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作者:原北京市建筑工程机械厂技术服务部。专家:刘亚星



去年夏季又一次看到台风将沿海地区正在使用中的塔式起重机吹倒了几十台造成了不小损失的报道。中国自上世纪八十年代引进法国坡坦公司的塔机技术以来国产后的产品全面发展起来,中国人把塔机做成了白菜价不但在中国市场没了法国人的份,而且随着基建狂魔的中国建设大军中国产的塔机同中国产的其它工程机械设备一样也走向了全世界。

在我们昂首向前年产塔机上万台,建设工地无不塔机林立六七十米长的起重臂在百米高空自如的挥舞之际,还是时不时的发生一些意外的事故,在大风强台风来临时还是有个别塔机或自己或裹挟着生命从空中散落。面对这些我们是不是还有没做到的地方?

在从事塔机制造使用工作40 多年时间,多次参与塔机事故的调查比较认真的研究了塔机设计、制造、使用与事故之间的关系,此文主要分析大风与塔机安全之间的关系。

先说说要把塔机弄翻需要多大的力量吧。塔机型号规格有很多,但设计它们时都要遵守同一个标准:《塔式起重机国家标准》等相关的国家标准。在这里用通俗语言描述一下情况与其中一种型号的塔机。

八十年代初国家牵头相关科研部门生产企业参与引进购买了法国“坡坦”公司的部分系列塔式起重机的技术所有权及部分主体机构、电器控制、液压原件、专用电机等实物。数年后国产的具有当时国际领先水平的塔式起重机造了出来,当然现在全世界的塔式起重机大都是中国产的。这其中以型号: F0/23B最为典型。

塔机F0/23B 主要性能指标:(其它指标不在这讲)

最大自由高度:61.50 米。(安装在钢轨可水平移动)

最大工作半径:50.00 米。

最大吊重(14.5 米内)10吨。

最大工作半径吊重2.3 吨。

在设计、制造出厂综合测试验收时塔机要经过这样的试验过程。(我们的企业当时就是这样做的)

1 .负载00%~100% 自主单项或两项、三项机构同时动作(起升、回转、变幅、轮轨行走)操控正常、钢结构部件关键部位,检测钢材受力变形的应变片测量数值正常。试验操作6000吊次。

2 .负载100% (精确核准)自主单项或两项三项同时动作(起升、回转、变幅、轮轨行走)操控正常、全部结构件、各机构、电控不得有异常。

3 .负载100%~负载110%之间,操控过程中各安全保护装置逐渐启动保护功能,停止使塔机朝着危险操作继续进行。

4 .负载110% (精确核准) 失效塔机相关安全控制装置,自主单项或两项三项同时动作(起升、回转、变幅、轮轨行走)全部结构件、各机构、电控不得有异常。

5 .负载125% (精确核准) 自主单项动作(起升、回转、变幅、轮轨行走)各机构、电控不得有异常。

6 .负载133% (精确核准) 失效塔机相关安全控制装置,用另一吊装机械为塔机增加负载至最大负载的133%(例:最大负载为10吨增加至13.33吨。)塔机的钢结构不得有开焊、失稳、永久变形。

可见要把一台制造合格、安装正确、安全装置齐全、调定符合要求的塔机弄翻也不是一件容易的事情。那又是什么原因让大风把塔机吹翻了呢? 为了能在非塔机专业人士面前讲的明白一点在这里提示一些必要物理学知识。

(一) 塔机就像一个大杠杆。

(二) 塔机就像一个大风标。

(三) 塔机就像一个避雷针。

(四) 塔机就像一个雷达接收天线。

(五) 塔机就像一堵挡风的墙。

塔机就是一个大杠杆,加上一些卷扬机。如图所示:B~A 是支点区域,塔机不吊重物时塔机总质量的质心在支点区域靠近B处,塔机吊重物最大值时塔机总质量的质心在支点区域靠近A处。如果某一时刻塔机总质量的质心在支点区域外了就是塔机整体失稳的时候。

塔机在施工工地时通常都是工地的最高物体,必然成为迎接雷电、接收电波、阻挡来风的角色。

除了超载吊起重物外还有哪些因素让塔机失稳呢?或增加了失稳的动力。

(1 )吊大载重物时突然吊绳断裂在整塔机结构向吊重方向弹性变形状态时突然回弹的惯量冲击下塔身结构破坏或底架基础倾覆。

(2 )塔机基础的不均匀下沉,塔机质心偏移过多在叠加正常吊重时的质心移动超出支点区域而失稳。

(3 )塔机钢结构件开焊、联接件脱落局部失稳后整体失稳。

(4 )多塔机作业时被施以其它外力的弯距。

(5 )起重臂架,平衡臂架回转时的不平衡转动惯性矩产生的离心力。

(6 )空气流动风压对塔机的附加力。

塔机在设计时依据《塔式起重机国家标准》等相关的国家标准对这些都进行了相应的计算,安全保证机构、电器保证措施也一应俱全。另外再有配套的安全管理规章制度。保证了全国数十万台次塔机的安全使用。

在没有特别要求时通俗的讲:塔机在6 级风以下要能正常工作。在5级(10.7 m/s)风以下可进行自升高作业。6级(13.8 m/s)风以上塔机不能工作。7级及7级以上大风的时候塔机要如同风标一样可随风向顺风转动(平衡臂架指向来风方向)使塔机非工作状态时的倾翻力矩朝向来风方向,用吹来的风对抗倾翻力矩。这个想方法很是正确,不过由此而牵连的其它问题要说清楚并有相应的解决办法。通常把随风而转的现象称之为“风标效应”,塔机这种由风向改变臂架也随着转动的现象就是塔机进入了“风标效应”状态。现在我们回过头来再看看没有吊负载的塔机在大风中的情况。结构件的风压计算专有相应的国家标准。通俗理解:①没有漏空全面积的迎风面积* 风压*2(背负压)=应计算内的风压力。②由板、角、槽、工字型材拼成且有漏空的结构件按全面积计算风压力,不计算(背负压)。③由管型材拼成且有漏空的结构件按半面积计算风压力,不计算(背负压)。如特别需要再精细计算或风洞试验。

一般情况下塔机的起重臂架要大大长于平衡臂架,起重臂架一侧得到的风推力也远大于平衡臂架一侧得到的风推力,在风力的作用下起重臂架会顺着风转动直到与风向一致。

此时塔机就是一个大风标,(以塔机回转中心为中心点起重臂架为一边,平衡臂架为一边,在被大风吹时风阻大的一边会得到更大的转动力矩,当它克服平衡力矩后会顺风转动直到风力不能再推动时为止。)遵循着“风标效应”运动原则,尽可能使塔机维持在顺风状态。图 2描述了塔机在大风时的状态:

塔机这个有“风标效应”的家伙必经不完全是个大风标,在 6级风下还要完成赋予它的工作,它在6~7级大风的情况下依然要有操控能力,这包括在6级风时起重臂不但要有锁住臂架的能力还要有让起重臂架顶风运动的能力。在风力大于7级时无论塔机上有无操作人员,塔机有无供电塔机都应可进入“风标效应”状态。

要让塔机能够6 、7级风可操作,又可在大风时如风标一样进入“风标效应”状态,塔机要具备几个条件:

(1 )塔机的回转机构电源输入功率、变速器强度与此时的塔机情况匹配,且逆回转传动正常。

(2 )除塔机有电器减速制动外还要有不依靠电力的减速与制动机构。

(3 )塔机回转支点起重臂侧水平风阻力大于平衡臂侧风阻力。

以上这三个条件除第一个基本做到了其它两条大部分做的不好,每年被大风刮倒的几十台塔机中绝大多数是这个原因。

现在就一一分析。

我们把塔式起重机从以回转支承为界分为上下两个结构部分,上部分是随时可以转动在有风不大的情况下依然能正常工作,并在7 级风以上时主要参与“风标效应”的结构,对大风时塔机是否安全起着决定性影响。下部分则主要提供强度保障的结构同时也是塔机的主要迎风面。

建立一个无风条件下塔机回转工作的模型:

受控电源- 电机-联接机件-减速器-联接机件驱动塔机的上部分结构转动。此时塔机大小所配用的电机功率、减速器规格、调速控制原理符合《塔式起重机国家标准》即可。由于臂架与空气相对运动速度不大,空气阻力影响也不大。

建立一个6 级风条件下塔机回转工作的模型:

在大风环境下塔机要保持一个什么样的姿态最安全呢?当然是塔机进入“风标效应”状态。此时起重臂架与风向保持一致,平衡臂架指向来风的方向,让塔机非工作状态时的倾翻力矩与大风对塔机的倾翻力矩相互抵消。这一点我用于举例的 F0/23B塔机做的最好,现在绝大多数塔吊使用说明书中都没有见过在什么时候让塔机进入“风标效应”状态的词汇。

现在绝大部分塔机的起重臂架长度远大于平衡臂架的长度,从而起重臂架侧所受到的风压远远大于平衡臂架侧所受到的风压,不但加重了风对塔机结构稳定性的影响也增加了控制输入电源的功率及提高变速器传动功率。

为了让塔机起重臂架侧与平衡臂架侧的风阻匹配,(要控制起重臂架所受的风压大于平衡臂架所受的风压,压力差原则2~3 级风范围)还是F0/23B塔机做的好,在塔机起重臂架50米长完整安装时在平衡臂架上安装阻风板,当然阻风板做成广告牌也是可以的。在塔机起重臂架安装成20米长时,平衡臂架侧所受的风阻已经大于起重臂架了,大风时平衡臂架与风向一致,塔机的倾翻力矩与大风给的力矩叠加塔机很可能进入更加危险的状态,所以要求塔机起重臂架安装成20米时把阻风板从平衡臂架上移到起重臂架上,保持起重臂架侧风阻大于平衡臂架侧,保证非工作状态时塔机的倾翻力矩可对抗来风时产生倾翻力矩,使塔机保持在安全的状态下。

为防止塔机在超过7 级风时塔机进入自由转动状态特别是在无电情况下,F0/23B塔机有机械减速制动能力,6及风以下它可以与电动减速配合很好的控制塔机回转、定位,在大风无电的情况下给塔机回转一个相当于6级风的阻呢使塔机在大风由逆风到顺风时不会超速运动越过最安全的顺风状态从而也就不会使塔机进入大风时最危险状态。

这是法国“坡坦”公司上世纪 70年代的产品,可塔机回转传动中用一个磨擦环节来解决这些问题由来已久,现在确重视的不够。

50 年前的QTZ60/80塔机当时大众叫它3-8吨,回转机构中就有一个磨擦传动环节。后来的QTZ80型号的塔机还用过液压助力脚踏回转定位刹车。

塔机回转控制方式最常用的一些方式举例一二,那种回转控制的方式更适合大风条件下安全使用。

影响选择哪种方式用于塔机回转机构与控制因素很多,塔机吨位大小、起重量多少、起重臂架长度、使用环境等等,但在面对大自然时我们还能对塔机做点什么?用好我们已经付出去了的成本,组织好塔机的各项指标优化塔机的设计,在这里我想表达的是对于塔机抗风能力的增强从以下三点还能再做些事。

(1 )认识塔机在大自然中就是一个大风标,“风标效应”也是塔机的一个自然属性,利用好这个属性使塔机在大风条件下更安全。

(2 )试验调整好塔机上的阻风板配平,让起重臂架与平衡臂架受风阻力差适应塔机在大风时顺利进入“风标效应”且不会转速过快。

(3 )回转机构控制上有电器控制能力也要有机械控制能力,超风速断电时机械减速制动要有一定的阻尼能力。

由衷的希望塔机不再被大风刮倒、人员不在受伤、财产不在损失。

这篇文章只是对于塔机与大风之间的关系谈论一下我个人的感受,一定还有很多考虑不到的地方,很多新知识新技术也知知甚少即便是自认为理解了的东西也是有说错的时候,还请大家多多批评指正。

塔式起重机这样的工程机械在一个相当长的时间内依然是国家建设的重要装备,也必然随着技术的进步更加智能、高效、安全、环保,希望我们国家生产的塔机为全世界人民更好的服务。

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