吊车配重自动适应机构的研究

吊车配重自动适应机构的研究

上海师范大学附属中学

高二 李洲洋

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吊车配重自动适应机构的研究 上海师范大学附属中学 李洲洋

摘要：吊车在建筑、港口、车间、工地等场合被广泛应用，但吊车事故却时常发生，本研究项目针对目前吊车自身隐藏的某些安全隐患展开讨论并给出一些解决方案。在本课题研究中，给吊车新增“滑臂”、“配重臂”，构成吊车配重自动适应机构；运用杠杆原理增大吊车的负载；通过控制变量法得到吊臂与水平面角度与滑臂中一特定绳索的长度关系。此研究成果有以下几个优点：1、有配重自动适应机构，比现有吊车起重量提高40%；2、有超载保护系统，有效防止吊车超载；3、可减少吊车翻倒几率。在研究过程中我们走访了多个港口，吊车负责人均表示本研究中的成果有很大的应用前景。

关键词： 吊车；配重；自适应。

1 背景 1.1 课题来源

2007年10月1日23时30分，《梅兰芳》剧组的上海拍摄现场，大吊车突然失去平衡，向一方倾斜倒塌，吊车臂先是砸中了制景中的房屋，屋子的几根梁柱和瓦块随之砸向正在现场的4名工作人员，当时在场的副导演米兰丁被砸中了脑袋，剧组的另3位工作人员则分别被砸中了左手、脸和腿部。

2007年8月12日下午1时许，上海陕西南路南昌路一建筑工地，一辆正在施工的吊车突然翻倒，一名路过的建筑工人被当场压断手脚，并在送往医院的途中因流血过多身亡，此次事故还造成另外两名工人受轻伤。

2007年4月20日上午9时15分，上海轨道交通建设工地，一辆履带吊车在起吊钢筋笼时发生翻倒，造成一居民楼房顶及侧面受损。

2007年3月28日，上海江苏路愚园路的一栋正在施工的商住两用楼发生事故，在楼顶

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作业的吊车吊臂断裂，由于一端挂在楼顶，整个吊臂悬于楼体侧面，摇摇欲坠。

……

类似的吊车事故屡见不鲜，引起了我的深思。

1.2 现状和不足

吊车是从物品上部通过吊钩吊装吊卸的一类起重机械的总称，其种类可分为：A．可移动式：汽车吊、履带吊、行吊等。 B．固定式：码头吊、塔吊、龙门吊等。各种吊车特点各有千秋，见表1。本研究以履带吊为原型，兼顾汽车吊、码头吊。

表1 几种常用吊车的特点

吊车种类 优点 缺点 进行施工场地平整 灵活性差臂长转换麻烦 移动式 汽车吊 支机灵活、吊装速度快 履带吊 稳定性好能适应狭小空间、360度全方位作业 行吊 三维空间移动 支腿必须行走在坚固、稳定、平缓的轨道上 固定式 塔吊 起重能力大 不可以俯仰，不可以伸缩 不方便转移位置、投入高、安装时间长、油耗大、污染大 龙门吊 起重能力大

吊车有以下几个特点：（1） 大部分吊车车体移动困难，因而通用性不强，往往属于港口、车站、流通中心等处的固定设备（2） 功能单一，主要是装卸（3） 机动性差（4）超载保护能力不足。

履带吊（结构见图1）在使用过程中，常因操作人员失误、吊臂坠落、吊臂后翻等原因酿成悲剧；又因最大起重量较小，不能适用于许多环境。

经过多次对吊车事故原因的研究发现：近90%的吊车司机罔顾《建筑机械使用安全技术规程》（JGJ33－2001）的第2.0.：“机械必须按照出厂使用说明书规定的技术性能、承载能力和使用条件，正确操作，合理使用，严禁超载作业或任意扩大使用范围”，仅凭经验估量需要被起吊的物体是否超过最大起重量。当起吊物超过最大起吊重量时，因为

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吊车没有超载报警装置，施工人员依旧全然不知，而此时就隐藏着吊臂坠落、吊车翻倒的隐患；如今，所有吊车配重都在吊车主体的后方，配重被固定后，致使吊车最大起重量只能达到吊车总质量，但按照力学原理，在配重质量不变的情况下，吊车可以吊起更重的物体。所以，履带吊在实际应用上，还存在许多局限有待改善。

图2 履带式吊车结构图

1.3 目标

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针对履带吊的不足，通过改进部分结构，使吊车配重可自动按需起吊物质量大小变换位

置，来增大起重量，增强安全性。

2 解决方案

我们解决上述问题的具体方案是在普通吊车上增加“滑臂”、“配重臂”，见图2。

2.1 吊臂俯仰角随动机构设计

图2 吊臂俯仰角随动机构受力分析

要使吊臂仰起，就启动吊臂俯仰索轮，绳索随着红色箭头所示方向运动，吊臂随之仰起，力矩L3减小。滑臂段的绳子在拉力点（蓝点处）用绳索与动滑轮C固定，由于蓝点随绳方向运动，而动滑轮C、定滑轮D间绳长不变，滑臂的未被固定端（A点）提升，配重臂未被固定端（B点）沿箭头方运动，L2也减小。当吊臂垂直时，配重臂也垂直。

根据以上原理，制作了一个小型吊车模型，其吊臂长55cm，配重臂长14.5cm。然后利用控制变量法，测出多组吊臂与水平方向夹角时，拉力点（蓝点处）到滑臂端点（A点）的距离，数据如表2.1，这样就使G3×L3≡G2×L2，保证了吊车在吊臂俯仰中的平衡。

表2 滑臂受力点分析

吊臂与水平方向夹角 拉力点到滑臂端点的距离 40° 0.5cm 50° 2.2cm 60° 4.1cm 70° 5.2cm 80° 6.0cm 5

2.2 配重臂自动适应机构设计

图3 俯仰受力分析

起吊物体时吊车受力分析图如图3。

在吊钩上挂上物体后，欲使物体上升，就启动负载索轮，绳子沿红色箭头方向运动，当

负载大于配重力时，配重力不能拉起被吊物体，在索轮工作情况下，绳长缩短，滑臂在起吊物的作用下被往下拉，配重臂上升，L2增大，达到G3×L3+ G1×L1≡G2×L2，使吊车再次达到平衡，之后起吊物便匀速上升。如一开始，负载就小于配重力，则物体直接上升。

创新点：

通过滑臂和配重臂的巧妙结合，配重可根据起吊物质量大小自动调节配重的

位置。

同时，因为配重位置移动，增大了配重力矩，也就增大了吊车的起重量。

2.3 超载保护系统设计

在使用吊车时，吊车驾驶员常凭经验来判断需吊物质量是否在起吊范围内，这样隐藏着

安全隐患，所以有必要做一个系统来提高安全性能。现想出了两种方法。

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S1、S2为双向开关，电键向上（电键成图中绿色状态），卷扬机正转，被吊物体抬升；电键向下（电键成图中红色状态），卷扬机反转，被吊物体下降。

图4 工作电路图

当配重臂成水平方向时（即吊车已达到了预设的起重量），滑臂的右下角会触动开关，电路图如图5。

此时S3断开，被吊物体只能往上，不能往下，并且警示灯亮起，向工作人员发出警报。

图5 超载电路图

电键S3在吊车上的实样图：

当吊车不超载时，电键S3始终接通。

2.3.1 硬件控制方式

在滑臂与配重臂中装一开关S3（图中左色电键），正常工作时电路图为图4。

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这种方法优点在于：用纯机械的方法，出错率较小，完全确保施工安全。

2.3.2 软件控制方法

在滑臂与配重臂固定处分别装上一根磁感应棒，当配重臂成水平方向时，滑臂也成水平

方向，这时磁感应棒接通，通过软件判断，使负载马达只能正转。程序如图6。

开始 磁感应是否有效 N Y 是否拉紧吊臂 Y 开始计数 放松吊索 N 是否计数完成 Y 停止放索 结束

图6 超载保护系统程序流程

这种方法优点在于：让软件参与吊车工作，不但解决了现吊车的缺陷，而且软件应用还可以在未来给我们吊车带来更多智能化的功能。

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创新点：

增加超载保护系统，切实保证吊车在最大起重量的范围内工作。 当检测到吊车超载时，吊车将停止起吊物上升，并发出警报。 3 实施及优化设计

3.1 滑臂控制力矩过大问题的解决

吊车用2.1的方法工作时，拉力点的活动范围较大，致使吊臂角度范围减小。我们认为可以用滑轮组解决这个问题，见图7。

滑轮组广泛运用于帆船及现代化起重机上，由定滑轮跟动滑轮组成的滑轮组，既省力又可改变力的方向， 滑轮组公式 G nF动 + F物 FnF理想滑轮组 忽略轮轴间的摩擦 n：作用在动滑轮上绳子股数（绳子的自由端绕过动滑轮的算一段，而绕过定滑轮的就不计了）

经过多次试验，当滑轮组由三个动滑轮和两个定滑轮组成最适合。其中，动滑轮在上，并排；定滑轮在下，并排。 根据滑轮组定义，F物vF=nvGSF=nSG G配L配cos

因为有三股绳穿过动滑轮，所以

n3

G配L配cos综上，F3

图7 动滑轮组受力分析

运用滑轮组改造吊车后，减小了拉力点的活动范围，从而增大了吊臂的俯仰范围，同时减小了配重臂的受力，达到了预期目标。

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3.2 负载与配重块受力不均的问题解决

绳索经过多组滑轮后，磨擦力增大了，致使配重臂在升降时反应快于被起吊物，且吊车的起吊效率受到影响。经过思索，决定采用汽车差速器的原理改变吊车模型。

图8 差速器机构图

将改装过的差速器（如上图8）接入负载绳索（如下图9）。当负载大于拉配重的力时，负载索轮转速减少，同过行星轮架，配重臂俯仰索轮的转速加快。反之，当负载小于拉配重的力时，负载索轮转速加快，同过行星轮架，配重臂俯仰索轮的转速减少。

这样，配重和负载速度达到一致，增加了吊车的起吊效率。

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4 试验结果

图9 差速齿轮在本吊车上的应用图

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通过多次试验，现制作的配重自动适应机构吊车模型俯仰角度范围为40°～80°，如图10。

图10 俯仰范围

根据吊车的受力分析，得出吊车其重量公式：

G吊臂L吊臂G起重物cos3L配重臂G配重cos

2其中

吊臂俯仰角度配重臂与水平面的角度

现制作的吊车模型吊臂重量0.55kg,吊车总质量1.05kg（除去配重质量）。 保持配重臂水平（0°），改变吊臂角度及配重质量，其起吊情况如表3。

表3 带有配重自动适应机构的吊车模型起吊情况

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保持配重0.5kg不变，改变配重臂角度及吊臂角度，其起吊情况如表4。

表4

普通吊车的模型在配重0.5kg的情况下的最大起重情况如表5。

表5 普通吊车模型起吊情况

吊臂角度（°） 起重量（kg）

把两种吊车模型起吊情况进行对比，情况如图11。

40° 0.25kg 50° 0.30kg 60° 0.45kg 70° 0.75kg 80° 1.85kg 13

32.521.510.504050607080

图11 起重量对比图

带有配重自动适应机构的吊车起重量比普通吊车起重量的增加百分比情况如表6。

表6 起重比

吊臂角度 增加比 40° 60.00% 50° 56.67% 60° 55.56% 70° 46.67% 80° 40.% 带有配重自动适应机构的吊车普通吊车

实物图：

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