（机械制造及其自动化专业论文）多台履带式起重机协同作业研究.pdf

摘要 履带式起重机是吊装施工中使用较广的起重机械，也是各种起重机中起重能 力最大的一种。实际施工中大型的结构物越来越多，单台起重机的起重能力已经 越来越难以满足施工的要求。多台起重机协同作业不但能完成大吨位的重物的吊 装任务，还能充分应用已有的起重机，降低施工成本。关于多台起重机联合作业 的文章，内容主要集中在针对具体吊装任务的施工方法上，起重机的动作也是靠 现场人员的指挥完成。因此本文对单台起重机载荷和运动分析的基础上，对多台 起重机的载荷和运动进行了分析，并提出了处理多台起重机协同作业问题的方 案。本文的主要内容包括：， 1 根据履带式起重机的结构特点，对其运动和载荷进行了分析和计算，充 分考虑物品重量、惯性力、工作状态风载荷和其他因素作用下，吊装过程的整体 稳定性。 2 对多台起重机协同作业时的载荷进行了分析，提出了载荷分配的方案和计 算方法。 3 采用运动逆解的思想，提出了根据被吊结构物的动作确定各起重机的动 作的计算方法。 4 运用计算机图形学理论，通过包围盒法和c y r u s b e c k 裁剪法，对吊装全 过程进行运动干涉检验。 5 设计了多台起重机协同作业的综合管理系统，以完成数据管理，仿真计 算和数据检测的功能。 关键词：履带式起重机载荷分配运动逆解干涉检验 a b s t r a c t 1 1 1 ec r a w l e rc r a n ei sw i d e l yu s e di nt h ew o r l do fb u i l d i n gc o n s t r u c t i o na n dc i v i l e n g i n e e r i n g ，a n di t sl i f tc a p a c i t yi sl a r g e rt h a no t h e rk i n d so fc r a n e s t h e r ea r em o r e a n dm o r el a r g ea n dh e a v ys t r u c t u r e sw h i c ha r en e e d e dt ob ec a r r yi nc o n s t r u c t i o n p r o c e s s b u tj u s to n e c r a n eu s u a l l yc a n tf u l f i l lt h et a s k 1 1 1 eu s eo fc o o p e r a t i v ec r a n e s c a l ln o to n l yi m p l e m e n tt h et a s ko fc a r r y i n gt h eh e a v ys t r u c t u r e ，b u ta l s ot a k ef u l l a d v a n t a g eo ft h ee q u i p m e n t s ，a n dr e d u c et h ec o s t t h ea r t i c l e st a l k i n ga b o u ts e v e r a l c r a n e s c o o p e r a t i o nj u s te x p l a i nh o wt o f i n i s has p e c i a lt r a n s p o r t a t i o n ，a n dt h e m o v e m e n to fe a c hc r a n ei sd i r e c t e db ys o m ep e o p l ei ns c g n e b a s eo na n a l y z i n go n e s i n g l ec r a w l e rc r a n e sl o a da n dm o v e m e n t , t h i sa r t i c l ea n a l y z e st h ec o o p e r a t i v e c r a n e s l o a da n dm o v e m e n t a n dp r o v i d e st h em e t h o dt or e s o l v et h ep r o b l e m , 嬲w e u s es e v e r a lc o o p e r a t i v ec l a n e st oc a r r yt h es t r u c t u r e n em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e r c a l lb ec o n c l u d e da sf o l l o w s ： 1 a c c o r d i n gt ot h eg e n e r a ls t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so fc r a w l e rc r a n e ，a n a l y z i n g a n dc o m p u t ei t sm o v e m e n ta n dl o a d c h e c k i n gt h e6 t a n e ss t a b i l i t yu n d e rw o r k i n g c o n d i t i o n s ，w h i c hi sa f f e c t e db yh e a v yw e i g h t ，i n e r t i a lf o r c e ，w i n dp o w e ra n do t h e r f a c t o r s - 2 a n a l y z i n gt h el o a dp r o b l e mw h e ns e v e r a lc r a w l e rc r a n e sw o r kt o g e t h e r p r o v i d eo n em e t h o dt od i s t r i b u t et h el o a d , a n ds h o wh o wt oc a l c u l a t e 3 a d o p t i n gt h em e t h o do fi n v e r s ek i n e m a t i c a lc a l c u l a t i o n ，s h o wh o wt o c a l c u l a t ee a c hc r a w l e rc r a n e sm o v e m e n ta c c o r d i n gt h es t r u c t u r e sm o v e m e n t 4 e x p l a n t i n gt h ek n o w l e d g eo fc o m p u t e rg r a p h i c si n t ot h et r a n s p o r t a t i o nd e s i g n ， u s i n gb o u n db o xa n dc y r u s - b e c kc l i p p i n ga l g o r i t h mt oa v o i da n yp o s s i b i l i t yo f c o l l i s i o nb e t w e e nl o a da n do b s t a c l e 5 g e n e r a l l yd e s i g no n es y s t e mt om a n a g e ，c a l c u l a t ea n dm o n i t o rt h ed a t au s e di n t h et r a n s p o r t a t i o n k e yw o r d s ：c r a w l e r c t a n e ，l o a dd i s t r i b u t i o n , m o v e m e n t si n v e r s ec a l c u l a t i o n ， c o l l i s i o nt e s t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：吾心茂乏l 签字日期：2 u 。_ 7 年6 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤星盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：鼍譬葛l 导师答名： 签字日期：2 ) o 年月f 日 捌砂严多月汐日 第一章绪论 第一章绪论 随着土木，建筑工程的发展，大体积，大吨位的结构物已越来越常见。一方 面，虽然当今起重机向大型化发展很快，起重能力也屡创新高，但是单台起重机 仍然难以满足大规模施工的需要。另一方面，对在工程施工中面临的大吨位结构 物的吊装问题，使用多台起重机协同作业，既能完成单台起重机难以实现的大吨 位结构物吊装的任务，又可以充分利用现有的起重设备，提高设备的使用率，降 低成本。所以采用多台起重机联合协同作业是对大型结构物吊装的主要手段之 一。履带式起重机是大型建设工程中的主力起重机。因而本文就履带式起重机协 同作业的问题进行研究。 1 1 履带式起重机的特点和发展 起重机械是一种间歇动作的机械，它的特点是通过重复短时的工作循环，周 期性的搬运物品。起重机械分为起重机，轻小型起重设备，升降机三种【l 】。其中 起重机是指出了起升机构外还有水平运动机构的起重设备。起重机的分类方法有 很多种，如按支撑方式分，按工作机构的驱动方式分，按机动性分，按主要用途 分等，最为通常的分类方法是按构造特征将起重机分为桥架类起重机( 具有一个 桥架形式的承载机构) 和臂架类起重机( 有一个承载的臂架) ，参见图1 1 。 桥 式 起 鼋 机 起鼋机 桥架起蕈机ii 臀架起霞机 翌1 l ； 起ll 起 蕈l l 蕈 机il 机 桅 杆 起 霞 机 悬 臂 起 蕈 机 运行臂梨式起蕈 汽 审 起 鼋 机 图i - i 起重机的分类 引l 蓐 鬟l l | | 塔 武 起 重 机 履带起重机是属于臂架类的流动式起重机，是装卸设备中最重要的主力起重 机之一。这种起重机具有起重量大、接地比压小、爬坡能力大，臂架具有多种组 第一章绪论 合方式、可带载行走等特点，广泛地应用于水利、电力、石油化工、港口和桥梁 等大型建设工程，对减轻繁重的体力劳动，保证工程质量，加快建设速度，提高 劳动生产率起到了巨大作用【2 】。 履带式起重机凭借其特有的优势，应用日益广泛，产品的系列、性能和功能 日趋完善。目前履带式起重机的发展趋势为： 1 重型化 目前起重机行业的一个重要发展趋势是发展超大型起重机。由于各重点工程 向大型化发展，所需构件和配套设备重量不断增加，对大型起重设备的需求越来 越多。德国的德马克( d e m a g ) 公司生产的c c l 2 0 0 0 型和c c l 2 6 0 0 型起重机 起重量分别为1 2 0 0 吨和1 6 0 0 吨，c c l 2 0 0 型增加超起装置后，起重量高达3 0 0 0 吨，是目前世界之最。 2 智能化 由于起吊的单件自重和高度的越来越大，被吊物品造价昂贵，因而对起吊的 安全性与可靠性提出了越来越严格的要求。而且随着计算机和电子技术的不断发 展，逐步完善的计算机控制技术和集成传感技术在起重机上得到广泛的应用。先 进的电子控制和电脑控制系统的应用越来越多，实现了自动化和半自动化控制， 从而大大提高了起重机的安全性和可靠性，同时也提高了生产率。神户制钢公司 的吊重自动走水平控制器( a u t o m a t i cl e v e ll i i l i n gc o n t r o l l e r ) ，只用一个操纵杆 控制，使货物在臂架变幅过程中始终保持在同一水平高度。而在一般情况下，为 保证重物的水平移动，操作者必须同时操作两个操纵杆，并且还要依靠视觉和工 作经验来判断升降高度。 3 自行拆装系统的配备 拆卸，组装性能将成为履带式起重机的一个重要指标。由于自重，履带起重 机无法在公路上行驶，必须拆卸运输。因此起重及的自拆装能力越来越受到重视。 美国马尼托沃克( m _ 伽t o w o c ) 生产的m - 2 5 0 型履带式起重机可在一个小时 内完成拆装。【3 】 1 2 起重机协同作业的现状 在实际施工中，很少出现三台以上的起重机联合吊装的情况。但两台起重机 协同吊装的情况，是比较常见的，一般都是出现在建筑施工中。一种情况是使用 完全相同的两台起重机进行吊装，这两台起重机一般是同一种型号的，而且两台 起重机的机位和工作状态是对称的，容易计算起重机的动作和载荷，现场指挥也 比较简单，比较容易保证施工过程的安全性。 第一章绪论 另一种情况是采用两台以上，型号或种类不相同的起重机。使其互相配合， 完成被吊重物的树立，倾斜偏移等动作参见图1 2 。根据在吊装过程中的作 用的不同，把参加施工的起重机分为为主起重机和辅助起重机。主起重机在吊装 过程中起主要作用，承担太部分载荷，辅助起重机主要是用来配合主起重机的吊 装工作，完成被吊装重物的动作要求，也承担一部分载荷。有时还采用其他起重 机械进行配合其目的是充分发挥各起重机械的作用来完成吊装任务，提高工作 效率，降低施工成本，提高安全性能，主要用于塔柱粪构件和钢结构的吊装。参 见图1 - 3 ，如在吊装钢结构立柱时两台塔吊为主起重机，塔吊的吊装小车分别 吊住平衡粱的两个端点，平衡粱的中心用钢丝绳连接着柱子一端的吊点，汽车吊 为辅助起重机，它负责吊起柱子的另一端。三台吊车同时起钩柱子吊到半空中， 然后两台塔吊同时提升，提升速度大于汽车吊的起升速度，这样柱子就慢慢立起 来，柱子与地面成9 0 度之后，解开汽车吊的钢丝绳由两台塔吊将柱子移到相应 的安装位置上。 在介绍多台起重机联合作业的实际施工过程的文献中，每台起重机的载荷都 是确定的，而且实际分配到各台起重机的起重量只有其额定起重量的7 5 2 e 右。 在施工方案的制定中，只进行了简单的载荷计算，甚至有的在载荷余量充裕的情 况下，都没有考虑超载的问题，使用多台起重机吊装的目的仅仅是为了能控制被 吊重物在空间中的姿态。而且在制定施工方案过程中，出于安全考虑，也是尽量 避免用多机抬吊的方法进行吊装作业。 4 1 圈l - 2 两种吊车配合图1 - 3 使用吊粱 起重吊装技术手册中提到了在大跨径网架屋盖的整体吊装施工中，使用 多机抬吊法该方法是利用两台以上的起重机联合作业，起重机的位置固定不变， 将地面错位拼装好的屋盖，整体吊过柱顶后，在空中进行位移降落就位安装固 第一章绪论 定，并说明该方法只适用于重量和高度都不大的中小型网架结构5 1 。书中对吊装 过程中的具体情况没有说明。 1 , 3 碰撞检测问题的研究现状 碰撞检测问题按运动物体所处的空间可分为二维平面碰撞检测和三维空间 碰撞检测。近1 0 几年来，许多专家学者对二维碰撞问题进行了深入的研究，并 取得一些很好的结果，提出了许多算法：t e t s u y a ，t o s h i a k i 和m a r i o 等人提出了 一种称为空间占有的方、法【6 】；c h i n 及w a n g 研究了两个多边形的相交和最小距离 问题【7 】；李庆华利用凸多边形顶点集上的偏序关系，采用四分搜索方法构造了判 定凸多边形沿一定方向运动时是否与另一凸多边形相撞的问题网；d a v i db a r a f f 研究了平面内多个凸多边形的碰撞问趔9 1 。 三维物体的干涉检测分两大类：静态干涉和动态碰撞检测。动态碰撞检测就 是沿特定轨迹移动的物体的干涉检测。主要有两类技术被用于动态碰撞检测。第 1 类技术是基于在给定轨迹上反复利用静态干涉检测的“单步检测”方法， m a r u y m n a 介绍了多面体之间的静态干涉检测的一般方法【1 0 1 ，提出了递归空间分 割算法和一般的面对面相交算法。第2 类技术是基于产生称之为“扫描实体”的物 体，构造实体几何模型( c s g ) 是由c 锄e r o n 【l l 】和w a n 9 1 1 2 】提出来的。g a n t e r 及 i s a r a n k u r a 细化了单步检测方法【1 3 1 ，提出了空间分割技术的方法；h a h n 采用层次 包围盒技术来加速多面体场景的碰撞检测【1 4 】；m o o r e 与w i l h e l e m s e l 5 】根据 c y r u s b e c k 裁剪算法f 1 6 】提出了凸多面体碰撞检测算法；d a i 将物体简化为凸壳、 球壳和柱壳，通过计算中心点的距离与它们半径之和的关系来判定两物体是否可 能碰撞【1 7 1 。 1 4 本文的研究内容 本课题主要目的是通过对单台履带式起重机吊装过程的运动，载荷的分析， 结合多台起重机协同作业的特点，研究多台起重机协同作业的载荷和运动情况， 提出制定吊装方案的方法，指导吊装过程的进行。本论文的主要内容为： 1 简单介绍了履带式起重机的机械结构和吊装动作，在此基础上详细分析了履 誓特式起重机吊装过程中的运动和技术参数，如起升高度，工作幅度和臂架类 起重机特有的起重特性曲线。 2 对单台起重机的各种载荷和起重机在各种载荷下的抗倾覆稳定性情况进行 分析和计算。 。 第一章绪论 3 对多台起重机协同作业时的载荷特点进行了分析，针对起重机拉力静不定的 特点，提出按照一定的规则对载荷进行动态分配的解决方法。并根据起重特 性曲线，运用计算机图形学的方法，求解不同幅度下的额定起重量。 4 针对多台起重机协同作业时运动的特点，采用运动学逆解的思想，提出对结 构物的动作进行规划后，由结构物的动作来确定起重机的动作的方法，并对 计算方法进行了详细说明。 5 对被吊装结构物和障碍物的结构特征进行合理近似，运用碰撞检测方法检验 重物在运动过程中是否与障碍物发生干涉。并依据多机吊装的特点，提出避 免起重臂与重物和障碍物发生碰撞的约束方法。 6 设计了多台起重机协同作业的综合管理系统，以完成数据管理，仿真计算和 数据检测的功能。 第二章履带式起重机的参数及计算 第二章履带式起重机的参数和计算 本章结合履带式起重机结构特征和运动特点，主要研究影响吊装方案确定的 工作参数，载荷和起重机抗倾覆稳定性等各个因素。 2 1 履带式起重机的机械结构及运动情况 2 1 1 标准型履带起重机的机械结构 履带式起重机按照整机结构形式分为标准型履带起重机，塔式履带起重机， 辅助平衡重式履带起重机【1 8 】。现在已以标准式为例介绍履带式起重机的机械结 构，如图2 1 所示，起重机主要由从动轮，后支撑杆，前支撑杆，拉索，防后倾 装置，吊臂，滑轮，吊绳，吊具，机身，底盘，履带，承载轮，主动轮组成。 1 从动轮2 后支撑杆3 前支撑杆4 _ 拉索5 防后倾杆6 吊臂7 滑轮8 吊绳9 一吊 具1 0 一机身1 1 底盘1 2 承载轮1 3 主动轮1 4 _ 履带 图2 1 履带式起重机结构图 履带起重机的各机械结构说明如下： 1 主动轮，从动轮，承载轮都连接在底盘上，通过主动轮的轮齿带动履带 转动，再由履带带动整个起重机运动。 2 车身通过转动副连接在底盘上，车身可围绕底盘作3 6 0 。自由旋转。 3 前后支撑杆铰接在车身上组成三角架。 第二章履带式起重机的参数及计算 4 拉索的一端通过滑轮连接在车身的三角支架上，另一端通过吊臂上的滑 轮连接在吊臂上。在吊臂作上下摆动时主要依靠拉索的拉力。 5 防后倾装置的一端铰接在车身上，另一端铰接在吊臂上。在履带起重机 突然卸载或吊具( 载荷) 突然脱落时，系统在弹性形变阶段吸收的能量 引起臂架反弹，平衡用的拉板和柔性拉索变幅钢丝绳不能承压，所以就 要靠该装置来防止臂架后倾。另外，起重机的吊臂在作回转运动时，放 后倾装置起主要的支撑作用。 6 吊绳的一端通过吊臂上的滑轮绕过吊臂连接在车身上，另一端与吊具连 接。 7 。起重臂的一端铰接在车身上，另一端上装有滑轮，通过滑轮与拉索连接。 2 1 2 履带式起重机在吊装过程中的动作 一般把履带式起重机分为四大机构，每个机构实现一种动作： 1 起升机构：包括取物装置，钢丝绳卷绕系统以及驱动装置等部分，它实 现了吊绳和吊具的上升和下降动作。 2 运行机构：包括传动，行走，转向，制动四个主要系统，它实现了起重 。 机整体向前，向后和转弯行驶。 3 变幅机构：是依靠起重臂绕其与机身的水平铰轴转动实现变幅，从而达 到改变起吊范围的目的。起重机的变幅按照工作性质分为非工作性变幅 和工作性变幅。非工作性变幅是指在空载条件下，以调整取物装置的工 作位置为目的的变幅。工作性变幅是在带载条件下的变幅。为了提高生 产率，节约驱动功率和使操作平稳可靠，工作性变幅一般都采用平衡变 幅，即应用各种方法是起重机在变幅过程中物品的重心沿水平线或近似 水平线运动，而臂架系统的重量由活动平衡重来平衡，两者的合成重心 也沿水平线移动或固定不动【l 】o 所以在考虑通过臂架旋转实现变幅时， 不考虑被吊重物在铅锤方向上的运动。 4 旋转机构：包括旋转支承装置和旋转驱动装置两大部分，它实现机身回 转及以上部分绕其旋转轴在水平面内3 6 0 。的旋转。 将旋转、变幅和起升三个机构配合动作，就可以使被起吊重物在起重机幅度 所能达到的范围内任意的移动，从而扩大了作业范围。履带式起重机还可以带载 行走，可以实现被吊重物的大范围转移。因此，对起重机吊装过程中的动作进行 规划时，就是考虑如何协调起升，运行，变幅，旋转这四个动作，来实现被吊重 物要求的动作。 第二章履带式起重机的参数及计算 2 2 履带式起重机的主要参数及其计算 图2 - 2 履带式起重机参数计算简图 一、额定起重量 起重机在正常工作时，允许起吊的物品重量和可以从起重机上取下的取物装 置重量之总和，成为额定起重量。抓斗和电磁起重机的额定起重量包括物品和抓 斗或电磁吸盘的重量。履带式起重机的额定起重量对于不同的幅度是可以不同 的。最大额定起重量是指起重机在基本臂工况下，最小幅度时所起吊重物的最大 质量。决定起重机起重量的因素有两个，一时起重机的结构与结构强度，二是起 重机的整机稳定性，即起重机的臂长和幅度。 二、起重力矩 起重力矩是臂架类起重机的主要技术参数之一，它等于额定起重量和相应的 工作幅度的乘积，即： m = 鲫( 2 1 ) 式中：m 起重力矩，n x n l ； q 最大额定载荷，n ； r 工作幅度，m 。 起重力矩比起重量能更全面地说明臂架类起重机的工作能力。般情况下， 额定起重量随幅度变化的臂架类起重机，其最大起重力矩由最大起重量和与其对 应的工作幅度决定。 根据g b6 0 6 7 8 5 起重机安全规程规定：履带式起重机、起重量大于或 等于1 6 t 的汽车起重机、起重能力等于或大于2 5 t m 的塔式起重机应设置力矩限 第二章履带式起重机的参数及计算 制器。当检测到的力矩超过规定值时，会自动停止起重机向危险方向运动，并发 出报警信号，但允许向安全方向运动。所以在多台起重机联合作业的时候，当一 台起重机超载时，超载起重机的载荷不会立刻分配到其他起重机上，造成其他起 重机的超载。 三、起升高度 起升高度是指从地面或轨道顶面至取物装置最高起升位置的铅垂距离( 吊钩 取钩环中心，抓斗、其他容器和起重电磁铁取其最低点) ，单位为米( m ) 。如果取 物装置能下落到地面或者轨道面以下，从地面或轨道顶面至取物装置最低下放位 置间的铅垂距离称为下放深度【1 9 1 ，此时总起升高度h 为轨面以上的起升高度且 和轨面以下只的下放深度之和，即h = h + h 2 。臂架长度可变的履带式起重机 的起升高度随臂架的仰角和臂长的变化而变化。 1 吊装时所需高度日 起升高度与被吊重物上吊耳的位置、吊索的选择以及现场障碍物的高度有 关，如下所示【2 0 】： h = 红+ + 呜+ 九 ( 2 2 ) 式中庇被吊重物高度( 或被吊重物底端到绑扎点的高度) ： 氟索具高度，亦即自绑扎吊点至吊钩底的高度； 鬼起吊后安装时最少应留的工作余裕高度( 不少于1 0 厘米) ，或 根据需要决定； 见基础面( 或下层结构物顶部) 的高度加上起重机停放处的地面 高度与基础处地面高度的差值，如在地势平坦处，差值可不予 考虑。 2 起重机的有效高度日 将实际工作幅度代替公式( 2 - 6 ) 中的k ，代入起重臂仰角和其它参数，计算 由被吊重物结构特征条件要求的最大起升高度，即为一定工作幅度下的有效起升 高度。 吊装过程中，所需高度日与起重机有效高度日的关系如下所示： h h ( 2 - 3 ) 当两者的的关系不满足( 2 3 ) 时，需要调整起重机的工作幅度。 四、工作幅度 、 工作幅度是指起重机处于水平位置时，回转中；心线与取物装置中心铅垂线之 间的水平距离，它表示起重机的作业范围，也是起重机起重能力的又一衡量标志 【2 。最大幅度是指起重机工作时，臂架倾角最小时的幅度；最小幅度是指起重机 工作时，臂架倾角最大时的幅度。如图2 2 所示，起重机的工作幅度为【5 】： r = ，+ e 斗f ( 2 4 ) 第二章履带式起重机的参数及计算 式中：，起重机旋转轴至起重臂下轴中心的距离； ，被吊重物起吊中心至其边缘的距离： e 起重臂下轴中心至被吊重物边缘的距离。 e = g s i n a + ( h - c ) c t g a( 2 4 ) 其中g 被吊重物边缘与起重臂之间应留的水平空隙，根据具体情况 决定，一般不小于0 4 - - , 0 5 米； h 吊装时地面至被吊重物顶端的高度。 h = h 一吃 ( 2 - 5 ) c 起重臂下轴中心至地平面的高度； 口起重臂的仰角。 在确定起重机最大和最小工作幅度的过程中，将整个吊装过程中应考虑的各 种安全裕量作为约束。最大工作幅度k 由起重载荷和起重机自身的特性决定， 在考虑载荷安全系数k 的前提下，由起重机特性曲线得出( 见3 3 2 节) 。最小 工作幅度k 以吊装过程不碰卡起重臂为条件求出，即满足以下约束： iq = q l c o s a g s i n a + ( 办一c ) c i 窖口+ ， ( 2 - 6 ) i 。l c o s a + ， 式中三起重臂长。 公式中其他参数如公式( 2 1 ) 至( 2 5 ) 中所述。利用优化算法可求出仰角口值， 进而求得最小工作幅度，详细算法见4 - 3 节。1 五、起重特性由线瞄】 起重特性曲线是表示起重机作业性能的曲线，包括表示起重量与幅度关系的 曲线( 见图2 - 3 ) 和表示起升高度和幅度关系的曲线( 见图2 4 ) 。在起重量特性曲线 的图形中，起重作业安全区是由钢丝绳强度线、臂架强度曲线和起重机稳定性曲 线的包络线所限定的区域。根据受力分析可知，臂架是一个压弯构件，作用在臂 架上的起升载荷可以分解为垂直于臂架和沿臂架轴线两个分力。其中，垂直载荷 在臂架上产生弯矩，同时对起重机产生倾翻作用；沿臂架轴线的载荷对臂架产生 压力。两个分力随着臂架幅度的变化而变化。在起升载荷和臂长不变的情况下， 幅度越小，起升载荷对臂架的压力越大，而倾翻载荷越小；幅度越大，倾翻载荷 越大，对臂架的压力降低。因此，在小幅度时，起重量受臂架强度制约，超载可 能发生臂架破坏；在大幅度时，起重量受起重机稳定性制约，主要危险是丧失稳 定引起起重机倾覆；而起重机的最大起升载荷又受钢丝绳强度制约，超载会导致 钢丝绳断裂。在臂架处于任何幅度，只要起重力矩超出安全区的操作都属于违章 超载。 i 第二章履带式起重机的参数及计算 q 啦： 删 裂 0 幅度 r 图2 3 起重特性曲线 0 幅度 r 图2 - 4 起升高度曲线 在起升高度曲线中，起升高度也是随着幅度的增大而减小。 起重特性曲线是进行起重作业的操作依据，应根据起重机的臂架幅度，严格 控制起重量使之处于特性曲线限制的安全区内不超载。同时，特性曲线也是起重 事故分析的重要参考依据。对事故进行分析时，还应该综合考虑风力、操作速度 不当引起的惯性力、支腿支撑基础变化、臂架的弹性下挠等非起重量超载原因给 起重机带来的实际超载影响，这些都可以借助特性曲线进行分析，获得定性判断。 六、工作速度 履带式起重机各机构的工作速度根据工作要求而定，包括起升速度、回转速 度、变幅速度和运行速度。 起升速度圪是指起重机在稳定工作状态下，额定载荷的垂直位移速度口1 1 。 装卸工作要求尽可能高的速度，一般用途的起重机采用中等的工作速度，安装工 作有时要求较低的工作速度( 达l m m i n 以下) 【5 】。 回转速度缈是指稳定运动状态下，起重机转动部分的回转角速度【2 1 1 。回转速 度快慢受到回转起( 制) 动惯性力的限制，一般n = 1 5 3 r r a i n 。 变幅速度形是指起重机稳定运动状态下，取物装置从最大幅度到最小幅度时 沿水平方向移动的平均线速度【2 1 1 。它对起重机工作的平稳性及安全性影响较大， 般其平均值为1 5 m r a i n ，变幅时间为3 0 6 0 s 。 运行速度k 是指稳定运动状态下，起重机运行的速度【2 1 1 。运行速度随起重 机的用途而副5 1 。 第二章履带式起重机的参数及计算 2 3 履带式起重机的载荷及其计算 作用在起重机上的载荷主要有自重载荷、起升载荷、惯性载荷、冲击载荷、 风载荷、坡度载荷、起重机偏斜运行时的水平侧向载荷、碰撞载荷。此外还有安 装和运输载荷以及某些工艺性载荷等。本文不全部说明，只考虑较主要的几个载 荷。 一、自重载荷 起重机自重载荷包括起重机的金属结构自重、机械设备自重、电器设备自重 以及附设在起重机上的其它装置的自重。载荷的作用方式可以分别考虑，一般情 况下，机械设备和电气设备的载荷视为集中载荷。1 5 起升质量突然离地起升或下 降制动时，自重载荷将产生沿其加速度相反方向的冲击载荷作用。在考虑这种工 况情况时，应将自重载荷乘以冲击系数。，一般情况下0 9 ， 1 t 1 9 1 。自重载荷 主要用于考虑起重机对地面的压力。 - 二、起升载荷 起升载荷是指起升机构工作时，处于升降运动中的所有质量的重力。它包括： 允许起升的最大物品重力、取物装置( 下滑轮组、吊钩、吊梁、抓斗、容器、起 重电磁铁、集装箱用具等) 的重力、悬挂挠性件以及其它处于升降中的设备等的 重力。当起升高度小于5 0 米时，起升钢丝绳的重力可不考虑。 三、动力载荷 动载荷是由于起重机机构运动状态改变时( 如起动、制动) ，产生的振动载荷 和惯性载荷的总称。当物体运动速度的大小和方向发生变化时( 吊重起升、下降 时起、制动，转台旋转等) 产生惯性载荷。起重机的金属结构和机构零部件共同 构成弹性系统，外载荷的骤然作用将使系统产生弹性振动，振动使载荷增加，载 荷的增量称为振动载荷。【2 4 】 在处理现场使用起重机进行吊装作业时，一般只考虑惯性载荷。起重机各构 件产生的惯性力按刚体动力学原理计算，即惯性力等于所考虑构件的质量与该质 量重心加速度的乘积；各构件惯性力的作用点在构件重心上。 1 运行机构起动、制动时产生的惯性载荷r 运行机构在起动或制动时，起升载荷和自重载荷会产生水平惯性力。当正常 起动或制动时，水平惯性力玮为： 晶= ( + 刀k ) 口( 2 7 ) 式中： 起升载荷质量，k g ； 起重机的自重载荷质量，k g ： a 运行机构的平均加速度，m s 2 。 第二章履带式起重机的参数及计算 2 旋转机构产生的惯性载葡 起重机回转时，由于离心力把重物向外抛，从而产生一个不利于稳定的力矩。 此离心力的大小为【2 5 1 ： 只刀2 r 最= 兰百 ( 2 - 8 ) 。 9 0 0 一矿h 、 式中： p n 起升载荷，n ； 刀旋转机构的转速，r m i r a 尺幅度，m ； h 吊物至起重臂端的高度，m 。 3 起升机构工作时产生的惯性载荷 当起升质量突然离地起升或下降制动时，起升载荷将对结构( 铅垂方向) 和传 动机构产生附加的动载荷，按照公式( 2 9 ) 计算： pv p p = 】卫( 2 9 ) 醇 式中： p n 起升载荷，n ； m 吊重起升速度，m s ； 起升机构起动、制动时间，s ； g 重力加速度，t r d s 2 。 4 变幅机构起动、制动时产生的惯性载荷 当变幅机构起动、制动时，吊重会受到水平和垂直两个方向上的惯性力，大 小等于吊重的质量乘以该方向上的加速度。履带式起重机在工作时的变幅主要是 平衡变幅，所以主要考虑水平方向上的惯性力，1 1 0 d ， 最= 等 ( 2 1 0 ) 羁 式中： p 0 起升载荷，n ； ： v ，变幅速度，m s ； f ，变幅机构起动、制动时间，s ； 奎重力加速度，m s 2 。 5 吊重的偏摆 对于履带式起重机，旋转启动或制动时货物的切向惯性力和离心惯性力，变 幅起动或制动时货物的水平惯性力，货物所受的风力等，使悬吊货物的挠性钢绳 对铅垂线产生偏角口，此时，在吊臂头部会产生一个水平力丁( 参见图2 _ 4 ) 。以 上各力不一定作用在同一平面和同一方向，但是由于货物来回摆动的周期长，衰 减慢，各种载荷有可能叠加。在图2 5 中，吊臂处于o a 位置，旋转机构和变幅 机构同时起动，产生货物惯性力岛和尾。当吊臂旋转到o b 位置时，旋转机构 第二章履带式起重机的参数及计算 起动完毕，但切向加速度引起货物的来回摆动仍在原来的平面内继续进行。假定 此时货物又受到风载荷作用，晶，、& 、岛、全部载荷叠加。 可以看出，吊重所受到的重力和惯性力，全部通过钢丝绳作用在了起重臂的 悬挂端。 p 切p 风 呻斗呻斗 bp e p 离 图2 5 吊重偏摆载荷图2 - 6 作用力的叠加 四、风载荷【2 3 】 凡在露天作业的起重机均应考虑风载荷的作用。风载荷会给起重作业造成干 扰，引发事故，有时甚至给起重机带来灾难性的后果。起重机的风载荷分为工作 状态风载荷和非工作状态风载荷两类。工作状态风载荷是起重机在正常工作情况 下所能承受的最大计算风力；非工作状态风载荷是起重机非工作时所受的最大计 算风力( 如风暴产生的风力) 。 1 风载荷的计算 认为风载荷是可沿任意方向作用的水平力。但在计算起重机的风载荷时，应 考虑风对起重机是沿最不利的方向作用。风载荷的大小按公式( 2 1 1 ) 计算； 弓= 刁吻s( 2 1 1 ) 式中：昂作用在起重机或物品上的风载荷，n ； ，7 风力系数，也称风载体形系数( 见表2 - 3 ) ； 矿风压高度变化系数； p 计算风压，n m 2 s 起重机或物品垂直于风向的迎风面积，m 2 2 计算风压( 标准风压) p 计算风压与空气密度和风速有关，可按式( 2 1 2 ) 计算： p = 0 6 1 3 v w 2( 2 - 1 2 ) 式中：匕计算风速，m s ； 计算风压是按空旷地区离地1 0 米高度处的计算风速确定的。工作状态的计 算风速按阵风风速( 即瞬时风速) 考虑，非工作状态的计算风速按2 分钟内的平 第二章履带式起重机的参数及计算 均风速考虑。 计算风压分三类：局，见，岛。 风：第l 类计算风压，是起重机正常工作状态的计算风压。它用于选择电 动机功率及机构零部件发热和磨损的验算。 办：第2 类计算风压，是起重机工作状态的最大计算风压。它用于计算机 构零部件和金属结构的强度、刚度及稳定性，验算驱动装置的过载能力及整机工 作状态下的抗倾覆稳定性。 见：第3 类计算风压，是起重机非工作状态的计算风压。它用于验算此时 起重机机构零部件及金属结构的强度，整机抗倾覆稳定性和起重机的防风抗滑装 置，锚定装置的设计验算。 室外工作的起重机的计算风压见表2 1 ： 表2 二l 起重机的计算风压 工作状态计算风压非工作状态计算风压 地区 a见 岛 i内陆 1 5 05 0 0 叫5 0 0 沿海 0 6 p 2 2 5 06 0 0 1 0 0 0 台湾及海南诸岛 2 5 01 5 0 0 注：a 沿海地区系指大陆离海岸线1 0 0 k m 以内的大陆或海岛地区。 b 特殊用途起重机的工作状态计算风压允许作特殊规定。流动式起重机的工作状态计 算风压，当起重机臂长小于5 0 m 时取1 2 5n ，m 2 ；当臂长等于或大于5 0 m 是按使用要求决定。 c 非工作状态计算风压值：华北、华中和华南地区宣取小值；西北、西南和东北地区 宜取大值；沿海以上海为界，上海可取8 0 0 n m 2 ，上海以北取较小值，以南取较大值；在内 河港口峡谷风口，经常受特大风暴作用的地区( 如湛江等地) 工作的起重机，其非工作状态 计算风压应按当地气象资料提供的常年最大风速，并用公式( 2 一1 2 ) 计算；在海上航行的浮式 起重机，可取p 3 = 1 8 0 0 n m 2 ，但不考虑风压高度变化，即取w - - 1 。 3 风压高度变化系数矿 起重机的工作状态计算风压不考虑高度变化( 矿= 1 ) 。所有起重机的非工作 状态计算风压均需考虑高度变化。计算风载荷时，可沿起重机高度划分成2 0 m 高的等风压段。以各段中点高度的系数乘以计算风压。风压高度变化系数矿的 取值按陆上、海上及海岛两种情况计算。陆上为： 方：们 l 1 0 ( 2 1 3 ) 海上及岛上： 第二章履带式起重机的参数及计算 形：0 2 l 1 0 f 2 1 4 ) 式中：日距离地( 或海) 面的高度，m ； 4 风力系数7 7 ： 风力系数与结构物的体形、尺寸有关。一般起重机单片结构和单根构件的风 力系数，见表2 2 ： 序号结构形式 7 7 l 型钢制成的平面桁架( 充实率0 9 = 0 3 0 6 )1 6 51 3 型钢、铜板、钢板 l l l 1 01 4 2l 为构件或结构长度，m 2 01 6 梁和箱形构件 3 01 7 h 为构件迎风面积的高度，m 4 01 8 5 01 9 11 3 g d 23 。 1 2 3 圆管及管结构 g 为计算风压，n m 2 71 0 d 为管子外径，m 1 00 9 1 30 7 4封闭司机窜、栩器房、平衔重、钢幺幺绳和物品 1 1 1 2 5 迎风面积s 起重机结构和物品的迎风面积应按最不利迎风方位计算，并取垂直于风向平 面上的投影面积。单片结构的迎风面积为： s = 叫 ( 2 1 5 ) 式中：s 结构或物品的实际迎风面积，m 2 ； 4 结构或物品的外轮廓面积，m ? ； 0 3 结构的充实率，参看表2 3 表2 3 结构的充实率 实体结构和物品 1 o 机构 0 8 1 0 受风结构类型和物品 型钢制成的桁架 0 3 o 6 钢管桁架结构 0 2 旬4 对于两片平行平面桁架组成的空间结构，其整体结构的风力系数可取单片结 构的风力系数，而总的迎风面积应为： s = q 4 + 咤4 ( 2 1 6 ) 第二章履带式起重机的参数及计算 式中：s 结构或物品的实际迎风面积，m 2 ； 4 前片结构或物品的外轮廓面积，m 2 ； 以前片结构或物品的外轮廓面积，i n 2 ； 蛾前片结构的充实率； 筋后片结构的充实率； z 两片相邻桁架前片对后片的挡风系数。它与前片结构的充实率 m 及两片桁架之间的间隔比b h ( 见图2 7 ) 有关，按表2 - 4 查取 表2 4挡风系数 q 0 10 2 0 3 o 40 50 6 lo 8 40 7 00 5 70 4 00 2 5o 1 5 2 0 8 70 7 5 o 6 2 0 4 9 0 3 30 2 0 30 9 0o 7 80 6 4o 5 30 4 00 2 8 间隔比b h 40 9 20 8 l0 6 5o 5 60 4 40 3 4 5 0 9 40 8 3 0 6 70 5 80 5 00 4 1 60 9 6o 8 5o 6 8o 6 00 5 40 4 6 吊运物品的迎风面积应按其实际轮廓尺寸在垂直于风面上的投影来决定。物 品的轮廓尺寸不明确时，允许采用近似方法加以估算。 b 1 工 。l a 主 图2 7 并列结构迎风面积计算 2 4 履带式起重机稳定性的计算 起重机的稳定性是指起重机在自重和外载荷的作用下抵抗翻倒的能力。统计 资料表明，在臂架式运行起重机的重大事故中，丧失稳定的倾翻事故约占6 0 洲。 所以，为了保证履带式起重机能安全工作，必须进行抗倾覆稳定性的验算。履带 式起重机属于流动式起重机，流动式起重机的稳定性问题又分行驶稳定性问题和 起重稳定性问题。 国内外起重机抗倾覆稳定性的校核主要有三种方法：稳定系数法、按临界倾 第二章履带式起重机的参数及计算 覆载荷标定额定起重量和力矩法。 1 稳定系数法 这是以往我国沿用前苏联的一种方法，独联体国家目前仍在使用。稳定系数 定义为起重机所受的各种外力对倾覆线产生的稳定力矩和倾覆力矩的比值。稳定 系数作力起重机抗倾覆能力的判据，不能小于规定值。稳定系数有三种规定值： 工作状态下考虑附加载荷的载重稳定系数为1 1 5 ；工作状态下不考虑附加载载荷 的载重稳定系数为1 4 ；自重稳定系数为1 1 5 。 2 按临界倾覆载荷标定额定起重量 这是西方国家许多起重机制造公司常用的方法。这种方法是通过试验或计 算，得出起重机在不同幅度下达到倾覆临界状态时( 即稳定力矩等于倾覆力矩) 的起升载荷，称为“临界倾覆载