（机械设计及理论专业论文）动臂起重机若干关键技术研究.pdf

大连理工人学硕十学位论文 摘要 动臂式变幅方式被广泛应用于各种类型的旋转起重机中，如海洋工程起重机、船用 起重机、动臂塔机等。在动臂起重机的设计过程中，存在着一些关键性的问题，例如桁 架式臂架弦杆节间距的确定、变幅机构铰点坐标的确定以及起重性能的计算方法等等。 虽然在以前的期刊中有专门针对某一具体问题的论述，但是其研究方法繁琐，目的不是 针对起重机的整体设计，结论也并不能很好地应用到实际的设计中，有一定的局限性。 针对上述问题，本文从力学的角度，就动臂起重机设计过程中存在的几项关键技 术，系统地进行了研究归纳，对该类起重机的设计提供参考。论文的主要研究工作和研 究成果如下： ( 1 ) 总结移动配重的几种实现形式，找出配重重心位置随臂架仰角的变化规律， 并以钢丝绳配重移动方式为例，阐述了移动配重位置设计时需考虑的因素，为动臂塔机 移动配重技术的设计提供参考。 ( 2 ) 从理想压杆、实际压杆、双向压弯杆件的强度、稳定性出发，以力学的角度 科学的推导出确定桁架式构件单肢节间距的方法；并推导出一给定构件所能承受的最大 轴向压力，为桁架式臂架系统的设计提供参考。 ( 3 ) 从构件的实际受力出发，以力学方式推导出变幅系统铰点坐标与构件受力的 关系，用简单的数学关系式即可初步判断铰点确定的是否合适，避免了通常采用的优化 设计中的编程调试过程，为系统铰点的设计提供参考。 ( 4 ) 开发了动臂起重机辅助设计系统。其主要任务是各种动臂式起重机产品的结 构校核和起重性能计算。该系统适合于任何钢丝绳变幅方式的起重机的结构设计，并针 对多种不同的设计规范，分别进行了完整的分析过程。 同时以大连理工大学工程机械研究所与长沙中联重工科技发展股份有限公司合作 开发的t c r 6 0 5 5 3 2 动臂塔机为例，并通过有限元分析验证了本文研究成果的正确性、 可行性以及专用软件系统的实用性。 关键词：动臂起重机；移动配重；变幅系统铰点坐标；起重性能 动臂起重机若干关键技术研究 s t u d yo nt h ek e yt e c h n i q u e so fl u f f i n g j i bc r a n e s a b s t r a c t t h el u f f i n gj i bw a yi sw i d e l yu s e di nv a r i o u st y p e so fc r a n e s ，s u c ha so f f s h o r ec r a n e s ， s h i pc r a n e sa n dt o w e rc r a n e s i nt h ed e s i g no ft h e s ec r a n e s ，t h e r ea r es o m ek e yt e c h n o l o g i e s ， s u c ha sh o wt od e t e r m i n et h el e n g t ho ft r u s sj o i n to ft h ec h o r d ；t h et h r e ep i n - c o n n e c t e dj o i n t s c o o r d i n a t e so ft h el u f f i n gs y s t e ma n dt h em e t h o dt oc a l c u l a t et h el i f t i n gp e r f o r m a n c ea n ds o o n w h i l ei nt h ep r e v i o u sj o u r n a l s ，t h e r ea r es o m ed i s c u s st os o m es p e c i f i ci s s u e s ，t h er e s e a r c h m e t h o di sc o m p l e x ，w h i c hi sn o ta i m e da tt h eo v e r a l ld e s i g no ft h ec r a n e ，w h o s ec o n c l u s i o n s a r en o tb ew e l la p p l i e dt ot h ea c m a ld e s i g n ，s ot h e r ea r es o m el i m i t a t i o n s i na l l u s i o n st ot h ei s s u e sm e n t i o n e da b o v e ，s o m ek e yt e c h n i q u e sa r et ob es t u d i e d s y s t e m a t i c a l l yi nt h i sp a p e r i nt h em e c h a n i c a lp o i n to fv i e w ，w h i c hi sar e f e r e n c et ot h ed e s i g n o ft h i sk i n do ft h ec r a n e s t h em a i nr e s e a r c ha n dt h er e s u l t so ft h ep a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h er e a l i z a t i o nf o r mo fm o v a b l e - c o u n t e r w e i g h ti ss u m m e da n dt h ec h a n g el a wo ft h e m o v a b l e - c o u n t e r w e i g h tc e n t e ro fg r a v i t yp o s i t i o na n dt h eb o o ma n g l ei sf o u n do u t i nt h ee n d o ft h i ss e c t i o n ，t a k et h ef o r mo fw i r er o p ea sa ne x a m p l e ，t h ef a c t o r sc o n s i d e r e di nt h ed e s i g n o ft h em o v a b l e - c o u n t e r w e i g h ta r ed e s c r i b e d ，w h i c hp r o v i d e sar e f e r e n c et ot h ed e s i g no f m o v a b l e c o u n t e r w e i g h ti nt o w e rc r a n e s ( 2 ) c o n s i d e r i n go ft h es t r e n g t ha n ds t a b i l i t yo ft h ei d e a lc o m p r e s s e db a r , a c t u a l c o m p r e s s e db a ra n dc o m p r e s s i o nb e n d i n gb a ri nt w o w a y ，t h em e t h o dt od e t e r m i n et h el e n g t h o ft r u s sj o i n to ft h ec h o r di sd e r i v e di nt h em e c h a n i c a lp o i n to fv i e w i nt h es a m et i m e ，t h e b i g g e s ta x i a lp r e s s u r et oag i v e nc o m p o n e n ti sd e r i v e d ，w h i c hp r o v i d e sar e f e r e n c et ot h e d e s i g no ft h et r u s s t y p ej i bs y s t e m ( 3 ) c o n s i d e r i n go ft h ea c t u a lf o r c et ot h ec o m p o n e n t s ，t h er e l a t i o n s h i po ft h et h r e e p i n - c o n n e c t e dj o i n t sc o o r d i n a t e so ft h el u f f i n gs y s t e ma n dt h ef o r c et ot h e mi sd e r i v e di nt h e m e c h a n i c a lp i n c o n n e c t e dj o i n t so fv i e w w ec a nu s es i m p l em a t h e m a t i c a lr e l a t i o n s h i pt o p r e - j u d g ew h e t h e rt h ep i n c o n n e c t e dj o i n t sc o o r d i n a t e sa r er a t i o n a l ，w h i c hc a na v o i dt h e d e b u g g i n gp r o c e s si nt h eo p t i m a ld e s i g na n dp r o v i d ear e f e r e n c et ot h ed e s i g no fl u f f i n g s y s t e m ( 4 ) l u f f i n gj i bc r a n e sa i d e dd e s i g ns y s t e mi sd e v e l o p e d ，w h o s em a i nt a s ki st oc h e c kt h e s t r u c t u r ea n dc o m p u t et h el i f t i n gp e r f o r m a n c eo fa l lt h i sk i n do fc r a n e s t h i ss y s t e mi s s u i t a b l ef o rt h es t r u c t u r ed e s i g no fa n yl u f f i n gj i bc r a n e sa n di tc o n t a i n st h ec o m p l e t ea n a l y s i s p r o c e s sf o rv a r i o u sk i n d so fc o d e s 一i i 大连理工大学硕+ 学位论文 a tt h es a m et i m e ，t a k et c r 6 0 5 5 - 3 2 ，c o o p e r a t i n gb e t w e e nd u ta n dz o o m l i o n ，a sa l l e x a m p l eb yf e m t or e a s o nt h ec o r r e c t n e s sa n df e a s i b i l i t yo ft h em e t h o dp r o p o s e d ，a n dt h e p r a c t i c a b i l i t yo ft h es o f td e v e l o p e d k e yw o r d s ：l u f f i n gj i bc r a n e s ：m o v a b l e c o u n t e r w e i g h t ；t h ep i n c o n n e c t e dj o i n t s c o o r d i n a t e so ft h el u f f i n gs y s t e m ：l i f t i n gp e r f o r m a n c e 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目j 盘臻垒互盘堡日2 幼辞兹苯盆事l 一 作者签名：糨日期： 冱童年匕月二卫日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题 作者签名： 导师签名： 人琏理c 凡学硕十学位论文 1 绪论 11 动臂起重机的发展概述 起重机变幅方式按机构运动形式分为运行小车式( 简称小车式) 和臂架摆动成( 简 称动臂式) 。小车式变幅机构用于具有水、卜臂架的起重机，依靠小车沿臂架弦杆运行以 改变超重机幅度。动臂式变幅机构是通过臂架在垂直平面内绕其铰轴摆动改变幅度。动 臂变幅具柏较大的起升高度；在建筑群中施工不容易产生死角；拆装也比较方便。它 被广泛用于各种类型的旋转起重机，如海洋工程起草机、船用起重机、动臂塔机等，如 吲1 1 所示。 动臂塔机 图i 1 动臂起重机 f i g 1 1l u f f i n gj i b c r a n e s 船崩克夸吊 动臂起重机若干关键技术研究 1 1 1 海洋工程起重机的发展 2 1 世纪世界各国纷纷加大了对海洋开发的力度，海洋工程的建设方兴未艾。这是由 于一方面，全世界对能源的需求日益增加，海洋已成为各国新世纪能源战略的重点；另 一方面新技术在海洋工程上的应用，使得海洋能源的开采成本大大降低。作为海洋工程 建设中的一种重要的建设设备，海洋工程起重系统也得到了飞速的发展，并且有着广阔 的发展前景。 就目前来看，海洋工程起重机系统按照起重能力大小可以分为以下四类： ( 1 ) 船式起重机( s h i p s h a p e dh e a v yl i f tv e s s e l ) 。这是最早出现的海洋工程起重系 统，它通过在船艏甲板上加装吊车而具有了水面上的起重能力。1 9 6 3 年，瑞士的h e e r e m a 集团公司从挪威购买了一艘油轮，把它改装成了世界上第一艘船式起重船，当时的起重 能力为1 5 0 t 。这类起重系统起重能力有限，一般不超过2 0 0 0 t 。 ( 2 ) 浮式起重船( d e r r i c kb a r g eo rh e a v yl i f tv e s s e l ) 。起重能力超过2 0 0 0 t 以后， 起重系统就开始采用浮式起重船的形式。船体采用驳船，并配备专用的起重机系统和定 位系统。这类起重系统起重能力一般不超过5 0 0 0 t 。 ( 3 ) 半潜式起重船( s e m i s u b m e r s i b l ec r a n ev e s s e l ) 。当起重能力超过5 0 0 0 t ，一 般采用的就是半潜式起重船形式。这种形式起重船工作与非工作状态下吃水变化较大。 船体分为上层建筑和浮体，下层的浮体可以为起重作业提供足够的稳性支持，因而起重 能力大大增加，目前世界上最大的半潜式起重船最大起重能力已经达到1 4 2 0 0 t 。 ( 4 ) s i n g l e 1 i r 起重系统( s i n g l el i rs y s t e m ) 。进入2 1 世纪以后，各个大型海洋 公司为了适应海上作用的需求，特别是为了满足日益兴旺的海洋工程回收利用市场，各 自提出了海上s i n g l e 1 i f t 起重系统的概念，而且有些应用于实践。这些系统除了应用于 大型海洋平台的拆卸，也可以应用于海洋平台的安装。其起重能力从1 2 0 0 0 吨到3 0 0 0 0 多吨不等【2 1 。 表1 1 世界著名公司半潜式起重船参数 t a b 1 1p a r a m e t e r so fs e m i s u b m e r s i b l ec r a n ev e s s e l s 大连理工大学硕士学位论文 目前世界上主要生产海洋工程起重机的公司主要有：意大利的s a i p e m 公司、荷兰的 h e e r e m a 、b a l d e r 、d b 2 1 0 1 、m c d e r m o t t 公司、德国的l i e b h e r r 等，其主要产品参数见 表1 1 所示。 l i e b h e r r 的海吊产品包括钢丝绳及液压油缸变幅起重机，具有多种系列规格，见 表1 2 所示，并且可以根据客户要求和规定改造。 表1 2l i e b h e r r 海洋平台吊 t a b 1 2o f f s h o r ec r a n e so fl i e b h e e r 国内主要生产厂家有中船华南船舶机械有限公司和上海振华港口机械( 集团) 股份 有限公司。 中船华南船舶机械有限公司，隶属于中国船舶工业集团公司，是一家较大的船舶配 套企业，始建于1 9 6 8 年。该厂以自我研发和依靠国内研究单位为主，尤其是海洋平台 起重机，拥有自主专利技术，被动式波浪补偿技术和顺绕式卷筒技术在国际处于先进水 平，又符合美国海洋平台起重机的a p l 2 c 规范，因此市场占有率高，在国内占7 0 ， 出口量也不少，年均6 0 0 0 万元的甲板机械出口至东盟及韩国。主要生产舵机、甲板机 械、船用起重机、海洋起重机、折臂伸缩起重机等。其中海洋平台吊系列产品参数见表 1 3 所示。 动臂起重机若干关键技术研究 上海振华港口机械( 集团) 股份有限公司( z p m c ) 是世界知名起重机和大型钢结 构制造商，主要生产岸边集装箱起重机、轮胎式集装箱龙门起重机、散货装卸船机、斗 轮堆取料机、门座起重机、浮吊和工程船舶以及大型钢桥构件等。迄今为止，按订单统 计，z p m c 有岸边集装箱起重机1 0 0 0 台，轮胎式集装箱龙门起重机1 6 5 0 台和众多非标 大型港口机械的良好业绩。其中大型浮吊现已有最大起重量分别为6 0 0 t 、1 2 0 0 t 、1 3 0 0 t 、 1 6 0 0 t 、2 2 0 0 t 、4 0 0 0 t 和7 0 0 0 t 多个系列。 其中“上海号”全旋转7 0 0 0 吨起重船是一艘在无限航区自航大型全旋转起重工程船， 不仅可航行于无限航区并可在无限航区作业。全旋转的起重机其最大起重量为 7 0 0 0 t x 3 9 m ( 固定) ，全旋转时为2 0 0 0 t x 约3 9 m 。本船主要用于重型桥梁安装工程及海洋 工程和重件吊装等。本机的起重能力目前是亚洲第一。其主要技术参数见表1 4 所示。 起重机的臂架为高强钢板焊接而成的桁架结构，旋转支承采用双层圆筒体支承，下联接 在船体，上面加旋转滚轮、滚道，双层圆筒体的直径约为2 8 m 。旋轮支承滚轮为四排多 滚轮。该机设有p l c 装置，可根据需要编程，实现所需的控制方式、连锁方式和安全 保护措施。 大连理工大学硕士学位论文 表1 4 “上海号”全旋转7 0 0 0 t 起重船主要参数 t a b 1 4m a i np a r a m e t e r so f 7 0 0 0 tf u l l yr e v o l v i n gf l o a t i n gc r a n e 1 1 2 船用起重机的发展 船用起重机俗称克令吊( c t a 3 1 c ) 。船上起重设备很长时期使用吊杆装置，但在2 0 世纪4 0 年代己开始在一些船上采用起重机，二次大战后才逐步推广使用，到6 0 年代初 期，随着船舶停港时间和加快装卸速度，从而出现了结构紧凑、操作简便可靠和起重能 力大的起重机，致使起重机在船上得到广泛采用。 船用起重机以结构方式分有两种。 ( 1 ) 钢索变幅起重机：在吊臂上端有变幅及起货钢索通向起重机塔身上部，并且 具有水平变幅的性能，即吊臂变幅时，吊钩位置基本保持水平运动，此种起重机使用较 广。 ( 2 ) 油缸变幅起重机：吊臂转动端在塔身顶部，借助变幅油缸改变工作半径，这 种结构形式，一般无水平变幅性能。这种起重机主要用于中，小型船舶及航道高度受限 制的场合。 以驱动方式分电动和电液驱动两种。 ( 1 ) 电动起重机：电动起重机的效率高、调速正确、操作简便、维护保养少和易 于遥控。电动起重机常用的有发电机一电动机系统和可控硅控制系统两种。前者采用三 输出方式，分别向起升、变幅和回转电机供电，具有电机台数少，体积小和尺度等方面 较为优越，此种形式的大起重量电动起重机正逐步用在大型船舶上。其起重量系列为5 t 叫o t ，最大工作半径为1 2 m 一3 6 m 。 ( 2 ) 电液驱动起重机：电液驱动起重机的操作平稳、重量轻、体积小、无级调速、 具有恒功率、空钩高速和重载慢速的特性，由于液压技术的不断提高，同时采用了电子 动臂起重机若干关键技术研究 控制，又保持了电动起重机的优点，因此电液驱动起重机已得到广泛的采用。电液驱动 起重机的起重量系列为5 t _ 5 0 t ，最大工作半径为3 2 m ，满载起升速度一般为1 2 m m i n 左右，高速型可超过2 0 m m i n ，空钩速度通常为满载的一倍；回转速度一般为l r m i n 左 右，且随船舶浮态不同而改变；从最大工作半径至最小工作半径的变幅时间约为l m i n 。 国外生产船用克令吊的主要厂家有：d r e g g e nc r a n ea s 一挪威( n o r w a y ) 、 l b l i e b h e r r 一德国( g e r m a n y ) 、a b a sc r a n ea s 一挪威斟。刑a y ) 、c r a n ep o w e rg m b h 公司一澳大利亚( a u s t r i a ) 、t e c h c r a n eg l o b a lc o r p o r a t i o n - - 美国( u i l i t e ds t a t e s ) 、n o r e q a s 一挪威( n o r w a y ) 。 其中l b l i e b h e r r 船用起重机为各种类型的船只提供实用解决方案，包括集装箱 船、散装货船、超重货物、多用途冷藏货船、油轮，以及定制驳船及转运船等。船用起 重机系列包括钢丝绳变幅式和液压油缸变幅式起重机，以及抓斗起重机、龙门起重机和 重载货物起重机等，另外还包括食品与软管装卸起重机。 表1 5l i 耶h e r r 船用起重机 t a b 1 5s h i p b o a r dc r a n e so fl i e b h e r r 国内厂家主要有：中船华南船舶机械有限公司和南京中船绿洲机器有限公司。其中 中船华南船舶机械有限公司船用起重机标准系列见表1 6 所示。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 表1 6 华南船机船用起重机系列 t a b 1 6s h i p b o a r dc r a n e so fs c m 霎嘉吊机型号起鬻力最喾紧姜吊机型号起鬻力最喾 y q 8 0 0 0 5 1 8 0 51 8 y q l 8 0 0 5 2 5 52 5 y q 8 0 0 0 8 1 4 0 81 4 y q l 8 0 0 8 2 0 82 0 8 0 0 y q 8 0 0 0 9 1 20 91 2 y q l 8 0 0 1 0 - 1 8 1 01 8 1 8 0 0 y q 8 0 0 一1 0 1 0 11 0 y 0 1 8 0 0 1 2 5 1 6 1 2 51 6 y q 8 8 0 1 1 6 l1 6 y q l 8 0 0 1 5 - 1 4 1 51 4 y q 8 8 0 一1 5 1 2 1 51 2 y q l 8 0 0 2 0 一l o 2 01 0 y q 8 8 0 2 8 28 y q 2 0 0 0 1 0 2 6 1 02 6 8 8 0 y q 8 8 0 2 5 62 5 6 y q 2 0 0 0 1 5 2 0 1 52 0 y q - 3 - 5 352 0 0 0y q 2 0 0 0 。2 0 1 62 01 6 y q 8 8 0 4 4 44 y q 2 0 0 0 2 5 1 4 2 51 4 y q l l 2 0 1 一1 8 11 8 y 0 2 0 0 0 3 0 1 2 3 01 2 y o l l 2 0 1 5 一1 6 1 51 6 y q 2 2 4 0 1 5 2 6 1 52 6 y q i1 2 0 。2 1 4 21 4 y q 2 2 4 0 2 0 。1 8 2 01 8 1 1 2 0 y q l l 2 0 2 - 5 - 1 22 5 1 2 2 2 4 0 y q 2 2 4 0 - 2 5 - 1 6 2 51 6 y q i1 2 0 。3 1 0 31 0y q 2 2 4 0 3 0 。1 33 01 3 y q l l 2 0 3 2 - 9 3 29 y q 2 2 4 0 4 0 l o 4 01 0 y q i1 2 0 。4 8 48 y 0 2 5 0 0 1 5 3 0 1 52 6 y o l1 2 0 5 7 57 y q 2 5 0 0 2 0 一2 5 2 01 8 y q l 2 5 0 2 2 0 22 02 5 0 0 y q 2 5 0 0 2 5 21 2 51 6 y q l 2 5 0 一2 5 1 62 5 1 6 y q 2 5 0 0 3 0 1 8 3 0 1 3 y q l 2 5 0 。3 。1 431 4 y 0 2 5 0 0 4 0 。1 4 4 01 0 1 2 5 0 y q l 2 5 0 4 1 2 5 41 2 5 y q 2 8 0 0 2 0 3 0 2 0 3 0 y q l 2 5 0 5 1 l 5 1 l y q 2 8 0 0 。2 5 。2 5 2 52 5 y q l 2 5 0 6 9 692 8 0 0 y q 2 8 0 0 。3 0 。2 2 3 02 2 y q l 2 5 0 。7 。8 78 y 0 2 8 0 0 4 0 1 6 4 0 1 6 y q i4 0 0 2 2 5 22 5 y q 2 8 0 0 5 0 13 5 0 1 3 y q l 4 0 0 - 3 - 2 1 32 1 y q 315 0 3 0 3 0 3 0 3 0 y q l 4 0 0 4 2 0 42 0 y q 315 0 。4 0 1 。2 4 4 0 2 4 1 4 0 0 y q l 4 0 0 5 1 6 51 6 3 1 5 0 y q 3 1 5 0 。5 0 。2 0 5 02 0 y q l 4 0 0 - 6 - 1 3 61 3 y 0 3 1 5 0 。6 0 1 6 6 0 1 6 y q l 4 0 0 8 1 0 81 0 y q 3 1 5 0 。8 0 1 38 01 3 y q l 4 0 0 l o 8 l o83 5 5 0 y q 3 5 5 0 。4 0 4 5 4 04 5 7 动臂起重机若干关键技术研究 y q l 6 0 0 - 4 2 5 42 5 y q 3 5 5 0 。5 0 。4 0 5 04 0 y q l 6 0 0 - 5 - 2 0 52 0 y q 3 5 5 0 。6 0 。3 5 6 03 5 y q l 6 0 0 - 6 1 8 6 1 8 y q 3 5 5 0 8 0 。2 5 8 0 2 5 1 6 0 0 y q l 6 0 0 8 。1 4 81 4 y q 3 5 5 0 i 0 0 。2 0 1 0 02 0 y q l 6 0 0 - 1 0 - 1 2 1 01 2 y q 3 5 5 0 1 2 0 。1 41 2 0 1 4 y q l 6 0 0 - 1 2 5 1 0 1 2 51 0 y 0 1 6 0 0 1 5 8 1 58 南京中船绿洲机器有限公司系南京绿洲机器厂与镇江中船设备有限公司镇江船舶 辅机厂重组改制设立的有限责任公司，隶属中国船舶工业集团公司。 m a c g r e o r 吊机：公司于2 0 世纪8 0 年代初与瑞典麦基嘉公司合作生产船用液压起重 机，至今已生产1 0 0 0 多台套，起重量2 t - 3 5 0 t ，变幅距离2 m _ 4 2 m ，产品均获g l 、 a b s 、d n v 、c c s 、l r s 、n k 等各国船级社认可。 表1 7 南京中船绿洲各种型号起重机主要性能参数 t a b 1 7m a i np a r a m e t e r so fc r a n e so fc s s c 1 1 3 动臂塔机的发展 动臂塔机( 又称俯仰臂架塔机) ，作为塔式起重机最原始的型式曾有过一段辉煌的 历史，从工业建筑到民用建筑，从修造船厂到港口码头，从钢结构建筑到电站建设，动 臂塔机都发挥了巨大的作用。动臂塔机最大的优势就是可以在特别狭窄的区域工作，而 且回转半径小、起升高度大，因此在国外市场使用率高达3 0 以上。随着中国经济的不 断发展，国内大型超高建筑工程建设项目越来越多，对大吨位的动臂塔式起重机需求量 大连理工大学硕士学位论文 也越来越大。比如在北京中央电视台新台址的建设中，就使用了数台澳大利亚法福克公 司生产的大型动臂塔式起重机，在上海环球大厦的建设中也看t j 7 法福克动臂塔式起重 机的身影【3 】。 对于动臂塔机，国外著名的厂家主要有：德国的l i e b h e r r ( 利勃海尔) 和法国的 p o t a i n ( 波坦) 。 l i e b h e r r 所设计的动臂塔机能够避免受到障碍，并且能够在有载情况下，以8 m 半 径旋转3 6 0 0 。由于这些起重机的回转半径小，并且即使在停机时，臂架位置也可以从1 5 0 升到7 0 0 ，因此特别适用于具有多台起重机，并且工作区域重叠的小型建筑工地。 表1 8l i e b h e r rh c l 系列塔机类型 t a b 1 8h c lt o w e rc r a n e s o fl i e b h e r r 波坦塔机有着悠久的历史，其成立于1 9 2 8 年，1 9 8 4 年中国引进的塔机技术就是波 坦的，目前波坦的塔机涵盖了快装式、带塔帽上回转水平臂式、平头式、动臂式等型式 的塔机。其中动臂塔机有近1 0 种型号1 0 多种规格。最大起重量为5 - - 3 2 t 。 国内最著名的生产动臂塔机的就是长沙中联重工科技发展股份有限公司。我国最大 的动臂式塔式起重机、国家科技支撑计划_ t c r 6 0 5 5 3 2 ( 6 3 0 t m ) 在中联重科研制成功， 并通过相关部门检测，交付使用。该产品填补了国内特大型动臂式塔机的空白，其主要 技术性能指标达到国际先进水平，在国内处于领先地位，见表1 9 所示。 综上所述，可以看出随着科技的发展，动臂起重机无论是类型还是性能都在不断的 改进，世界上各大设计厂商为了在国际市场上占有更多的份额，莫不注重总结经验，认 真分析市场动态，下大力气进行产品的更新和开发。其发展趋势总结如下： 动臂起重机若干关键技术研究 ( 1 ) 发展趋于大型化； ( 2 ) 工作幅度逐渐增大； ( 3 ) 产品通过国际认证： ( 4 ) 进行系列化、模块化设计。 表1 9t c r 6 0 5 5 3 2 技术参数表 t a b 1 9p a r a m e t e r so ft c r 6 0 5 5 - 3 2 最大起重力矩( k n m )6 3 0 0 工作幅度c m ， 主尖篆耋 独立工作高度( 到臂根铰点) m 独喜呈妻式 最大起重量( t ) 最大工作幅度处额定起重量( t ) 5 5 6 0 4 7 4 8 3 2 5 5 1 2 动臂起重机设计中的难点 ( 1 ) 设计规范繁多 海上及船用起重机的使用需要通过相应船级社的认证，目前公认的有认证资格的国 际船级社主要有：中国船级社、美国船级社、英国劳氏船级社、法国船级社、德国劳氏 船级社、挪威船级社、韩国船级社、日本船级社、意大利船级社和俄罗斯船级社。由于 每个船级社所需的规范各异，并且大部分中国设计者，对英文规范的理解也有些困难， 这就给起重机的设计带来居多不便。 指导海上及船用起重机设计的相关规范主要有：c c s ( 中国船级社船舶与海上设 施起重设备规范) 、a p i ( 美国石油标准) 一a p is p e c2 c ( 海上平台起重机规范) 、a b s ( 美国船级社) 、a n s i a i s c ( 美国钢结构规范) 、a w s ( 美国钢结构焊接规范) 、l r ( 英国劳氏船级社) 、d n v ( 挪威船级社) 、b v ( 法国船级社) 、g l ( 德国劳氏船级 社) 、k r ( 韩国船级社) 和n k ( 日本船级社) 等【4 1 1 1 。 当然，对于陆上起重机的设计也有相应的规范可循，例如g b 3 8 1 1 ( 起重机设计规 范) 、g b t 1 3 7 5 2 ( 塔式起重机设计规范) 等。总之，起重机的设计要严格遵守规范上 的相关规定，这就需要我们的设计者对相应规范要完全掌握，深入理解。 ( 2 ) 结构设计简洁化 大连理工大学硕士学位论文 对动臂塔机而言，当动臂变幅时，由此会产生附加的静载力矩，平衡这一力矩会大 大提高塔机的起重能力。在机械上的解决方法就是采用移动配重技术，即吊臂仰起时， 使配重移向塔身；吊臂俯降时，使配重远离塔身。这样做的好处是：( 1 ) 动臂产生的静 载力矩可由移动的配重抵消；( 2 ) 通过移动配重、放低臂架可以减少风力的影响；( 3 ) 移 动式配重能耗较小，却能使动臂变幅时产生的侧向力大为降低。但是采用移动配重需要 额外的检查及维护保养，成本高，并且其研制费用也高。所以大多数制造厂放弃了配重 移动装置。如何采用一种更加简洁的设计使其不仅能达到预期的目的，而且又能大幅度 的降低费用，一直都是动臂塔机设计者研究的问题。 ( 3 ) 设计方法科学化 例如桁架式臂架弦杆节间距的确定。桁架式臂架主要由弦杆和腹杆组成，臂架所受 轴向压力和弯矩主要由弦杆承担，而腹杆主要承受剪力。桁架节点之间的距离叫节间距， 节间距的大小不仅影响到桁架的重量，而且直接关系到臂架的单肢稳定性，因此是桁架 式臂架的一个重要参数。但是节间距的确定方法一直都是依靠所谓的经验法和试凑法， 文献【l2 】由正置三角形臂架截面换算长细比进行理论推导，取其一阶导数，从数学方面得 出最佳弦杆节间距的布置。如何采用一种科学、合理、通用的计算方法来进行弦杆节间 距的确定，显然是桁架式臂架设计中的关键也是难点问题。 ( 4 ) 变幅系统铰点位置的设计 对于动臂起重机，由臂架下铰点和人字架上铰点所组成的变幅机构铰点是整机设计 所需考虑的一个重要问题，也是起重机吊臂设计的基础。通常铰点布置是通过作图和计 算相结合的原则确定，其过程十分繁琐，还往往得不到最合理的布局，采用优化设计变 幅机构的铰点位置时，可以确定的目标原则为：变幅力最小回转支承受力最小臂 架受力最小在满足工作半径情况下，臂架长度最短。显然，这是一个多目标优化问题， 必须采用多目标优化方法求解才能得到真正的最优解。这就需要设计者不仅要懂得编程 方法，而且要掌握多目标优化方法，使其通用性得到限制。所以有必要推导出一种简单、 实用的方法来确定变幅机构的铰点位置。 ( 5 ) 起重性能曲线的绘制 起重性能直接反应了起重机工作半径与起重载荷的相互关系，是评价起重机性能的 重要参数。关于起重性能的确定，以往的设计都是根据预先给定的起重性能曲线，来进 行起重机结构的设计，使其符合性能曲线的要求。这种设计思路需要进行许多个工况的 结构校核计算，不仅过程繁琐，工作量极大，而且由于性能曲线多数是设计前，根据产 品调研人为确定的，如果某一工况的起重载荷确定的有误差，为了满足该工况的要求， 从而使结构设计得过于保守，性能没有完全发挥，导致材料浪费。随着技术的进步，现 动臂起重机若干关键技术研究 有的产品设计都是先确定一个总体技术参数，即围绕着这个总体参数来进行起重机结构 的设计，最后以符合此结构为前提，从而确定其它工作幅度下对应的起重量，并绘制起 重性能曲线。这种设计思路可以最大限度地利用材料，使结构设计得更加合理，趋于优 化设计。通常动臂塔机有多种臂长组合方式以适应不同的工作条件，海洋平台起重机也 有主钩和副钩之分，如果采用手工试算方式来确定不同工况的起重性能曲线，其工作量 不仅难以想象而且精确度也低。采用计算机程序设计方法是现今较多采取的较为合理的 方法，不仅缩短了设计周期，还可以提高设计精度，提高起重机的安全性。因此如何编 制有效的程序计算方法，并使其通用推广，是现在起重机设计工作中的关键问题，目的 是方便以后的设计工作。 1 3 课题的主要内容 对于动臂起重机，本文系统地进行了研究，主要针对上述几项关键技术，进行了 以下几个方面的工作： ( 1 ) 移动配重技术研究。总结移动配重的几种实现形式，并且以使附加静载力矩 降低到最低为原则，找出配重重心位置随臂架仰角的变化规律，最后以钢丝绳配重移动 方式为例，阐述了移动配重位置设计时需考虑的因素，为动臂塔机移动配重技术的设计 提供参考。 ( 2 ) 桁架式臂架弦杆节间距确定方法研究。从理想压杆、实际压杆、双向压弯杆 件的强度、稳定性出发，以力学的角度科学的推导出确定桁架式构件单肢节间距的方法， 并加以实例验证，说明该方法的可行性；最后推导出一给定构件所能承受的最大轴向压 力，为变幅机构各铰点的布置提供参考。 ( 3 ) 变幅系统铰点位置的设计方法研究。从构件的实际受力出发，以力学方式推 导出变幅系统铰点坐标与构件受力的关系，用简单的数学关系式即可初步判断铰点确定 的是否合适，避免了通常采用的优化设计中的编程调试过程，为系统铰点的设计提供参 考，并以实例证明了该推导的正确性及实用性。 ( 4 ) 开发了动臂起重机辅助设计系统。其主要任务是各种动臂式起重机产品的结 构校核和起重性能计算。该系统适合于任何钢丝绳变幅方式的起重机的结构设计，并针 对多种不同的设计规范，分别进行了完整的分析过程。 大连理工大学硕士学位论文 2 动臂起重机移动配重技术研究 2 1 概述 对动臂塔机而言，当动臂变幅时，由此会产生附加的静载力矩，平衡这一力矩会大 大提高塔机的起重能力。在机械上的解决方法就是采用移动配重技术，其工作过程为： 当臂架在变幅时，配重的重心随着臂架的转动，其重心位置进行移动，即吊臂仰起时， 使配重移向塔身；吊臂俯降时，使配重远离塔身。这样做的好处是：( 1 ) 动臂产生的附 加静载力矩可由移动的配重抵消；( 2 ) 通过移动配重、放低臂架可以减少风力的影响；( 3 ) 移动式配重能耗较小，却能使动臂变幅时产生的侧向力大为降低。最初是采用钢丝绳移 动配重的方法，1 9 8 5 年利勃海尔在5 0 0 h c 塔机上应用了一种新型装置，替代传统的钢 丝绳移动配重的方法。b k t 公司更是在7 5 t m 以上的所有型号动臂塔机上都使用了 配重移动装置，其结构更加轻便，对运输非常有利。1 9 8 9 年，波坦公司在m r 3 0 0 塔机 上应用了一种更复杂的配重移动系统，当吊臂仰起时，通过连杆的作用使配重移向塔身。 1 9 9 7 年，意大利的康曼地( c o m e d i l ) 公司在c t i a 0 0 塔机上应用了通过悬挂的配重、吊 臂联动装置来移动配重的方法。2 0 世纪9 0 年代，主要出于降低成本的考虑，欧洲大多 数制造厂放弃了配重移动装置，比较典型的是法夫可公司，他们在设计上作了较大的调 整，把移动式配重都改为固定式配重。其理由如下：( 1 ) 动臂变幅时产生的静载力矩靠 移动式配重只能抵消2 0 ；( 2 ) 移动式配重需要额外的检查及维护保养，成本高；( 3 ) 移 动式配重的研制成本高。到目前为止，仍有一些塔机制造商坚持采用移动式配重，如派 纳和b k t 公司等，不过和以前相比移动式配重设计得更加简洁【l3 1 。 2 2 移动配重的实现方式 汇总现有的采用移动配重方式的动臂塔机，其功能实现主要有以下几种方式： ( 1 ) 钢丝绳移动配重方式 这是最早采用的配重移动形式，即将配重通过钢丝绳与臂架相连接，钢丝绳的总长 是一定的，随着臂架的俯仰，配重即跟着前后移动。通常这种情况会设置配重小车和专 门的移动滑道，滑道的倾斜角度、长度以及钢丝绳的路径等都是根据该结构配重重心位 置随臂架仰角的变化规律设计的。典型的采用钢丝绳移动配重方式的动臂塔机有p e c c o 公司的s n 系列塔机，其结构形式如图2 1 所示。 2 女臂起吐机若t 戈键拄术研究 幽2 lp e c c os n3 5 5 ( 2 ) 进杆机构 由1 1 铡鲢绳在使用过程巾容易磨损，移动配重技术紧跟着又出现了连杆机构移动力