温度对起重臂工作状态影响分析

摘要: 本文讲述了起重臂臂长逐渐增加背景下，环境温度对起重臂旁弯影响的原理，进行了吊臂不同位置温度差异测试、不同颜色涂装温度差异测试，并对测试结果进行了对比分析，根据温度对变形的影响原理，进行了粗略的旁弯值测算，得出了基于温度差异的起重臂主要参数对旁弯影响结果，并据此给出了未来产品设计和使用的建议。

关键词: 起重臂；旁弯；温度

0前言

在现代工程建设中，轮式起重机以其卓越性和机动灵活，成为吊装作业中不可或缺的关键设备。起重臂作为主要作业承载部件，需要满足吊高、吊远、吊重需求，在行业技术进步与外部需求相互促进、以及市场竞争加剧环境下，起重臂设计长度越来越大。一般起重臂包括主臂和副臂，主臂采用箱型多级伸缩形式，臂长变换高效快捷。副臂采用桁架结构，操作复杂，安装效率低。因此，在权衡成本、整机重量分配等因素下，主臂长度一直是衡量起重机主参数性能水平的一个关键指标。

回顾起重臂臂长发展历程，以300吨级轮式起重机为例，2007年主流为5节臂长度60米左右，2012年为7节臂80米，到了2020年以后逐步达到了8节臂95米。可以预见，未来一段时间内，仍将向更长臂架发展。

然而，臂长的增加也带来了新的技术挑战。其中，挠曲变形问题尤为突出，影响吊装定位精准性，以及不稳定状态涉及到的结构安全性，成为制约起重臂长度不断增加的主要因素。在设计计算保证前提下，还应充分考虑实际作业环境的不利影响。旁弯即是挠曲变形的一种常规描述，其旁弯现实表现程度除与设计计算中刚度控制标准、结构件制造精度、装配调试调整能力等有关外，还有一项容易被忽视、无法规避的影响因素，即作业环境温度。

本文通过理论分析和实验测试，深入探讨了日照温度对起重臂旁弯的影响机理及程度，为产品设计和安全使用提供了重要参考。

1理论分析

起重臂在日照作用下产生的旁弯变形，其物理本质是材料的热胀冷缩效应。为证实这种现象的存在，定量分析其影响程度，进而寻求改善这一问题的方法，提高产品可靠性和安全性，进行了初步的理论分析。

1.1基本原理

起重臂由多节套装臂节组成，根据吊装高度、幅度需要，各节臂伸出达到目标臂长。这时，由于工作位置、角度的差异，有时太阳光会照射到起重臂侧面，光照侧起重臂表面温度会升高，非光照侧温度变化很小，或可以认为基本保持不变。一般材料都有热胀冷缩的物理特性，金属材料也不例外，典型的实例为火车钢轨热变形伸长的现象，采用预留伸缩缝或无缝钢轨强制约束等措施解决。因此，起重臂侧面由于温度变化产生热胀冷缩，结构长度方向会发生变化，单侧光照影响下会引起两侧产生不同的温差△t，而温差的不同造成起重臂光照侧与非光照侧存在长度变化差△L。

1.2分析过程

将吊臂简化为由两根平行梁组成的模型，分别代表受照侧和非受照侧。首末两端固定约束在一起，两根梁左右距离与吊臂截面宽度相等，为简化将其中的宽度取为中间节臂或各节臂宽度平均值。在单侧光照情况下，由于温度变化，一根梁由于热胀冷缩变长，另一根梁温度变化较小，长度基本不变。在两根梁头尾两端约束情况下，会形成两条近似圆弧，产生侧弯。

非光照一侧直线变弧线后长度不变为L,光照侧长度变化为△L。由于臂头臂尾宽度未发生变化，那么两弧线为同心圆，如图1所示。

图1  单侧光照吊臂旁弯示意图

根据热膨胀及几何关系，按以下式子计算，可得到△L、θ、R1、R2、HN_L, 

①——△L =αL（t-t0)

②——△L =2π（R2-R1）θ/360

③——L =2πR1θ/360

④——R2=R1+B

⑤——X_L=2πR2θ/360

⑥——ND_L= SIN(θ/360π) X_L

式中，△L:热膨胀产生的长度变化，单位㎜

      α:热膨胀系数,α钢材=1.2×10-5／℃

      t:光照温度,单位℃

      t0:初始（非光照）温度,单位℃

      R2、R1、θ、X_L:过程参数

      B: 截面简化单向尺寸,单位㎜

      L: 臂长,单位㎜

      ND_L: 挠度变化,单位㎜

基于以上原理的解析过程，同样适用于光照对吊臂下挠的影响计算。按照这样的理论分析，对于起重臂，较小的温差将有利于改善吊臂旁弯、下挠问题。

2实验测试

2.1吊臂两侧温度差异测试

为定量验证理论分析中关于不同光照下的温度差异，对车辆进行了初步温度测试。结果显示，在当日的气温条件下，起重臂筒体光照侧与非光照侧温差为12℃，末节臂头光照侧与非光照侧温差为10.9℃，底盘围板光照侧与非光照侧温差为4.1℃。

可见，光照侧与非光照侧在同类部位中存在明显温差，而不同位置表现的温差均有所差异。需要进一步探究为什么不同位置表现的温差不同以及影响程度。

时间：下午14：50～15：20

天气：晴，有时多云或雾

2.2不同颜色表面温度差异测试

根据光学基本理论，自然光是复合光，包括了红橙黄绿青蓝紫的颜色的光，光波频率不同，其热效应也就不同。对于有颜色的物体来说，物体的颜色是它反射的光的颜色。即红色的物体反射的是红光，黑色的物体基本不反射，全部吸收，造成温度升高。

基于以上理论，为对比不同颜色表面对太阳光的吸收程度，寻求对温度差异不敏感的颜色表面，进而找到改善吊臂旁弯的措施，结合生产实际，选取黑色、黄色、红色、银灰色四种颜色作为实验样件。

采用相同规格板材喷涂黑色、黄色、红色、银色四种颜色油漆，喷涂工艺、板材材料、板厚厚度等均保持一致，每种颜色样件2件，共8件，同一颜色的两件同时分别置于光照和非光照下，四种颜色样件并列放置，按时间节点分别测试表面温度并记录。

实验结果1：

ü 不同样件初始温度存在差异，这是由于摆放前虽然没有阳光直射或背阴，但自然散射光仍会影响到表面，但总体差异不大；

ü 最高温度出现在下午2:40-3:00之间，温度为52.9℃；

ü 黑色吸热效率最高，银色最低，黄色与红色基本相同,红色略高；

ü 不同颜色样件在不同时段温差不同，在温度较高时温差也相对较大。

实验结果2：

ü 非光照下各种颜色吸热量基本相同，主要受环境温度影响；

各时段温度变化较小，最大变化7℃;

实验结果3：

ü 黑色最大温差出现在下午2:40-3:00之间，为31.9℃，在四种样件中温差最大。

ü 银色最大温差出现在下午2:40-3:00之间，为14.7℃，在四种样件中温差最小。

ü 黄色与红色基本相同，红色略大，最大温差21℃

3影响分析

2:40-3:00测得的数据，显示各色温差最大，将本组数据代入分析过程的算式中，即这样的温度变化作用到吊臂上，计算弯旁量、下挠量，以某300t级起重机产品为例，可以得到：

最终的结果显示，如果采用黑色涂装，将使吊臂额外产生超过1米的旁弯和下挠，采用银色涂装，将使吊臂额外产生超过0.5米的旁弯和下挠，即采用略浅颜色将使光照影响的旁弯量量减小50%。

但在起重臂实际工作中，光照温度的影响并不会如此严重。其中的差异可由以下两图解释，即吊臂截面是一个封闭的结构，光照侧与非光照侧存在着一定程度的热量传递，使两侧温度趋于平衡却无法平衡状态，因此，实际产品上的温差及温差影响的挠度变化应小于以上测试结果，其温差影响程度与太阳光照射时间长短、照射角度等因素均有一定关系。

3结论

综上所述，环境温度对起重臂旁弯影响是客观存在的，并且起重臂截面越小、臂长越长，影响越大。本文做出了一些测试和分析，可以作为定性分析参考，在设计之初应充分考虑臂长增加的这种变化还有这样一个隐性不利因素。因此，在起重臂涂装颜色选择上，除考虑用户偏好、高空吊装视觉安全影响等因素，也需要考虑对作业时旁弯及下挠的影响。在减小光照影响方面，除涂装颜色选择外，涂装表面的光泽度如高光、半光、哑光等，起重臂板材的热传导性也是精细化设计研究可以探究的方向。对于操作起重机的用户，在进行吊装作业时，应尽量避免吊臂长时间单侧光照，以减小吊臂左右两侧温度差异造成的旁弯。