大型塔式起重機起升調速方法對比分析

李明強，侯清濤，李鵬舉，王永新

（山東電力建設第一工程公司，山東 濟南 2 5 0 1 3 1）

1 起升機構簡介

為適應高層、超高層建筑及各類設備的安裝需要，塔式起重機（以下簡稱塔機）必須具有較大的起升高度。在塔機吊裝過程中，為提高工作效率，一般要求吊鉤在輕載和空鉤時能夠快速升降，因此，起升機構必須具有一定的調速范圍。

起升機構布置簡圖如圖1所示。常用的起升機構各組成單元依次串聯，少數起升機構的組成單元為并聯，例如采用雙電動機驅動。

圖1 起升機構布置簡圖

2 調速方法分析

起升機構的傳動簡圖和繞繩示意圖如圖2及圖3所示。

由公式 n=int，nt=va/(πD)，va=av可知起升速

圖2 起升機構傳動簡圖

圖3 繞繩示意圖

度為

其中：n為電動機轉速，i為減速機傳動比，nt為卷筒轉速，va為鋼絲繩出卷筒速度，D為卷筒直徑，a為滑輪組倍率。

一個完整的傳動系統確定后，卷筒直徑D是不變的，能夠改變數值大小的是電動機轉速n、減速機傳動比i和滑輪組倍率a。因此，與之對應的調速方法有3種：電氣調速、減速機調速和滑輪組變倍率調速。

2.1 電氣調速

電氣調速是通過改變電動機輸出轉速的方式來改變起升速度。電氣調速的方法很多，根據電動機的工作原理，電氣調速可分為兩大類：直流電動機調速和交流電動機調速。

2.1.1 直流電動機調速

直流電動機的穩態轉速公式

其中：n為電動機轉速，U為電樞電壓，I為電樞電流，R為電樞回路總電阻，Ke為電動勢常數，?為勵磁磁通。

根據式(2)參數，直流電動機調速有3種方法：弱磁調速、調壓調速和串阻調速。

2.1.2 交流電動機調速

交流電動機的穩態轉速公式

其中：n為電動機轉速，f為供電電源頻率，p為電動機極對數，s為電動機的轉差率。

因此，根據式(3)參數，交流電動機調速也有變頻調速、變極調速和變轉差率調速3種方法。

在塔機的起升調速中，直流調速最常用的是調壓調速，交流調速最常用的是變頻調速，這兩種方法的特點是調速范圍大，都能實現無級調速。

在額定轉速以上進行變速時，電動機的輸出轉速不應過高，輸出轉速不能超過聯軸器、減速機的許用轉速。變頻調速的情況下，在同等功率時，低頻低轉速下若需要輸出大扭矩，電動機的機座號隨之增加過大，成本造價相應提高。因此，大范圍的電氣調速只適合在中小功率的起升機構中應用，電動機輸出轉速可變化50倍；大功率的起升機構中電動機調速范圍只有2倍左右。

2.2 減速機調速

減速機調速是通過改變減速機的傳動比來改變起升速度，這類減速機有電磁換擋減速機、電液換擋變速箱等產品。

電磁換擋減速機靠電磁離合器換擋改變減速機的傳動比，一般只設置兩擋，不能帶載變換離合器擋位。

電液換擋變速箱設置在電動機和減速機之間，通過電控液壓操作使離合器換擋改變減速機的傳動比，可設置多個擋位，并可以帶載變換離合器擋位。

電液換擋變速箱優點是變速范圍較大，但缺點是成本高、檢修維護繁瑣。

2.3 變倍率調速

變倍率調速是通過改變滑輪組倍率來改變起升速度。輕載高速時用小倍率，重載低速時用大倍率。變倍率調速根據操作方式分為手動換倍率和自動換倍率兩類。

在通常塔機設備中，滑輪組倍率變化較少，一般在兩種倍率之間變換，例如在1/2倍率、2/4倍率之間變換，其經濟性好，但多數塔機需要人工換倍率，使得操作不便。

為保證機構傳動的穩定性，減少振動，不宜使卷筒轉速過大，即鋼絲繩出卷筒的線速度不宜過高，當通過電氣或者減速機調速方法使卷筒轉速接近極限時，只能采用減小滑輪組倍率的方法來提高起升速度。

3 調速方法對比

電氣調速、減速機調速和變倍率調速各有優缺點，根據需要應用在不同的場合。三類調速方法的對比見表1。

表1 三類調速方法的比較

電氣調速可實現無級調速，變傳動比和變倍率為定級調速，只有固定的傳動比。僅采用電氣調速，雖然能夠實現無級調速，但大功率時的成本造價過高；只采用減速機調速，其傳動比可選范圍大，但換擋時沖擊大；只采用變倍率調速，滑輪組倍率變化少，可選范圍小，調速范圍有限，且操作繁瑣。

電氣調速的最大優點是能實現無級調速，能使動載系數減小10%左右，啟、制動平穩；減速機調速的最大優點是可變檔位多，變速范圍大；變倍率調速是終端調速手段，不受起重量和起升速度限制。電氣調速是最基本調速手段，是高品質塔機的標準配置。

4 實 例

某類型塔機，最大額定起重量100t，工作級別M 5，電動機功率132k W，卷筒卷繞6層，鋼絲繩直徑40mm；起升機構采用直流電動機調壓、變速箱和2/4倍率變換共3種組合的綜合調速方法，達到了大起重量、大起升速度和大起升高度的良好起升性能的目的。

在全磁場狀態下，調節電樞電壓，可使電動機從額定轉速向下變速，最大速度可達90m/m in。為得到額定轉速以上的速度，當電樞全電壓之后，弱磁升速，其速度可超過90m/m in，但此時對應的起重量較小，實際使用意義不大。其詳細性能參數見表2。

表2 起升性能參數表

由表2可知，若采用單一的調速手段，無法實現大范圍的穩定調速：不采用電氣調速，無法實現穩定的無級調速；不采用變速箱調速，僅有一種擋位，同時僅對應一種額定起重量（在50t、24t、9t和3t中選其一）；不采用變倍率調速，無法吊載100t（50t和100t中選其一），但是，常見起升機構中通常僅采用了其中兩種調速方法組合，即電氣調速與減速機調速，或者電氣調速與變倍率調速相結合，要保證大起重量、大起升速度和大起升高度，需同時采用3種方式進行組合才能達到目的。

5 結 語

1）采用電氣、變速箱和變倍率調速相結合的方法，能夠實現大范圍的平穩調速。3類調速手段各有利弊，應根據需要合理利用，在考慮用戶對起升速度需求的同時，還要兼顧設備使用、維修等各種成本。

2）鋼絲繩在卷筒第一層和最外層纏繞時，起升速度變化較大。外層纏繞（吊鉤在最大起升高度附近）時起升速度變大，高擋位小起重量時尤為明顯，因此，應合理選擇鋼絲繩在卷筒上的纏繞層數，同時層數過多時亦不利于正確排繩。

3）控制動載荷是實現良好起升性能的關鍵，因此，盡可能選用無級調速方式，并適當延長啟、制動時間，減小動載系數，以防止電動機過載。

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