上回轉塔式起重機平衡重計算方法

摘" 要：為進一步提高上回轉塔式起重機的抗傾覆能力，提高其工作穩定性，保證起重機平衡重設計的精準性，以更好地滿足操作需求和工作需要，該文分析上回轉塔式起重機平衡重的作用及影響、平衡重計算方法問題及改進，研究上回轉塔式起重機的構造，并重點探究科學的上回轉塔式起重機平衡重計算方法，以期為相關工作提供一定幫助。

關鍵詞：上回轉塔式起重機；平衡臂；平衡重；計算方法；改進方法

中圖分類號：TH213.3" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）04-0144-04

Abstract： In order to further improve the anti-overturning ability of the upper rotary tower crane， improve its working stability， and ensure the accuracy of the crane balance weight design， so as to better meet the operational needs and work needs， this paper analyzes the function and influence of the upper rotary tower crane balance， the problems and improvement of the balance weight calculation method， studies the structure of the upper rotary tower crane， and focuses on the scientific balance weight calculation method of the upper rotary tower crane， with a view to providing some help for related work.

Keywords： upper rotary tower crane; balance arm; balance weight; calculation method; improvement method

塔式起重機一直在向大型化、超高超長化方向發展，在實際工作中，塔式起重機一般需要通過多種臂長組合滿足相應的需求，而每種臂長組合方式都具有不同的起重性能。平衡重的設計可以避免塔機出現傾覆的危險，保持穩定性與安全性。

1" 上回轉塔式起重機平衡重的概念

上回轉塔式起重機是將回轉支承結構設置在塔機上部的一種塔式起重機，在工作的過程中塔身不會轉動，塔身與回轉部分存在回轉支承裝置，此裝置包括上下2個部分，它們之間可以進行回轉[1]。在具體應用中，上回轉塔式起重機具有較好的附著力，并且起重能力大，同時利用頂升裝置升高較高。而且塔身不需要回轉，可以加快頂升加節的速度，保證起重機應用的穩定性與安全性。

上回轉塔式起重機平衡重，能夠在機械設備工作狀態中對其產生后傾力矩，能夠有效減輕在設備運行過程中由于吊重所導致的前傾力矩，降低工作壓力。而在設備非運行狀態下，上回轉塔式起重機平衡重又能夠使得由于風力所導致的前傾力矩有所下降，提高起重機的抗傾斜能力，保持起重機穩定性。根據起重臂的長度，可自由調節平衡重，以維持起重機安全穩定。

在上回轉塔式起重機工作過程中，若平衡重不當，無論過輕或過重都容易造成塔機傾斜甚至完全傾翻問題，引發安全事故，不僅損壞機具，還會造成嚴重的人員傷亡。若平衡重過輕，塔機的整體穩定性勢必下降，不利于維持塔機平衡；若平衡重過重，則容易使得平衡臂自重加大，塔身的靜剛度因此會受到影響，導致塔機運行或靜止狀態下的后傾覆力矩加大，打破塔機平衡性，影響其正常運轉，甚至引發安全事故。

2" 上回轉塔式起重機的構造

2.1" 塔身

上回轉塔式起重機的頂部存在一個回轉支承，不同型號的塔機內部結構大致相同，都存在塔身、底架、平衡臂、起重臂和回轉塔架系統等結構。塔身一般由多個標準節構成，標準節就是長寬高統一的塔身，能夠進行互換，安裝簡單。但是因為塔身不同位置所受的風力矩、水平拉力矩以及傾斜力矩存在差異，因此拉力也各不相同，因此塔身上的標準節下面重、上面輕。塔機包括4根主弦桿、3個水平框架，其中主弦桿受到拉力與壓力的影響，它的合成力矩對起重力矩、附加力矩進行平衡。上回轉塔式起重機的塔身主要承受彎矩，其次是壓力，因此需要具有一定的剛度與強度。

2.2" 底架

上回轉塔式起重機的底架包括十字底梁、底節、基礎節以及撐桿，十字底梁一般是整根梁或是用螺栓連接的2根半梁，在應用時可以提高塔機的穩定性，避免其出現傾翻線外移的情況。十字底梁中心位置是基礎節，通過螺栓與其連接在一起。底節通過螺栓和基礎節連接在一起，撐桿利用無縫鋼管與十字底梁、底節分別連接。當塔身的彎矩傳到底節時，撐桿可以分擔部分力矩，避免底節傾斜。

2.3" 平衡臂

平衡臂是一個平面框架，主要由槽鋼、工字鋼以及方鋼管等焊接形成。上回轉塔式起重機具有較長的平衡臂，分為前節和后節，通過銷軸連接，平衡臂的根部、尾部分別通過銷軸、平衡拉桿和塔身、塔頂連接在一起，平衡重一般位于平衡臂的尾部，并且起升機構需要在其后面布置[2]。平衡臂一般固定荷載，更加方便計算，起升機構在應用時會使塔身出現不穩定現象，需要改變平衡臂的結構。

2.4" 起重臂

上回轉塔式起重機的起重臂一般是小車變幅式，由多節組成，可以通過減少或增加節的數量調節臂長，不同節可以利用銷軸進行連接。起重臂的橫截面主要是等腰三角形，下弦桿的表面應位于相同的水平面上，可以作為運行軌道，避免小車運行存在較大的沖擊力。在小車移動時，臂架彎矩值會發生一定變化，同時由于風力側彎與上回轉側彎的影響，主弦桿承受著較大的壓力，因此小車臂架應安全輕質，防止塔身的受力被影響。

2.5" 回轉塔架系統

上回轉塔式起重機的回轉主要利用回轉機構進行驅動，回轉上支座能夠相對于下支座進行旋轉。2個支座之間存在回轉支承，可以承受彎矩和壓力，并形成滾動摩擦力。上支座與下支座分別與支承的內圈和外圈相連，并且回轉塔架與塔身連接，存在駕駛室與工作臺。回轉塔身的上面與塔頂連接，前面與起重機連接，后面與平衡臂連接，當上支座轉動時，其上所有部件都會同步轉動。回轉塔架系統可以利用塔身與塔頂將平衡力矩與起重力矩傳到上支座，二者的差為不平衡力矩。

2.6" 頂升系統

上回轉塔式起重機的頂升系統包括頂升作業平臺、頂升套架以及液壓頂升裝置，在頂升加節工作中可以發揮巨大作用。自升式塔機一般都具有頂升加節的功能，可以適應不同高度的作業情況。一般來說，頂升套架包括內套架與外套架2種，外套架應用于整體標準節中，內套架應用于片式塔身中。外套架內部存在16個滑板或者滾輪，在頂升過程中，滑板或者滾輪能夠沿著主弦桿的外側進行移動，從而對塔身進行支承。在具體的頂升作業中，工作人員可以進行小車位置的調整，減小附加力矩，提高作業的安全性。

3" 上回轉塔式起重機平衡重計算方法及存在問題

3.1 上回轉起重機平衡重計算方法

3.1.1" 平衡重確定原則

上回轉塔式起重機的平衡重在應用時可以保持塔機的平衡，避免出現塔機傾斜的現象。塔機平衡重不僅能夠有效保障塔機平衡穩定，還能夠構成與設計要求相符、與起重力矩方向相反的平衡力矩，因此，在上回轉塔式起重機的設計中，平衡重的設計是關鍵環節，工作人員應先根據JG/T 5037—1993《塔式起重機 分類》確定基本臂額定起升力矩等內容。同時，GB/T 13752—2011《塔式起重機設計規范》明確規定上回轉塔式起重機平衡重應根據塔身承受荷載最小的原則進行確定[3]。在確定平衡重時，工作人員可以在吊鉤沒有承載任何東西、小車處于最小幅度并且從吊臂向平衡臂吹250 Pa風載時向后傾翻力矩與小車在最大幅度處承載最大重量時超載10%相等。在實際的計算過程中，工作人員應根據塔機的結構和各部件的重量，對平衡重進行初步計算，然后再根據平衡重的具體應用條件，確定最終的計算公式，提高平衡重計算的科學性。工作人員在進行平衡重計算時，不僅需要考慮塔機的結構與受力特點，還要確保安裝、拆卸與使用的方便，防止出現意外情況。

3.1.2" 平衡重計算方法

在計算時，工作人員可以根據塔機能夠承受的最小力矩，計算出平衡重的質量。在初步計算時，工作人員應使用下列公式進行計算

式中，M1代表的是小車在最小幅度、吊鉤不吊重時的力矩，M2代表的是小車在最大幅度、吊鉤吊重最大時的力矩，Mj代表的是起重臂自重的力矩，Mc代表的是平衡臂的力矩，Mp代表的是平衡重的力矩，Ml代表的是吊重的力矩，Mh代表平衡臂與塔身軸線距離，Mt代表的是小車的力矩，Mr代表的是鋼絲繩的力矩。例如，某上回轉起重機的起重臂長度為65 m，最大吊重為8 t，起重力矩為160 tm，根據上述的公式進行平衡重計算，可以得到表1中的數值。在對相關數據進行分析時，可以確定這種上回轉塔機在不同幅度的力矩，然后根據理論數據進行平衡重組合的調整。

此外，平衡重在初步設計階段形成3種規格，分別為A1 300 kg、B2 500 kg和C3 000 kg，不同規格下所得到的平衡重理論值計算結果各有不同，且所匹配的不同臂長平衡重組合也各有差異。表2為不同平衡重匹配。

3.2" 計算方法存在的問題

塔機平衡重計算中，常見的方法有2種：①在非運行狀態下，塔機最小幅度下、250 Pa風載環境下，保持空鉤，吊臂向平衡臂吹的過程中，后傾翻力矩與最大起重量在最大幅度下的超載10%相同；②塔機的最大起重量在最大幅度下吊110%的最大起重量，載荷突然下墜，在250 Pa風載環境下，吊臂向平衡臂吹的過程中，后傾翻力矩與最大起重量在最大幅度下超載10%相同。第一種計算方法下，所得到的平衡重雖然與液壓頂升要求相符，但由于其位于塔機的上部重心前，因此向后傾翻力矩并不能代表最惡劣條件下的后傾翻力矩，因此這種計算方式下，并不能充分確保塔身載荷為最小。第二種計算方法雖然能夠保證塔身載荷最小，但當塔機頂升時，小車位于最小幅度下，上部的重心位于液壓頂升前，也就是吊臂的一側，會存在前傾問題，不能滿足其在頂升時的上部平衡調整需求。

4" 上回轉塔式起重機常見平衡重計算方法的改進方式

觀察塔機的工作狀態和全過程運行情況，充分考慮其在結構受力條件下，既要滿足安裝和使用需求，又要滿足拆卸需求，探索塔身向平衡臂方向傾斜時，最惡劣條件為在250 Pa風載條件下，吊臂吹向平衡臂，此時最大起重量最大幅度位置吊110%的最大起重量；以及向吊臂方向傾翻時，最惡劣條件為在250 Pa風載條件下，平衡臂吹向吊臂，此時最大起重量的最大幅度位置吊110%的最大起重量。按照這種改進的計算方法，計算上回轉塔式起重機平衡重，還需滿足塔機架的要求。

4.1" 最終計算

在實際的計算過程中，要想滿足平衡重安裝、拆卸與使用的需求，還需要對相關的計算方法進行合理的改進。由于平衡重在工作的過程中塔身可能會出現向平衡臂或者吊臂方向嚴重傾斜的情況。當250 Pa的風載從吊臂向平衡臂吹時，此時如果小車處于最大幅度和最大起重量，就會出現塔身向平衡臂傾斜的情況。當250 Pa的風載從平衡臂向吊臂吹時，此時如果小車處于最大幅度和最大起重量，就會出現塔身向吊臂傾斜的情況。

在計算時，工作人員可以根據平衡重確定原則，采取下列公式進行計算

σ前=σ后，

式中，σ前代表的是塔身向吊臂傾斜時，塔身主肢應力，σ后代表的是塔身向平衡臂傾斜式，塔身主肢應力。在進行塔身結構受力情況分析時，可以利用G′表示平衡重，G1表示吊重，也就是上回轉塔式起重機的起吊荷載，G2代表吊臂以及吊臂上的變幅機構自重，G3代表前長拉桿自重，G4代表前短拉桿自重，G5代表塔頂自重，G6代表平衡臂及起升機構自重，G7代表后拉桿自重，I代表塔身與平衡重的距離，M前和M后分別為向吊臂傾斜的力矩和向平衡臂傾斜的力矩，A代表塔身標準節截面積。

實際的平衡重計算公式為

式中，a代表的是塔身標準節主肢的中心距，如果用塔身標準節主肢尺寸是B，主肢的外緣和重心的距離是Z，那么塔身標準節主肢的中心距計算公式為

a=B-2×Z。

塔身上部除平衡重之外的自重用G表示，那么G的計算公式為

G=G2+G3+G4+G5+G6+G7。

同時，在進行傾翻力矩時，可以用下列的公式計算

M前=110%×M風+M自+M吊具-M平，

M后=M平+0.5×110%×M額+M風-M自-M吊具，

M平=G′×I，

式中，M額代表額定起升力矩，M吊具代表吊具力矩，M自代表自重力矩，M風代表風載產生的彎矩，M平代表平均力距。在實際的平衡重計算中，還要滿足塔機安裝的要求，工作人員可以通過在塔機頂升時對小車的位置進行改變，從而實現平衡。在進行平衡重的檢查與核驗時，應合理分析塔機頂升中的受力情況。其中，用O'代表塔機頂升在標準節上的移動位置，Gt代表塔機安裝時頂升裝置的質量，Gi代表塔機起重臂位移幅度，xt代表頂升裝置到塔身的距離，G節代表塔身標準節重量，b代表標準節和回轉中心的距離，x0代表頂升軸心和回轉中心的距離。要想實現起重機的兩側平衡，應保證MO'=0，在具體計算中，其公式為

ΣGi×（xt+x0）+G節×（x0+b）-G×（I-x0）=0。

因此，標準節和回轉中心的距離b就可以使用上述公式進行計算，但是要想滿足塔機頂升的要求，就需要b大于塔機臂架的最小工作幅度，小于其最大工作幅度。此時，平衡重可以最終由下列公式計算

G′=（ΣGt×（xt+x0）+G節×（x0+b）/（I-x0））。

4.2" 平衡重的調整

在進行平衡重的計算時，如果按照初步計算公式計算出平衡重，還需要結合頂升配平數據以及塔頂荷載進行調整[4]。在上回轉塔式起重機作業的過程中，其頂升配平對頂升作業時的受力情況會產生一定的影響，工作人員可以用M代表頂升點的塔頂力矩，用G代表配平重量，用L代表配平距離，從而獲取頂升配平的相關數據。表3為某上回轉起重機頂升配平數據表。

在對配平數據表進行分析時，工作人員可以發現，在配平之前，頂升點的塔頂力矩都是負數，也就是說，在頂升過程中，塔機出現后傾現象，此時可以進行配平。如果在塔機頂升過程中出現的是正數，則說明塔機出現了前傾的現象，在塔機出現前傾的現象時，需要對平衡重組合進行調整，增加重量，使其后傾然后再配平[5]。工作人員可以利用吊標準節的方式進行配平，因此配平重量中包括小車、吊鉤、1個或2個標準節的重量。當小車處于60、50 m幅度時，配平的標準節為1個；當小車處于40、30 m幅度時，配平的標準節為2個。

塔機的塔頂荷載包括垂直荷載、風力矩、工況以及非工況下的重力矩、慣性力矩等，在進行平衡重的調整時，工作人員需要對這些數據進行關注。非工況重力矩對塔身荷載、支座反力以及塔機基礎荷載有重要影響，從而影響塔機的穩定性。如果重力矩的數據符合要求，不需要進行平衡重的調整，如果重力矩的數據與要求相差較大，則需要對平衡重組合進行調整，使其滿足工作需要。

5" 結束語

總之，在進行上回轉塔式起重機的平衡重計算時，工作人員應對塔機的結構進行分析，然后根據塔機的工作原理，明確平衡重的計算原則與計算方法，確保平衡重能夠滿足塔機使用的要求。在進行平衡重設計時，工作人員不僅要對平衡重的重量進行計算，還要結合平衡重的塔頂荷載以及頂升配平，進行平衡重的調整，提升相關工作的安全性。

參考文獻：

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