动臂式教学专用塔式起重机设计研究

刘承桓，鲁卫涛,2，陈赣平，尹如法，崔新亮

(1.中国建筑科学研究院有限公司 建筑机械化研究分院，河北 廊坊 065000；2.中国建设教育协会，北京 010000；3.廊坊凯博建设机械科技有限公司，河北 廊坊 065000)

目前大部分持有建筑起重机械司机（塔机）特种作业证的人员并没有系统的接受过动臂式塔机实操培训，工地上动臂式塔机司机都是先学会平臂式塔机操作考取建筑起重机械司机（塔机）特种作业证后进入工地跟随师傅以边工作边学习的方式学习动臂式塔机操作，属于自学成才。究其原因，主要是实操培训装备的缺乏特别是专业化的动臂式塔机实操培训装备的缺乏。为此，本文对动臂式教学专用塔机进行了研究设计。

1 设计目标

为满足动臂式塔司培训，开发一种动臂式塔司实操考训专用的小型塔机，功能上实现如下目标。

1）塔机可允许多名学员一起登塔观摩，体验高空感，教练在副驾驶座椅就座一对一指导学员操作，进行互动教学、实操指导、监督实操考试或处理突发事件。

2）便于转场运输和快速架设，使用预制装配压块式塔机基础，设计快拆快装系统，方便安拆。

3）能够根据教学目标开展较多的培训科目，开展动臂式塔机操作技术实操培训。

4）安全冗余较大，容错性强，装配安全监控系统，具有故障预警、报警、停止危险动作并自动纠错、自动结束危险状态、自动归位等功能。

5）能够无死角记录学员的实操培训与考试情况，考训全过程视频可回溯，方便教练点评和指导，提高考试透明性。

6）主要技术参数如下。

最大工作幅度（m） 16

最大幅度额定起重量（kg） 400

最大额定起重量（kg） 1 000

最大起升高度（m） 29.5

容员量（人） 10

2 研究思路

基于装配式建筑对吊装作业的新要求分析塔机操作、司索信号作业、高处施工作业的特点，根据塔机特种作业培训的现状，结合培训机构的实际需求和动臂式塔机的技术特征，以实现动臂式塔机主要操作功能，再现施工现场动臂式塔机吊装作业、实施场景教学和实现人机互动为功能目标，明确了技术路线和研究思路，确定了整体技术方案，在保证主要结构、驾驶室、安全防护部件设置齐全的前提下，弱化或去除非关键功能部件，最终方案是将动臂式教学专用塔机设计成固定安装高度，不带爬升加节系统的微小型塔机，最后完成动臂式教学专用塔机的设计、样机的试制及检测，产品设计过程中重点对如下内容进行了研究（图1）：①关键结构设计计算；②总体结构布局与关键结构形式；③结构安全性；④结构小型化；⑤试验装置设计和样机性能测试方案。

图1 动臂式教学专用塔机

3 创新点

3.1 结构优化

动臂式教学专用塔机设计时减小了标准节、起重臂和尾部A 字架等结构的截面尺寸，重点体现动臂式塔机起升、变幅、回转等三大机构及主要操作功能，保持与普通施工用动臂式塔机操作体验的一致性。将人员爬梯设置在塔身外部，以适应小截面塔身，其次，由于目标塔机主要用于操作实训，不包含安装拆卸培训，因此可以去除爬升功能。

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3.2 驾驶室与平台布局

设计了超大驾驶室（图2），设置了操作位和教练位双座椅布局，驾驶室后部设计了学员交流观摩学习区，教练和学员同时就座，观察视角一致，当学员误操作或发生紧急情况，教练可按下急停装置，制止危险发生，保证人机安全。

机架两侧均设置平台（图3）有较强的承载能力，通过性好，学员在平台上可接近起升机构和变幅机构，学习观察机构的构造及运行情况。平台在机架左侧互相联通。学员在前后臂平台之间通行方便。驾驶室的安装后门学员可以从后部平台的高空体验区平台进入驾驶室。起重臂左侧设置延伸到起重臂端部的走台，学员可接近观察钢丝绳的穿绕方法和起重量限制器的安装。

图2 动臂式教学专用塔机驾驶室

图3 机架两侧平台

3.3 安全设计

教学塔机为长期使用专用设备，安全是动臂式教学专用塔机研究开发的核心，需要结构有更大的安全冗余，更高的结构强度和整机的抗倾翻稳定性。根据教学塔机实际工作情况按照国家标准GB/T 3811-2008《起重机设计规范》的要求，教学塔机的起升动载载荷系数应选取为2.0。

动臂式教学专用塔机安全监控系统使用角度传感器、和起重量传感器和回转传感器等实时采集监测数据，将关键数据参数实时显示在监控系统的屏幕上，监控系统能够禁止超载等危险操作或违规行为并报警，监控系统主显示界面采用与塔机特性曲线相同的图形显示，有助于学员加深对动臂式塔机特性曲线的理解与应用，有利于学员理解塔机安全操作规程。

在塔机安全监控系统的保护及配合下，可开展动臂式塔机安全教学，能够现场演示起重量限制器、力矩限制器等安全装置的作用原理和调整方法，有利于学员理解安全装置对塔机工作能力的影响等。

动臂式教学专用塔机安装的视频监控，可全程记录学员的考训过程，教学考训视频还可以远程传输，可在地面监视教学考训情况，考训可全程回溯，保证了学员实操考评的公开公正，避免了学员实操考试过程中作弊或考试纠纷现象的发生。

3.4 预制装配基础

为实现快拆快装方便转场移动，塔机的安装固定方式采用带斜撑杆的压重式十字梁底架预制装配基础，使塔机可以安装在未经硬化处理的地面上（图4）。

图4 预制装配基础

4 设计计算

动臂式教学专用塔机采用了简化自由度的数值计算法和动载系数法进行设计计算，建立了动臂式教学型塔机的简化计算模型并进行了静力学、运动学、动力学分析，设计计算执行标准GB/T13752-92《塔式起重机设计规范》、GB/T5031-2008《塔式起重机》、GB5144-2006《塔式起重机安全规程》。

稳定性验算包括：工况Ⅰ：基本稳定性，工况Ⅱ：动态稳定性，工况Ⅲ：暴风侵袭，工况Ⅳ：突然卸载，工况Ⅴ：安装、拆卸。

起稳定作用的力矩符号为正，起倾覆作用的力矩符号为负。经过验算抗倾翻稳定性和结构强度满足要求。

5 安装调试与检测

5.1 安装调试

动臂式教学专用塔机由外协生产厂家完成样机的生产试制，并在教学型塔机示范基地进行了安装调试。

5.2 检测

经委托，由中国建筑科学研究院有限公司建筑机械化研究分院中心试验室依据国家标准GB/T 5031-2008《塔式起重机》对样机进行了结构应力测试和性能测试。整机性能测试结果表明整机性能参数全面达到了合同书上的性能参数要求。

6 结语

本文对动臂式教学专用塔机进行了设计研究，在依据相关国家标准的基础上，结合塔机教学考训要求进行了分析研究，确定了最终方案，经过反复改进与试验，确保了产品的性能及使用要求。通过专业机构检测和示范基地的应用验证，各项性能指标良好，达到了预期的目标。解决了国内缺乏动臂式塔机实操培训装备的难题，对引领建筑塔机培训行业完成实操教学转型，促进塔机司机特种作业人员实操技能水平具有创新意义。