刘艳群刘军张卫红谢世广

0引言某塔式起重机(以下简称塔机)主要用于大型设备的起吊安装和维护，由过渡架、起重臂、塔帽、主副起升机构、旋转机构、小车变幅机构以及平衡重、移动机构等组成，结构如图1所示。产品吊装过程中，塔机平衡重采用手动控制模式操作，即提前将平衡重置于固定位置，小车在运行过程中起重臂和平衡臂不能完全平衡，产生倾覆力矩。根据塔机设计要求，当主钩负载20t时，小车距离回转中心不能超出mm（吊装零位）；超过吊装零位时，吊装产品负载力矩应满足不大于N·m。此要求极大限制了额定负载下小车变幅机构的运行范围。因此，为确定塔机各种极限工况下，平衡重固定位置产生的倾覆力矩对塔机的影响，需要计算塔机安全运行倾覆力矩，确定塔机的安全使用范围。

1．塔帽2.平衡重配重块3.平衡重牵引机构4.主起升机构卷筒5.机房6.副起升机构卷筒7.平衡臂8.回转支承9.起重臂10.副钩11.副小车机构12.小车变幅牵引机构13.主小车机构14.主钩

图1塔机结构

1塔机静力学分析根据塔机结构进行静力学分析，先进行隔离分析，可分为起重臂端和平衡臂端两大部分，如图2所示。

（a）平衡臂端（b）起重臂端图2塔机结构隔离图

起重臂和平衡臂可简化为悬梁臂结构，其中拉杆的作用是减小起重臂和平衡臂的弯曲和挠度形变，使其成为一个理想的水平杆。塔机使用拉杆为φmm，材质为QE，抗拉强度~MPa，屈服强度≥MPa,伸长率≥22%,其承载能力完全满足起重臂和平衡臂的使用要求。栏杆、塔帽、起重臂、平衡臂可视为一个刚性整体，但拉杆仅提供应变拉力，平衡分析中可忽略其影响。

因为栏杆的作用，平衡臂和起重臂可看作为一个整体，作为一根水平杆，塔机可看作是一个单支点的杠杆系统。如图3所示。

图3塔机平衡模型

塔机实现平衡需满足ΣF=0和ΣM=0，即

式中：Fa为支撑点所提供的支持力。

平衡臂端部件用单数表示，如F1、F3L1L3……，起重臂端用双数表示F2、F4L2L4……。但在塔机工作过程中总会出现ΣM起重臂≠ΣM平衡臂的情况，存在不平衡力矩M差=｜M起重臂－M平衡臂｜，此不平衡力矩成为塔机倾覆力矩，该力矩同样也有支撑点抵消。在塔机结构中该支撑点就是回转支承，故回转支承其承载能力将直接影响整个塔机的使用范围。

2回转支承承载能力分析2.1外载确定某塔机选用.50.的三排滚柱式回转支承，工作时其主要承受的是总轴向力Fa、总倾覆力矩M，以及在力矩M作用平面的总径向力Fr，如图4所示。

图4回转支承受力

在计算回转支承外载荷时，由于塔机工作条件复杂，应同时充分考虑影响支承强度的其他因素，主要包括作用在设备上的力包括设备自重静载荷、工作载荷和动载荷等；超载荷的实验情况，一般采用1.25倍额定载荷进行实验。

对多种计算位置和载荷进行组合，找出对回转支承影响最大的条件。

2.2轴向力和倾覆力矩计算回转支承通常要受复合载荷的作用，由轴向力Fa、径向力Fr及倾覆力矩M组合作用。对于三排滚柱式回转支承，仅需对轴向滚道所受轴向载荷和倾覆力矩进行复合计算。为了验证其承载能力，应对载荷进行换算，换算系数为k，计算方法为根据塔机的静力学分析和回转支承受力分析根据塔机不同工作载荷和位置组合，分别考虑几种极限情况下回转支承所受轴向力和倾覆力矩，其中按照应用场合及工作特性取k=1.25，g=10kg/N，计算结果如下。

1）平衡重配重块在最大位置mm，起重臂空载且主、副钩分别停放在最小位置mm、mm。

2）平衡重配重块在最小位置mm，副钩最大位置mm，且额定负载10t。

3）平衡重配重块在最小位置mm，主钩最大位置mm，且额定负载20t。由计算结果，并根据.50.型号承载能力绘制Fa-M曲线，如图5所示。

图5承载能力曲线

图5中曲线1是回转支承静态承载能力曲线,曲线2是回转支承动态承载能力曲线，计算的3种情况的（Fa＇，M＇）位置点依次为S1、S2、S3，三者均在承载能力曲线下方，说明塔机回转支承满足安全使用要求。当主钩负载20t，平衡重位置在~mm任意位置，且主钩在~mm位置随意移动时，Fa＇=.×N；M＇≤.×N·m，其对应的（Fa＇，M＇）位置点将位于S3正下方，仍在承载能力曲线下方，所以当主钩负载20t，主钩在~mm位置随意移动时，塔机仍可安全可靠使用。

2.3静态承载能力计算三排滚柱式回转支承是一种高承载能力的新型支承，其主要结构有上压圈、下压圈、内滚圈3个滚道，三排滚柱及高强度连接螺栓等、部件组成。支承受到的两个方向的轴向力及倾覆力矩由上、下2排水平滚柱承受，径向力则由垂直布置的第3排滚柱承受。根据回转支承的受力分析，回转支承装置在径向载荷、轴向载荷以及倾覆力矩的耦合作用下，载荷分布如图6所示。其中上排滚柱主要承受轴向载荷，也承受一定倾覆力矩，下排滚柱主要承受倾覆力矩，径向载荷主要由竖直布置的第3排滚柱承受。在实际工作状态，回转支承所承受的径向载荷相对周向载荷和倾覆力矩很小（小于0.1Fa），可忽略不计，因而忽略对第3排滚柱承受载荷的分析，仅考虑了上、下2排水平滚柱所承受的载荷。

在轴向载荷和倾覆力矩作用下，当回转支承刚度不足，相较于滚柱体形变更易导致滚圈产生轴向变形和转角变形，使得回转支承出现卡死、滚道压陷、压裂等非正常失效现象。因此，实际工作过程中滚道压力情况直接影响回转支承使用的安全。根据赫兹接触理论，可通过滚动体对滚道接触面产生的形变量计算滚道所受压力。本文采用载荷叠加法，计算回转支承滚道静态安全系数fs，实现对滚道承载能力的分析。滚道静态承载能力为

图6回转支承所受载荷分布图

塔机选用型号.50.三排滚柱式回转支承的三排滚子直径上排、下排分别为50mm、40mm，对应滚动体的个数分别为、，其Q03分别为.16×N·mm、.72×N·mm，上、下排滚动体分布圆直径为mm。根据公式，结合三种工作条件下的轴向力和倾覆力矩，可计算出相应上、下滚道的静态承载能力，结果见表1。表1滚道静态安全系数

上述三种工作条件下,上、下滚道的静态安全系数均大于许用安全系数（fs=1.25），此三种工作条件是塔机的极限工作状态。因此，在其他额定荷载和行程范围内的任意工作状态时，上、下滚道的静态安全系数均大于许用安全系数，则回转支承的承载能力满足安全使用要求。

3安装螺栓承载能力计算回转支承是通过螺栓将其紧固在座架上，支承上所承受的载荷和力矩均通过连接螺栓传递到设备下部及基础上。因此，若螺栓损坏将造成严重后果，需对其承载能力进行计算。

一般情况下回转支承的连接有2组螺栓，内滚圈上1组，外滚圈上1组，并且内外滚圈上的螺栓的规格和数量一般相同，螺栓的数目均为偶数，均匀分布在整个滚圈的圆周上。作用在外滚圈和内滚圈的负荷相等，滚圈螺栓分布直径越小，螺栓最大接触应力越大，因内滚圈上螺栓的分布圆直径比外滚圈小。所以，螺栓的承载能力计算以内滚圈的螺栓为准。

内滚道螺栓分布圆直径DL=mm，螺栓数目为n=72，螺栓直径d=42mm，螺栓根部直径d1=37.mm，回转支承最大轴向力为Fa=91.×N，最大倾覆力矩M=.32×N·m，螺栓材料选用45号钢，屈服极限σT为MPa，螺栓承载能力计算结果如下：受载最大的螺栓上的工作外载荷为

螺栓安装时的预紧力为

螺纹内径断面最大合成应力为

计算得

螺栓塑性变形的安全系数为

螺栓安全系数大于1.2，满足设计标准。因此，回转支承安装螺栓的承载能力满足回转支承的使用要求，确保塔机安全使用。