關系

本文提及的張緊裝置與運行小車牽引系統的關系如圖2所示，它主要由導向滑輪、起重小車、變幅機構、緊繩裝置及變幅鋼絲繩等5個部分組成，緊繩裝置收緊牽引繩使變幅鋼絲繩張緊。

圖2 變幅鋼絲繩纏繞示意圖

長度較大的鋼絲繩形成的懸垂曲線可以用懸鏈線理論進行描述，對于塔式起重機下垂部分的變幅鋼絲繩都可以視為懸垂線，則圖2中變幅鋼絲繩5的形狀可用懸鏈線加以描述，以其最低點為原點建立平面直角坐標系，如圖3所示，變幅繩可由圖3中曲線AOB表示，其曲線方程為

圖3 變幅鋼絲繩數學模型

式中 ρ——變幅鋼絲繩線密度；

F0——變幅鋼絲繩水平拉力。

變幅繩無外界載荷作用，僅承受自重時，其水平拉力可由拋物線撓度理論近似給出［3］

式中 f——變幅鋼絲繩懸垂度；

L——變幅鋼絲繩兩支撐點間的跨度。

一般情況下變幅鋼絲繩的懸垂度為其跨距的1/30～1/50［4］，過小的懸垂度可能造成變幅鋼絲繩張緊力太大而對臂架產生不利影響。如工作幅度80m，變幅鋼絲繩的線質量為1kg/m，在懸垂度為L/50時鋼絲繩的水平張力將達到5 000N，這類水平力將轉化為起重臂的臂端載荷。

2 緊繩裝置的基本組成

緊繩裝置基本組成如圖4所示，其工作原理為：在變幅機構不工作狀態下，開啟力矩電機，驅動減速器帶動牽引卷筒，收緊牽引鋼絲繩，通過滑輪組驅動變幅鋼絲繩張緊滑輪拉緊變幅鋼絲繩，當變幅鋼絲繩懸垂度滿足要求時，完成緊繩作業，并使棘爪鎖定棘輪防止鋼絲繩回拉。

圖4 緊繩裝置組成示意圖

3 力矩電機的選取原則

為了保證張緊裝置在變幅鋼絲繩上產生合適的張緊力，并且不會出現過度張緊現象，選取力矩電機驅動張緊裝置，并使力矩電機的堵轉力矩值與變幅鋼絲繩的最大張緊力相對應，即當電機達到堵轉力矩時，鋼絲繩也正好達到所需的最大張緊力。這樣可以保證在施工現場進行張緊時不會出現操作上的失誤造成過度張緊現象。因此，需要確定電動機輸出力矩與變幅鋼絲繩張緊力之間的關系，從而可得出變幅鋼絲繩達到合適下撓度時所需的電機力矩，為力矩電機的選取提供理論依據。

3.1 電機力矩與變幅鋼絲繩懸垂度的關系表達式

由于電動機輸出力矩最終與負載保持平衡，設變幅鋼絲繩的最大張力為F，忽略張緊系統滑輪裝置的重量。由圖2可知，緊繩裝置中牽引鋼絲繩的拉力F1為

式中 a——滑輪組倍率；

η1——滑輪組效率；

η2——導向滑輪效率。

設緊繩裝置中卷筒的計算直徑為D，則牽引鋼絲繩的拉力在緊繩卷筒上產生的力矩為

驅動電機需要輸出力矩為

式中 i——減速器的傳動比；

η—— 系統的總效率，η=η1η2η3，其中η3為機構的傳動效率。

由式（1）～（3）可得電機力矩的數學模型

公式（6）表明，電機力矩與卷筒的計算直徑D成正比，與滑輪組的倍率a、減速機傳動比i和系統的總效率η成反比。

由于懸鏈線上任一點水平方向的拉力大小不變［5］，由圖3可知，B點處變幅繩的拉力大小為

對式（1）求導可得曲線上任意一點處斜率為

式中 η——曲線任一點處切線與x軸夾角。

則圖3中B點處的θ值為

由式（2）、（7）、（8）可得

聯立式（6）和（10）可得到電機力矩與變幅鋼絲繩懸垂度之間的關系表達式

3.2 應用MATLAB描述相關變量之間的關系［6］

通常力矩電機的堵轉力矩都是常數，公式（11）求得的電機力矩值應該是電機的堵轉力矩值，在系統的跨度L、最小懸垂度f確定之后通過調整式（11）中的傳動比i、滑輪組倍率a和緊繩卷筒的計算直徑D來使得式（11）兩邊平衡。借助MATLAB軟件繪制出了T2為定值的情況下，傳動比i、滑輪組倍率a和緊繩卷筒的計算直徑D之間的變化關系，如圖5所示。圖5中給出了兩種T2值，即T2a=14kNm和T2b=20kNm兩組參數化曲面，圖中可以看出隨著T2值的升高，張緊裝置中的倍率a、傳動比i和緊繩轉筒計算直徑D所形成的等值參數化曲面的量值都在提高。

對于特定的T2值，不同滑輪組倍率a的情況下，傳動比i、緊繩卷筒的計算直徑D之間的變化如圖6所示。

圖5 兩種T2為定值下a，i和D的關系圖

圖6 T2為定值，不同a時，i和D的關系圖

圖5給出了電機力矩T2與滑輪組倍率a，減速機傳動比i以及卷筒計算直徑D之間的關系，說明了電機力矩與卷筒計算直徑成正比，與滑輪組倍率a及減速機傳動比i成反比。由圖6可知，當電機力矩T為定值時，對于不同張緊滑輪組倍率a，卷筒的計算直徑D隨著傳動比i的增加而增加，在設計上可以運用這一方法確定張緊機構緊繩卷筒的計算直徑D和減速機的傳動比i。

4 結 論

利用懸鏈線理論研究了變幅鋼絲繩的懸垂度與張緊力之間的關系，建立了表達式；采用力矩電機作為變幅繩張緊機構的驅動電機，可以利用電機的堵轉力矩與變幅繩的最大張緊力相對應，正常情況下要求變幅繩的懸垂度為（1/30～1/50）L，在使用中可以把力矩電機的賭轉力矩與L/50的懸垂度相對應，有利于防止鋼絲繩發生過緊狀態。在實際應用中緊繩裝置的收繩速度不宜太快，降低驅動電機的堵轉力矩可以提升傳動比也能夠減小卷筒的計算直徑。

［1］徐世利.塔式起重機變幅緊繩裝置的改進［J］.建筑機械，1997，（7）：6-7.

［2］曲 巖.塔機變幅張緊裝置的改進［J］.機械研究與應用，1999，（6）：52.

［3］鐵道部大橋工程局.懸索橋［M］.北京：科學技術文獻出版社［M］.1996.

［4］顧迪民.工程起重機第二版［M］.北京：中國建材工業出版社，1988.

［5］李春明.水平臂塔式起重機起升鋼絲繩撓度的精確計算［J］.林業科技情報，2011，43（1）：38-39.

［6］王正林，劉 明.精通MATLAB［M］.北京：電子工業出版社，2011.

（編輯 賈澤輝）

Research of wire rope tightening device of big tower crane with the horizontal arm

LI Bin， YANG Hao

TH212；TH213.3

B

1001-1366（2015）08-0042-04

2015-05-15