单吊车的吊装动载荷分析

黄峰

（中化泉州石化有限公司 福建 泉州 362103）

引言

单吊车吊装是指使用单台吊车直接将设备或工件直接吊装至指定位置，或指采用抬送法，在溜尾吊车松钩后由主吊车单独将设备吊装就位的过程，是工程建设中常用的吊装工艺。采用这种吊装工艺的优点在于，无须考虑由于双台或多台吊装过程产生的不均衡载荷，便于吊装过程的操作，提高了吊装过程的安全系数。

根据规范要求，吊装作业时，吊装荷载不得超过起重机在相应工况下的额定吊装能力；在风速大于等于10.8m/s时，不得吊装。在工程实践中，对于单吊车吊装的负荷率一般不宜超过相应工况下的额定吊装能力的90%。以上要求，体现了吊装过程中动载荷对吊装安全的影响。单吊车吊装过程产生的动载荷，是该吊装工艺应当主要考虑的不利因素。

1 动载荷的产生原因

单吊车吊装设备或工件吊装过程中，由于吊车回转速度变化、吊钩起落速度变化、高空吊装中设备承受的风载荷变化，以上情况中设备受力的变化或摆动，在宏观表现为设备运动状态的上变化，在吊车上表现为吊装荷载的变化，我们把发生变化的这部分载荷称为动载荷。

现有吊装规范对吊装过程中动载荷或动载系数都未做出定义和计算要求；SH/T3515-2003在资料性附录B“桅杆吊装计算”中对动载系数取值为1.1；“重型设备吊装工艺与计算”书中，对动载系数取值为1.1～1.2。由此可见，现有的规范、工程手册对吊装动载荷的规定各不相同，未对其产生原因进行分析，因此对动载荷系数的选用也不一致，吊装过程一般不计算，也缺乏进一步的理论计算依据。

2 动载荷的力学分析

2.1 由于吊车回转速度变化产生的动载荷

2.1.1 动载荷的产生

在整个回转过程中，吊车的运动状态为：静止 → 回转 → 静止，并且在吊车回转过程可能会出现回转速度的变化。

对设初始受力状态进行简化：设备初始受两个力的作用，自身重力G和吊车提升力F。将设备简化为一个质量为m、位于设备重心处的质点C。

吊车回转开始，到达稳定的回转速度ω时，设备以吊车回转中心为圆心，以R为半径做圆周运动，受到切向惯性力F惯和法向离心力F惯的作用，并将其合力定义为F合。设备受力见图1。

图1 吊车回转时设备的受力简图

吊车由静止到最大回转速度，回转速度由0至ω，时间为ΔT。设备由于惯性，会保持原有状态，在离心力作用下，设备会向外产生偏角。在F惯和F离的共同作用下，设备与竖直面产生的偏角为λ，如吊车保持匀速ω转动，偏角λ保持不变。由于偏角λ的存在，导致吊车受力F的增大，增大的受力为吊装过程应考虑动载荷。

在吊车回转至指定位置（即设备就位时），吊车回转速度逐渐减小为0，设备由于惯性保持原有速度ω。设备将在惯性力的作用下，以角度λ摆动。在设备以λ角摆动过程中，吊车受力应考虑设备摆动产生的载荷增加。

在吊车回转过程中，回转速度有可能发生变化，但其变化量均小于吊车启动或停止时的变化，因此对设备产生的动载荷也较小，在受力计算只需考虑设备出现最大动载荷的两种情况，即在吊车开始回转到转动速度ω，以及由转动速度ω到停止时产生的动载荷。

2.1.2 在吊车开始回转到转动速度ω时的动载荷计算

（1）切向惯性力的计算

在吊车向某个方向回转时，设备在切向惯性力的作用下，会与回转方向相反的方向产生偏角σ，设备受力见图2。

图2 设备由静止到以速度ω转动受到切向惯性力的受力简图

R——吊装半径

ΔT——吊车回转时由0到ω所需的时间

由公式（1）可以看出，在吊装半径一定的情况下， 与F惯成正比，与ΔT成反比。因此，在吊车启动过程中，启动要慢、平稳，回转时的速度要慢，可以减小F惯。

（2）法向离心力的计算

在法向离心力的作用下，设备偏离竖直方向一段距离d，以R+d为旋转半径做水平圆周运动。设备受力简图见图3。

图3 设备受到法向离心力作用的受力简图

在离心力作用下，设备会向外产生偏角δ；离心力的方向为背离回转中心向外。

由公式（2）可以看出，在吊装半径一定的情况下，F惯与ω成正比。因此，在吊车回转时的速度要慢，可以减小F离。

（3）分析

根据图3，设备回转时的受力分析，在设备不产生回转偏角情况下，F=G。

表1 动载系数与设备回转偏角关系

2.1.3 吊车由转动速度ω到停止时的动载荷计算

吊车以速度ω回转时产生的偏角为λ，由于吊车停止回转，设备将在惯性力的作用下，以角度λ 摆动。设备可认为是以初始速度为v(v=ω×R)，将以角度λ摆动的单摆。设备受力见图4。

图4 设备由以速度ω转动到静止受到切向惯性力的受力简图

2.2 吊车吊钩起升（下降）速度变化产生的动载荷

吊车吊钩在起升或下降过程中的急起、急落或紧急制动，即骤然加速或减速，设备由于自重，保持原有运动状态，此时所吊装设备产生超出其自身重量很大的惯性力，方向与加速度产生的方向相同。由此产生的动载荷定义为冲击载荷F冲。

2.3 设备承受风载荷变化产生的动载荷

在室外吊装作业中，随设备就位高度增大，由于设备的迎风面积和形状不同，将产生很大的风载荷，并引起设备的摆动，由此产生动载荷。

2.3.1设备所受风载荷的计算

对设备受力进行分析，设备受重力G、吊车提升力F，风力P。设备受力简图见图9。

在风载荷作用下，设备产生偏角γ。由于风速变化、设备吊装高度的变化，设备所受的风力发生变化，设备吊装过程会出现一定角度的摆动。对此受力过程的变化进行简化，按照设备在从静止到承受最大风力情况下，出现最大角度偏移计算其动载荷。

图5 设备在风载荷作用下的受力简图

3 工程实例验证

设备规格Φ3800×24500mm；重量83吨；安装标高EL28750mm。吊装重量包括设备83吨，吊钩和索具合计8吨，共91吨。主吊车选用320吨履带吊车，主臂长度66米，就位吊装半径14米，额定吊装重量102吨。

（1）吊车相关操作参数：

吊车回转速度为0～1.4圈/分钟 ，即回转速度ω为 0～0.047π rad/s；回转时最大回转速度按照ω= 0.04π rad/s，所需的时间按ΔT = 2s计算。

吊车卷扬机绕绳速度为0～145m/min，吊车吊钩穿绕钢丝绳股数为2×5，则吊钩起落速度为0～14.5 m/min。吊钩起落速度变化按Δv冲=7.25 m/min，时间Δt冲=0.5s计算。

设备起升到高度后28750mm，吊车开始回转，此时吊点到吊车定滑轮距离S=21米。

吊车回转和设备就位高度在28.75m～ 54m，按照B类地区，综合考虑取f=1.65。

（2）在吊车开始回转到转动速度ω时的动载荷计算

则计算出设备偏角λ为 5.3°。

表2 不同风速下吊装动荷载计算表

4 结束语

经过上述的理论计算和工程实例验证，单吊车在将设备或工件吊装过程中，动载荷是影响吊装安全的主要因素，为了减少动载荷对吊车的影响，应当按照以下要求进行吊装作业。

（1）在吊车突然启动或在回转过程中突然停止，由于原有偏离角度和运动惯性，会产生较大的动载荷；吊钩起落速度的突然变化，也会产生较大的动载荷。因此，吊车做各种动作（回转、起升、变幅）时的启动速度要慢，做到平稳操作。

（2）为了防止在设备运动过程中产生的动载荷迭加，禁止吊车同时发生两种动作。

（3）在8 级风速时的吊装动载系数达到1.052，应严格禁止吊装作业；吊装规范规定吊车在风速超过10.8m/s时禁止进行吊装作业，因为在此风力环境下，局部的阵风会达到7～8级以上，由此造成工件受风载大幅度晃动，产生较大的动载荷。

（4）在进行设备高空吊装进行高处对口或就位时，需要人力去推扶设备协助就位，应保证吊装平稳，在风力较小情况下进行吊装作业，减小动载荷影响。

（5）严格控制单吊车吊装的负荷率不超过相应工况下的额定吊装能力的90%要求，防止吊装过程动载荷因素叠加造成超负荷吊装。

单吊车吊装设备或工件时，特别是设备重量与吊车的额定起重量接近时，充分考虑动载荷产生的不利影响，在吊装作业过程中，减少由于吊车的违规操作、自然条件、人为因素造成的各种危险，制定合理的吊装作业程序，确保吊装作业安全。