一种臂架起重机平衡重小车阶梯调节装置

刘 雷

中船第九设计研究工程有限公司 上海 200090

0 引言

平衡重调节常见于正面吊、堆高机等港口流机，同时也常用于起重机、旋挖钻机、挖掘机等工程机械，对于较小规格的机械，通常是在其后方设置铸铁平衡重。有些新型机械为满足大幅度大吨位起吊，会将部分铸铁平衡重采取液压驱动后移，以增加平衡重的作用力臂。对于超大型起重设备，为满足工作要求，外置回转式平衡重，此平衡重随着臂架一起转动，并始终在臂架的反方向。斗轮堆取料机、装（卸）船机、直臂架门座起重机和四连杆门座起重机则常采用对重平衡梁形式，甚至通过柔性钢丝绳绕过对重平衡梁尾部滑轮，钢丝绳末端与转盘后方的平衡重小车相连。

本文以平衡重小车形式的臂架起重机为例，通过增加阶梯配重的形式，既有效降低初始配重，又提高了变幅机构的驱动效率。

1 平衡重阶梯调节

通常，平衡重小车的选择取决于允许的旋转半径和最小幅度时臂架系统自重转矩。常规的平衡重小车在回转中心后方，其通过钢丝绳与臂架相连，同时为限制平衡重小车在变幅过程中对钢结构的横向冲击，常常设置运行轨道，并设置反向轮防脱。在变幅过程中，平衡重小车的重力和作用力臂均恒定不变，其自重转矩也恒定不变。随着幅度的不断变大，臂架系统的各单元重心在不断前移，在最大幅度时臂架系统的自重转矩达到顶峰。臂架及平衡重系统的自重转矩呈不断上升的状态。优化臂架系统各铰点尺寸也只能是上升曲线近似直线，却难以改变最终结果；只能选用可靠地螺杆或齿条，变幅机构功率的选择也要满足作业要求。

针对四连杆常规平衡重模式，同时要保证空载状态下，臂架系统在变幅时，臂架及平衡重系统必须始终为正转矩，即螺杆始终受拉。此时，臂架系统在任意幅度仅靠自重载荷即能顺利下放，且螺杆力随幅度的增大而不断增大。

通过离散化理念，将整个幅度离散成数十个点，计算每一个点幅度下对应的螺杆力，空载状态下，螺杆力初始为正拉力，并随幅度的增大而不断增大。原则上平衡配重也随幅度的无限次增加而无限次增加，可使变幅过程中螺杆力保持在初始螺杆力小幅增加甚至不变。

2 平衡重阶梯调节的实施

本文应用于一个四连杆浮式起重机项目的改造。在改造前，变幅机构的空载电流较大，满载时常出现过载跳闸。结合计算分析，变幅螺杆受力已接近经验极限。单纯的增大变幅机构的电机功率，可解决解决上述问题，但对变幅机构的安全运行无法做到根本性地解除。因此，降低变幅螺杆受力迫在眉睫。四连杆浮式起重机的起重能力如表1所示。

表1 四连杆浮式起重机起重能力

为了实现可操作性，在适当的幅度位置增加合适的配重，就会使螺杆力不至于过大，但又不能使螺杆力出现负值，同时突增配重次数也可以减少。本文所实施的阶梯平衡重调节为两次平衡重调节。

2.1 平衡重小车阶梯调节装置的组成

如图1所示，平衡重小车阶梯调节装置包括支架、调整平衡重Ⅰ（左右各1）、套管、调整平衡重Ⅱ（左右各1）、拉杆、联系梁、调整平衡重托架、滑轨等。

图1 平衡重小车示意图

2.2 平衡重小车阶梯调节装置的具体实施过程

调整平衡重需要根据臂架平衡系统的杆件尺寸，结合螺杆力曲线，选取合适的幅度增加平衡重，根据具体项目信息计算分析后，选择可行的实施方案。

在该浮式起重机项目应用实例改造时，通过分析计算后确认，在30 m幅度时增加调整平衡重Ⅰ（25 t），在37 m幅度时增加调整平衡重Ⅱ（25 t），即在主钩幅度为20～30 m，臂架及平衡重系统挂载的是平衡重小车（122 t）；当主钩幅度为30 m时，平衡重小车通过上部支架挂载调整平衡重Ⅰ；在主钩幅度为30～37 m，臂架及平衡重系统挂载的是平衡重小车和调整平衡重Ⅰ；当主钩幅度为37 m时，调整平衡重Ⅰ上的套管提升拉杆，从而挂载调整平衡重Ⅱ，即平衡重小车随同调整平衡重Ⅰ挂载调整平衡重Ⅱ；在主钩幅度为37～50 m，臂架及平衡重系统挂载的是平衡重小车、调整平衡重Ⅰ和调整平衡重Ⅱ。

由于调整平衡重Ⅰ和调整平衡重Ⅱ左右对称于平衡重小车，需要确保配重突变时两侧挂载同步。调整平衡重Ⅰ和调整平衡重Ⅱ通过其上部的套管或拉杆螺母来保证挂载同步及可靠性。调整平衡重Ⅰ与平衡重小车间设有滑轨，防止调整平衡重Ⅰ摆动。调整平衡重Ⅱ通过联系梁焊接在一起。在调整平衡重Ⅰ和调整平衡重Ⅱ未被提起前由调整配重托架来承载，调整配重托架与转盘尾部焊接在一起。平衡重小车由4个支腿支撑于对重小车搁架上。

2.3 平衡重小车阶梯调节装置的优势

平衡重小车阶梯调节装置可在有空间限制的情况时得到很好的发挥，同时无需利用新增的机构或大尺寸的机构去实现。

其次，通过平衡重小车阶梯调节装置，可以既不影响最小幅度时臂架外倾，又能有效遏制变幅螺杆受力随幅度增大而不断增大。

3 改造后效果

在不考虑风载及船体的倾转等不利的因素时，臂架平衡系统的自重状态下螺杆力的变化曲线如图2所示，通过数据比较可知，空载状态下的螺杆力最大值降低了48.2%。

图2 空载状态下螺杆受力随幅度变化曲线

满载状态下的螺杆力如图3所示，通过数据比较可知，满载状态下的螺杆力最大值降低了48%。

图3 空载状态下螺杆受力随幅度变化曲线

4 结束语

本文介绍了一种臂架起重机平衡重阶梯调节装置，其特征在于通过阶梯式增加对重小车质量的方式，使得臂架及对重系统在变幅过程中的最大螺杆力减小，降低变幅机构的电机功率，同时也降低了整个操作循环中的无用功耗，提高了整机的生产效益，为节能减排提供了一个新的思路。