動臂塔式起重機臂架防傾翻裝置設計計算

才 冰，賀 全，史 勇

（撫順永茂建筑機械有限公司，遼寧 撫順 113126)

動臂式塔式起重機是通過臂架的俯仰動作來實現變幅作業的。變幅系統是由動滑輪組、變幅拉繩系統組成。防傾翻裝置的設計是動臂式塔機設計的重要部分（如圖1所示），設計的合理與否直接關系著塔機的安全性能，所以必須對防傾翻進行合理設計，提高整機的穩定性，保證動臂塔機的安全使用。

圖1 動臂塔機臂架防傾翻裝置

1 防傾翻裝置的種類

1.1 剛性撐桿式防后傾裝置

剛性撐桿防傾翻裝置是在臂架與塔頭前撐桿之間設置的一個強度足夠的剛性撐桿，在臂架達到一定角度時，以機械限位的形式限制臂架后傾，是最直接有效的防傾翻方式。但當塔頭、防傾桿和臂架三者頂在一起時，會使臂架產生沖擊和震蕩，防后傾作用效果不佳。

1.2 彈簧式防后傾裝置

目前，彈簧式撐桿分為前置撐桿（圖2）和后置撐桿（圖3），動臂式塔機大部分采用的是彈簧式后置撐桿防傾翻裝置，布置在塔頭和臂架之間，臂架上弦或下弦設計接觸點，當臂架達到最大仰角時，防傾翻撐桿與臂架接觸，彈簧受壓后吸收臂架的動能，并且還要釋放出來，這樣起到緩沖的作用，延長臂架穩定周期。前置防傾桿與彈簧緩沖器的四連桿機構牽變幅架下弦。其優點是防后傾與塔頭撐桿無關，且與臂架始終不分離，Potain的MR150，國內則有FL25/30、STL203等均采用過。

圖2 彈簧式前置撐桿示意圖

圖3 彈簧式后置撐桿示意圖

1.3 液壓緩沖式防后傾裝置

液壓緩沖式防后傾裝置，是靠液壓腔內的活塞運動實現緩沖作用，通過回路中阻尼孔控制，吸收臂架的動能。此種形式可以很好地解決銹蝕卡滯潤滑問題，而且與機械彈簧相比，還具有良好的吸收沖擊的緩沖作用，消除碰撞后的結構振動。缺點是成本較高。

2 防傾翻裝置作用

動臂塔機配置防傾翻裝置有2個主要作用：其一是臂架在小幅度（79°～85°）工作時，由于臂架和吊鉤前傾力矩已經很小，此時臂架的變幅拉繩系統又會給臂架一個后傾的力矩，防傾翻裝置則會給臂架一個向前的力，保證臂架小幅度時順利向前下放，并保持變幅處于一定的張緊狀態；其二是最小工作幅度限位及緩沖作用。凡是用鋼絲繩變幅的動臂塔機都加裝了臂架防傾翻裝置。

3 防后傾裝置的設計計算

防傾翻裝置的設計計算包括靜態、動態、彈簧的選擇，防后傾撐桿和彈簧套筒的受壓穩定性。除此以外，還應驗算防傾翻裝置對塔頭、臂架的作用。本文主要介紹防傾翻裝置的動態計算。

3.1 防傾翻裝置動態計算

計算工況：臂架受到前吹風，吊重突然卸載脫落，此狀態臂架仰角一般大于60°，因為此時前吹風較大，臂架重心與臂根鉸點距離rc.cosα很小，如圖4所示，虛線為后傾位置。

圖中G——臂架重力；

FH——重物脫落時臂架受到的后傾沖擊力；

FG——臂架質量受FH產生的加速度形成的向上作用力；

FA——防后傾裝置對臂架的沖擊反力，其中包括前吹風作用；

Fw——臂架受到的風力；

hw——Fw至O點的垂直距離；

圖4 防傾翻裝置計算簡圖

hA——防傾翻裝置至O點距離；

hc——受FH作用后的重心升高距離；

rc——臂架重心至O點直線距離；

α——臂架沖擊前的仰角；

α′——臂架沖擊后的仰角。

動力系數φ3按式(1）計算，計算得φ3=-1.0

式中φ3——突然卸載動力系數；

ΔmH——在空中突然卸除的部分起升載荷質量，kg；

mH——起升載荷質量，kg；

β3——系數，對電磁盤或類似的快速卸載裝置，β3=1.0。

突然卸載部分起升載荷FH按式(2)計算

與防傾翻裝置碰撞前速度v按式(3)計算

動能T按式(4）計算

式中，由圖4可得hc=rc(sinα′-sinα)

碰撞后的位能U按式(5)計算

式中dH——臂架受沖擊作用時的變形；

dc——臂架受靜載荷G時的變形。

因為T=U，且彈性參數恒等

解此方程，可得

設沖擊載荷動載荷系數kH=1+

可得臂架質量受FH產生的加速度形成的向上作用力計算公式如(7)所示

防傾翻裝置及風力對臂架的沖擊作用力

3.2 彈簧的選擇

初選彈簧可按公式(9)計算

式中d——彈簧鋼絲直徑；

n——彈簧有效圈數；

D——彈簧中徑；

f——彈簧壓縮量；

G——剪切彈性模數；

彈簧允許的最大載荷

式中K——曲度系數；

ts——許用剪切應力。

按靜載荷選取時，FA≤0.8Fs；

按動載荷選取時，FA＜Fs。

彈簧工作行程如圖5所示。

圖5 彈簧行程

Fj——工作極限載荷；

Fn——最大工作載荷；

F1——最小工作載荷；

fj——工作極限載荷位移；

fn——最大工作載荷位移；

f1——最小工作載荷位移。

壓并長度Hb=(n+1)d

f1即為滿足彈簧在接近最大仰角前時（例如α=80°）應開始預壓，與防傾翻裝置頂端接觸。應注意，在達到最小極限位置α=αmax時，彈簧不能達到壓并位置Hb，以保持適當的緩沖吸振作用，即留有Δf段的位移。

3.3 塔頭前撐桿

校核前撐桿的強度，應以4.3計算的FA和軸向壓力聯合作用的壓彎狀態計算。關于是否設斜撐桿的問題，則應考慮回轉平臺的空間大小，對布置起升、變幅機構及電控系統的影響。國外多不設斜撐桿，而加大前撐桿抗彎截面。例如H型鋼、矩形管，這種做法值得推廣。另外，采用這種做法后，兩撐桿之間也可不設腹桿，便于起升鋼絲繩由起升卷筒直接穿過進入臂架鵝頭或吊鉤導向滑輪。

4 結語

防傾翻裝置是動臂塔機不可缺少的重要組成部分。過去國外塔機廠家采取了許多方案來探索取消防傾翻裝置，例如：一種方案是采用液壓油缸變幅，早在20世紀70年代Liebherr HB系列就如此，但因不能采用可伸縮變截面箱形結構臂架，而桁架又不適合這種支承方式，在20世紀80年代被淘汰。2019年bauma慕尼黑展會上出現過一臺用油缸變幅的小型動臂塔機（圖6），但未成為主流產品；另外一種不用防傾翻裝置的動臂塔機（圖7），臂架俯仰是通過連桿與配重的移動相連，當達到最小幅度時因配重移動受阻而防止了臂架后傾。但這種型式因為構造復雜、連桿移動易出現卡滯。綜上所述，防傾翻裝置是動臂塔機不可或缺的重要部件，設計時應考慮周全，避免出現因設計不合理的事故，因此，必須安全可靠的進行防傾翻裝置的設計。

圖6 液壓變幅式動臂塔機

圖7 移動式配重動臂塔機