環(huán)軌起重機整機回轉系統(tǒng)分析研究

（徐工集團工程機械股份有限公司建設機械分公司，江蘇 徐州 221004）

環(huán)軌起重機是一種上車系統(tǒng)運行在環(huán)形軌道上，可實現起升、變幅和回轉的超大型起重設備，在國內尚屬空白。其回轉系統(tǒng)及回轉阻力計算方法在文獻中極少出現，這給環(huán)軌起重機設計造成困難。

環(huán)軌起重機可采用2 種回轉方式：①滑靴回轉方式；②軌道軌輪回轉方式。兩種回轉方式回轉阻力計算方法有所差異，本文主要研究軌道軌輪回轉方式回轉阻力計算方法。通過對環(huán)軌起重機回轉系統(tǒng)分析，提出環(huán)軌起重機回轉阻力計算方案，為環(huán)軌起重機設計提供依據。

1 環(huán)軌起重機簡介

環(huán)軌起重機是由路基箱、軌道、平衡臺車、回轉平臺和上車臂架系統(tǒng)等組成，環(huán)軌起重機整機回轉時，平衡臺車繞回轉中心在圓形軌道上滾動，帶動整機回轉。環(huán)軌起重機回轉系統(tǒng)由軌道、平衡臺車、回轉平臺和液壓系統(tǒng)組成。平衡臺車由前平衡臺車和后平衡臺車組成。整機示意圖如圖1 所示。

2 回轉阻力

圖1 環(huán)軌起重機整機示意圖

環(huán)軌起重機整機回轉時，前平衡臺車與后平衡臺車同時繞環(huán)形軌道中心回轉。整機無論空載狀態(tài)還是吊重狀態(tài)，前后平衡臺車承受載荷均不一樣，其所需驅動力也不一樣，需要兩套液壓系統(tǒng)分別驅動前平衡臺車和后平衡臺車，通過控制系統(tǒng)實現前平衡臺車與后平衡臺車同步回轉。環(huán)軌起重機回轉阻力分析可等效為前平衡臺車和后平衡臺車回轉阻力分析，本文以前平衡臺車回轉阻力為研究對象。

2.1 模型簡化

環(huán)軌起重機前平衡臺車和后平衡臺車回轉采用軌行式運行機構。前平衡臺車主要由多級平衡梁和臺車組成。多級平衡梁用于承受起重機的自重和外載荷，并均分至驅動臺車和從動臺車上。臺車主要由車架、車輪和行走減速機組成。驅動臺車用于驅動相連的平衡臺車并帶動整個環(huán)軌起重機回轉。

環(huán)軌起重機整機回轉簡化為前平衡臺車繞環(huán)軌中心推動回轉平臺和臂架系統(tǒng)運動，后平衡臺車繞軌道中心推動回轉平臺和剩余配重運動。如圖2 和圖3 所示。

圖2 前平衡臺車推動部件

圖3 后平衡臺車推動部件

2.2 前平衡臺車受力分析

環(huán)軌起重機在吊重時，前平衡臺車承受吊重物、臂架系統(tǒng)和部分配重的重量。整機回轉時，相當于前平衡臺車負載吊重物、臂架系統(tǒng)和部分配重的總重量繞環(huán)形軌道中心回轉。前平衡臺車的回轉阻力由滾動阻力、坡道阻力、曲線行駛阻力、水平導向輪附加阻力、風阻力和啟制動慣性力。下述分析以前平衡臺車為研究對象。

環(huán)軌起重機前平衡臺車回轉總阻力F為

式中F——前平衡臺車回轉總阻力；

Fm——前平衡臺車滾動阻力；

Fp——前平衡臺車坡道阻力；

Fq——前平衡臺車曲線行駛阻力；

Fs——前平衡臺車水平導向輪附加阻力；

Fwd——臂架系統(tǒng)風載荷折算至前平衡臺車的阻力；

Fqg——臂架系統(tǒng)啟制動慣性載荷折算至前平衡臺車的阻力。

2.2.1 滾動阻力

平衡臺車采用軌輪在軌道上滾動的方式實現整機回轉。滾動阻力Fm如下

式中p——前平衡臺車正壓力，p=G+Gb+Gm+GL+Gp；

f——滾動摩擦系數；

μ——車輪軸承摩擦系數；

d——車輪軸徑；

D——車輪踏面直徑；

β——附加摩擦阻力系數；

G——吊重物重量；

Gb——臂架重量；

Gm——桅桿重量；

GL——拉板系統(tǒng)重量；

Gp——使用配重量。

2.2.2 坡道阻力

由于環(huán)軌起重機所在地面會存在一定坡度，在整機回轉時，前平衡臺車需要克服由于地面坡度所產生的阻力。坡道阻力Fp

式中a——坡度角；

g——平衡臺車偏角（圖4）。

圖4 g角示意圖

2.2.3 曲線行駛阻力Fq

式中——曲線行駛阻力系數。

2.2.4 水平導向輪附加阻力Fs

驅動臺車和從動臺車豎向采用4 個車輪，橫向采用2 個導向輪（圖5）。臺車豎向輪軸線平行而非向心，即豎向輪瞬時運動方向的法向與圓形軌道徑向方向存在夾角β（圖6）。由于豎向輪瞬時運動方向的法向與圓形軌道徑向方向不一致，臺車在運動過程中，臺車豎向車輪與軌道在徑向方向會存在相對滑動。因豎向車輪與軌道間相對滑動產生的在軌道徑向方向的摩擦力是水平導向輪的正壓力。（注：豎向車輪與軌道在法向方向存在滾動滑動，為簡化計算，此處簡化為豎向車輪與軌道間的靜摩擦滑動。）

式中μ1——鋼鐵之間靜摩擦系數；

μ1——輪子的滾動阻力系數。

圖5 臺車結構

圖6 β角示意圖

2.2.5 風阻力Fwb

環(huán)軌起重機回轉過程中，需要承受整機風載荷。前平衡臺車主要承受主臂、副臂和重物風載。因主臂、副臂和重物風載作用點位置不同，采用力矩平衡原理將臂架系統(tǒng)和重物所受風載荷折算至前平衡臺車位置（圖7）。折算方法如下：

式中Fw1——主臂風載；

Fw2——副臂風載；

Fwg——重物風載；

L1——主臂風載作用點離環(huán)形軌道回轉中心的水平距離；

L2——副臂風載作用點離環(huán)形軌道回轉中心的水平距離；

L3——重物風載作用點離環(huán)形軌道回轉中心的水平距離；

R——環(huán)形軌道回轉半徑。

圖7 前平衡臺車風載折算圖

2.2.6 啟制動慣性力Fqg

折算至前平衡臺車啟制動慣性力

其中，啟制動角加速度

式中h——啟制動角加速度；

Th——回轉一周時間；

ta——啟制動加速時間；

mzb——主臂重量；

mfb——副臂重量；

Q——重物重量；

L4——主臂質心離環(huán)形軌道回轉中心的水平距離（圖8）；

L5——副臂質心離環(huán)形軌道回轉中心的水平距離；

L6——重物質心離環(huán)形軌道回轉中心的水平距離。

圖8 臂架系統(tǒng)質心力臂圖

2.3 驅動裝置計算

由上確定前平衡臺車回轉阻力之后，如何布置合適數量和合適力矩的驅動輪，以驅動整車回轉，成為環(huán)軌起重機回轉系統(tǒng)設計的關鍵點。

在特定工況下，因前臺車采用平衡梁結構，單個驅動輪上正壓力相同，其所提供的最大驅動力矩是定數，需要布置多個驅動輪共同驅動。

驅動輪個數

式中nq——確定驅動輪個數；

n——最少驅動輪個數；

N——前臺車輪子總數量。

單個輪子驅動力矩

式中M——單個輪子驅動力矩；

Mq——單個輪子最小驅動力矩；

Cq——驅動放大系數；

Rr——輪子半徑。

3 結語

本文以環(huán)軌起重機前臺車為研究對象，通過對回轉系統(tǒng)分析，明確了環(huán)軌起重機回轉阻力考慮因素及計算方法，同時確定了驅動輪的布置數量和單個驅動輪的驅動力矩，對環(huán)軌起重機回轉系統(tǒng)設計具有指導意義。