回轉支承當量載荷對塔機性能的控制分析

沈蘭華，范開英，孟慶琳

（山東豐匯設備技術有限公司，山東 濟南 250000）

塔機起升特性曲線的控制條件有很多，傳統校核以等控制力矩為條件，通過以近端最大額定起升力矩處或遠端最大幅度處為代表性工作狀態計算，為塔機設計出起升性能曲線。隨著對建筑物覆蓋面的需要，同規格塔機越來越注重遠端性能，有些塔機設計時遠端控制力矩大于近端控制力矩。當控制力矩發生變化時，對回轉支承當量載荷的全面校核非常復雜。

回轉支承作為塔機回轉機構的重要組成部分，不僅是功能部件，而且是結構連接的重要安全部件。回轉支承作為上部結構和塔身的過渡配合，與整機的協調性是選型考慮的重要因素。回轉支承不僅要考慮傾覆控制力矩，還要考慮對回轉機構計算的影響，因其自身特點使起重機總設計者無法局部設計修改，只能通過選型校核控制。

樣本對回轉支承校核條件的規定不夠全面，設計人員對回轉支承的校核認識不足，對塔機的安全性是巨大的考驗；對潛力發掘沒有充分的設計依據，對回轉支承的利用率也有待提高。隨著塔機的精細化設計，塔機控制力矩應體現隨幅度變化的細節，才能充分發揮功能模塊的實際性能，這需要精確的計算方法和參數化的手段提高設計的安全性和效率。

1 回轉支承選型樣本的計算條件

回轉支承承載能力曲線有兩種類型。一類為靜態承載曲線，表示回轉支承保持靜止狀態時所能承受的最大載荷；另一類為回轉支承螺栓極限負荷曲線，它是在螺栓夾持長度為螺栓公稱直徑的5倍，預緊力為螺栓屈服極限的70%時確定的。

主機廠可以根據產品樣本所提供的信息，利用靜承載能力曲線圖，按回轉支承的選型計算方法選擇回轉支承。回轉支承選型計算時考慮靜態安全系數fs,軸向載荷Fa，徑向載荷Fr，傾覆力矩M。其中傾覆力矩M和軸向載荷Fa需要計算不同的組合工況。

以大型塔機選用三排滾柱式為例，靜態參照載荷的計算方法為

塔機回轉支承校核示例中只有兩個工況，靜載實驗工況，動載工況。起重機代表工況有兩處，遠端吊載和近端吊載，校核應同時兼顧兩點。

最大工作風壓下的最大工作載荷為

式中 Mk——起重機空載自重力矩；

G0——起重機自重；

Qi——起重機起升載荷。

不計風力，考慮125%試驗負荷的載荷

2 回轉支承實際工況的當量載荷

靜態額定值原則上必須考慮到存在的最大載荷，這個載荷必須包括附加載荷和試驗載荷。起重機實際工況組合比回轉支承選型示例考慮的因素多很多。以塔式起重機為例，計算組合[4]不僅包括有風工作，靜載試驗，還包括暴風組合，裝拆組合，抗后傾覆組合工況等。

上述工作載荷未考慮偏擺的影響，對動臂塔機，履帶起重機等設備，此載荷影響比風載還大，不可忽略。公式（2）應修正為

式中 Mp——起升載荷的偏擺力矩。

對普通塔機而言，雖然在整機設計時考慮了控制停機組合和抗后傾覆組合工況的危險性小于起升動載沖擊的工作組合，但規范中對這些工作條件還是單獨要求。通過大量的設計計算表明，抗后傾覆經常比滿載工作更危險，對回轉支承校核要單獨校核。

最大工作風壓下的停機組合為

突然卸載工況下的工作組合為

對俯仰式臂架起重機，暴風如果臂架不能采取有效避風措施，則校核回轉支承時的組合為

式中 n——暴風風壓與工作風壓之比。

回轉支承計算體系與起重機計算體系不統一，應建立必要的聯系和判別條件加以控制。綜合上述可能發生各種狀態的當量載荷，選取最不利的工況組合，才能全面校核回轉支承的安全性和利用率。

3 回轉支承控制力矩

回轉支承限制條件中的控制力矩與上部垂直載荷有直接關系，與幅度無直接關聯。但臂架式起重機的起升性能是隨幅度變化而變化的，上部載荷的大小隨幅度也跟著變化，即控制力矩與幅度有間接關系。回轉支承在不同的上部載荷下，力矩承載能力也在變化，成正比關系；但對塔機幅度變化卻成反斜線關系，即幅度越大，當量載荷的中的垂直力越小，控制力矩越小。

對回轉支承第一階段由螺栓群計算控制，塔機校核通常也在這一線段范圍內。這條折線可近似為一條一次方程，通過插值計算求參數，將此控制力矩作為一條額定起重量的曲線可解出一個函數。引入載荷組合系數k表達在不同組合工況，如滿載工況，125%靜載試驗，以及抗后傾覆反彈的通用公式。

取自重為參數，起升固定載荷部分（含吊鉤組，鋼絲繩等）與相應幅度額定起重量之和與對應幅度的乘積為起重臂設計的控制力矩，引入通用載荷參數MQ表達不同組合中偏擺，工作風載力矩或暴風力矩的影響。該起重力矩可得出一個與幅度相關的曲線

聯立公式（8）和（9）二方程，解得性能曲線的方程為

可得出受回轉支承限制的起升控制力矩與幅度的關系表達式

其中公式（10）作為起升性能曲線校核的通用精確表達式使用，公式（11）即充分發揮回轉支承性能時塔機傾覆控制力矩的通用精確表達式。

4 實 例

以某平頭1280塔機為例，最大額定起重量64t，對應幅度20m，頭部集中載荷6.3t，對回轉支承工作風載力矩22.5tm，上部非載荷部分自重為196t,空載力矩762tm。

對上述六種工況進行分析，平頭塔機偏擺和暴風在回轉支承部位影響很小，計算時本塔機遠端力矩也小于近端，未單獨羅列。主要計算結果如表1所示。

表1 回轉支承當量載荷計算表

工況1為工作載荷組合，工況2為125%靜載試驗載荷組合，工況3為突然卸載組合，工況4為空載組合。通過比較可以看出，空載組合不一定比工作組合當量載荷小；設計不周時，突然卸載也有可能比125%靜載試驗力矩大。對其他類型的起重機，更應該全面考慮。

對回轉支承取等控制力矩，得出控制條件為

由此條件的起升曲線方程為

分析可得，靜載試驗工況為最危險的載荷組合。查回轉支承性能曲線，插值公式（8）計算得

Mi=800+(196+1.25Qi)=996+1.25Qi

聯立公式（10）解得回轉支承控制的起升曲線方程為

二者比較如圖1所示。

圖1 不同控制條件下的起升特性曲線

下方曲線為等起重控制力矩確定的起升曲線，上方為回轉支承控制的起升曲線。從曲線上比較分析，對回轉支承的利用率還可以進一步提升，起升性能還有較大的提升空間。精確計算為起重機參數設計提供了可行方案，可充分發揮潛力，提升起重機性能。

5 結 論

1）回轉支承作為系列化標準件，設計人員只能通過選型校核。傾覆控制力矩校核完成后，還應通過軸向力、徑向力還有傾覆力矩校核回轉控制力矩，要對回轉機構的最大輸入扭矩對嚙合大齒輪的影響進行校核，全部通過之后完成選型。

2）為提升參數化設計效率，應將樣本回轉支承當量載荷性能轉化為參數表達式，供起重機起重性能曲線設計使用，一般表達式可用線性代數式表達，精度不滿足要求時可分段表達。

3）回轉支承當量載荷校核條件很多，除樣本示例計算滿載工作和125%實驗工況外，對空載、暴風、突然卸載以及起重機可能發生的特殊工況也應校核，盡量避免后傾力矩大于前傾力矩的情況，避免未校核工況大于校核工況狀態的發生。

4）起升特性曲線由起重機所有部件校核的最苛刻條件決定，在提升時應考慮回轉支承的控制條件。回轉支承限制的起升特性曲線提升空間可以借鑒本文提供的計算方法精確校核。通過回轉支承性能精確表達式的計算，對回轉支承的安全余量有了更明確的結論，對起重機的精細化和參數化設計提供了理論依據。 O

[1] 曲振波．關于塔機平衡重與起升特性確定方法的研究[J]．建設機械技術與管理，1999，(5)：21-22.

[2] 李鵬舉，韋 清，范開英．大型平頭塔機回轉驅動功率的確定[J]．建筑機械化，2015，(5)：25-27.

[3] 張志文．《起重機設計手冊》（第一版）[M].北京：中國鐵道出版社，2001：138-141.

[4] GB/T 3811-2008，起重機設計規范 [S].