管桩起重机防倾斜摆臂的设计

董富祥，杨棋剑

（浙江麒龙起重机械有限公司，浙江 绍兴312043）

1　管桩起重机的工况特点及配置防倾斜摆臂的必要性

混凝土管桩生产采用流水线循环生产布置，配置在流水线上的管桩起重机大车运行速度很快。由于追求高产量，所以起重机司机操作比较急躁，普遍存在将大车运行机构的制动器放松后，采用打反向运行的制动方式停车。这种操作使起重机产生较大的惯性力，传统摆臂对小车产生一个较大的弯矩，可能使小车发生倾转，影响安全。

管桩起重机，如图1所示，采用双梁双小车桥式起重机型式，在吊钩下面悬挂自动夹具吊梁，吊梁下方布置卡式自动夹具。自动夹具接触管模跑轮的瞬间，由于吊梁中心线与管模中心线存在一定的偏移，导致自动夹具会沿着跑轮的圆弧下滑进而吊梁产生倾斜，在吊梁倾斜的状态下起重机司机就无法夹持管模，所以必须配置防止吊梁倾斜的摆臂，满足迅速夹持管模的作业要求。起重机主要技术参数如下：整机工作级别为A7～A8，操作型式室操，起重量按“管桩+管模”重量可选 8 t+8 t、10 t+10 t、16 t+16 t、20 t+20 t，起升速度 13～15 m/min，小车速度 40 m/min，大车速度110～120 m/min.

图1　管桩生产专用起重机总图

2　传统防倾斜摆臂的结构及设计缺陷

2.1　传统防倾斜摆臂上部结构型式

如图2所示，传统防倾斜摆臂上部结构型式为单向（仅为起升方向可运动，大车运行方向为刚性联接）铰接型式，该结构型式虽然在防倾斜原理上是简单明了的，但是，当起重机满载时（管桩+管模+夹具吊梁）的重量，在大车高速运行时，突然反向运行的制动方式下（管桩生产特有的恶劣操作方式），加（减）速度相当于正常运行时的2倍，大车的惯性力很大。此种结构因为小车下部的防倾斜摆臂上支座与销轴座之间在大车运行方向为不可运动的刚性联接（通常为焊接），大车惯性力对小车产生的弯矩较大，在突然大车反向运行制动的瞬间会导致整台小车产生侧翻、脱轨[1]的事故，严重影响起重机作业安全。同时，铰轴座和防倾斜摆臂上支座的焊缝处由于大车惯性力产生的弯矩很大，经常会发生焊缝断裂或者焊缝应变区的钢板母材撕裂，所以此摆臂的结构型式存在明显的安全隐患，不能满足管桩生产的实际需要。

图2　传统摆臂

2.2　分析计算

以QE10t+10t管桩起重机为例，满载（管桩+管模+吊梁）起重量Q为20 t，小车自重G为3.3 t，小车轨距L为2 m，吊梁下满载时的重心与小车轨道顶面的高度差H=10 m，大车运行速度110 m/min，查起重机设计手册[2]，可知，加（减）速度a选择为0.47 m/s2.

如图3所示，大车在吊梁满载时，管桩、管模和吊梁产生的惯性力[2]：

P惯=1.5ma=28 200 N（由于直接反向运行操作，此时的a为正常值的2倍）

由管桩、管模和吊梁在大车运行反向制动时所产生的惯性力，通过防倾斜摆臂，对小车产生一个相当大的弯矩[3]：

M惯=P惯·H=282 000 N·m

两台小车满载时同一侧小车轨道上的4只轮子的轮压：

4P压=（Q+2G）/2=13 300 kg

两台小车同一侧小车轨道上的4个车轮对防倾斜摆臂所产生的反抗弯矩[3]：

M抗=4P压·L=260 680 N·m

因M惯＞M抗，所以小车会产生侧翻脱轨（计算结果和实际发生的情况是相符的），传统防倾斜摆臂严重存在安全隐患。

图3　传统摆臂大车反向制动时力学模型图

3　创新设计双向铰接式防倾斜摆臂

3.1　双向铰接式摆臂上部结构型式

如图4所示，双向铰接式防倾斜摆臂上部垂直双向铰接型式。和传统防倾斜摆臂的结构比较，增加了图3的2零件铰轴一，传统上部结构的刚性联接改成了铰接式联接。管桩生产所要求的防倾斜摆臂作用，主要是为了自动夹具接触到管模跑轮的瞬间不能出现夹具沿着管模跑轮的圆弧下滑进而发生吊梁倾斜。如果没有防倾斜摆臂，由于吊钩钢丝绳是柔性的，在大车运行方向上夹具吊梁中心线与管模的中心线或多或少的会存在一定的偏移量，就会自然而然发生夹具吊梁倾斜的情况，吊梁倾斜就会导致起重机司机无法夹持管模，严重影响管桩的生产效率。

图4　双向铰接式防倾斜摆臂上部结构型式

当吊梁满载时，大车反向制动操作时大车的惯性力很大，采用了双向铰接式防倾斜摆臂就能够通过吊梁、摆臂和管模一起围绕铰轴一摆动，从而消耗掉由大车惯性力产生的弯矩，彻底消除了传统摆臂的设计缺陷。同时，夹具吊梁通过本身设置的导板定位装置迅速定位在管模上，夹具吊梁的中心线与管模的中心线的偏移量一般能够控制在±30 mm以内，由此偏移传递给小车的水平力很小，不足以导致小车在主梁轨道上产生位移。所以，吊梁在防倾斜摆臂的作用下不会产生倾斜或倾倒，双向铰接式防倾斜摆臂在管桩生产中迅速夹持管模发挥了很大的作用。

3.2　分析计算

图5是夹具吊梁和管模偏移示意图。夹具吊梁中心线与管模的中心线存在的偏移量e，夹具对吊梁产生F向的水平推力，该推力通过摆臂传递到小车上，使得小车受到C向的水平推力。

图5　夹具吊梁和管模偏移示意图

现以QE10t+10t管桩起重机为例，满载(管桩+管模+吊梁)起重量Q为20 t，小车自重G为3.3 t/只 ×2只，吊梁下满载时的重心与小车轨道顶面的高度差H=10 m，夹具吊梁中心线与管模的中心线存在的偏移量e控制在≤30 mm（计算取e=30 mm）。

吊梁满载时，吊梁由于中心偏移产生的对小车的水平力Fx[3]：

当夹具接触管模时，按起重量为零时考虑两只小车位移所需的水平力[Fx][3]：

Fx＜[Fx]，所以，水平力Fx不足以能让小车产生水平位移。由此可见，防倾斜摆臂的作用是可靠有效的。

4　双向铰接式防倾斜摆臂的使用效果

本创新设计双向铰接式防倾斜摆臂应用后的管桩起重机，已经过许多管桩厂的实际生产检验，防倾斜效果好，生产效率高，并且安全可靠，使用寿命长。

5　结束语

防倾斜摆臂作为管桩起重机提高生产效率和安全性的装置，其作用十分重要，传统的防倾斜摆臂又存在很大的安全隐患。本文论述的创新设计，防倾斜摆臂与上支座采用双向铰接的型式，能广泛的应用于各种管桩生产起重机，解决了生产效率与安全性的难题。