基于能耗的橋式起重機起升機構機械傳動效率測量與計算

李國斌

（廣州番禺職業技術學院機電工程學院　廣州　511483）

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基于能耗的橋式起重機起升機構機械傳動效率測量與計算

李國斌

（廣州番禺職業技術學院機電工程學院廣州511483）

摘要本文針對一款橋式起重機起升機構設計了減速器功率測量系統，并基于能耗討論了起升機構中的吊具系統機械效率的計算方法進行了研究，對該型橋式起重機的起升機構能耗與機械效率計算方法進行了討論；為進一步測量整個起重機的傳動機構效率提供了基礎。

關鍵詞起重機起升機構能耗傳動效率

Bridge Crane Hoisting Mechanism of Mechanical Transmission Efficiency Measurement and Calculation Based on the Energy Consumption

Li Guobin
（Polytechnic Institute of Electrical and Mechanical Engineering Guangzhou 511483）

Abstract A bridge crane hoisting mechanism，this paper designed the speed reducer power measuring system，and based on the energy consumption of lifting mechanism is discussed in the sling system method for calculating the mechanical efficiency was studied，and the type of the bridge crane hoisting mechanism and mechanical energy consumption efficiency calculation method are discussed；To measure the size of the efficiency of the whole crane actuator further provides the basis.

Keywords Crane Lifting mechanism Energy consumption Transmission efficiency

一、引言

起重機在建筑學又稱吊車，俗稱克令吊或天車，是由纜索或鐵鏈及滑輪等組件組成的機械裝置。在貨運業中，被用作移動貨物；在建造業中，被用作移動大型設備；而在航海科技中，用于升高或者降低物品。通常起重機械由起升機構、運行機構、變幅機構和回轉機構，再加上金屬機構，動力裝置，操縱控制及必要的輔助裝置組合而成。起升機構、運行機構、變幅機構和回轉機構構成起重機的傳動系統，整個傳動系統的能量消耗關系到起重機的性能，而起升機構是任何起重機傳動系統中必須具備的，是物品獲得升降運動的基本組成。研究起升機構的能量消耗是起重機節能研究重要的一部分。

當前對起重機效率測量，主要方法都集中在對起重機各部件的效率測量，中國科學院長春光學精密研究所劉源萍討論了諧波齒輪傳動運動誤差理論與測試技術的研究[1]。南京理工大學葉偉則建立了起升機構能耗模型及電功率的測量方法[2]。但電功率法測量僅限于部件動力源來自電能狀況下，且只能測量輸入功率，而輸出功率的測量依舊難以實現。

本文嘗試以某型號起重機為研究對象，從起升機構入手，研究各傳動部件效率及檢測方法。

二、起升機構傳動能耗與機械效率

起升機構主要由驅動裝置、傳動裝置、卷筒、滑輪組、取物裝置和制動裝置組成。此外，還可裝設各種輔助裝置，如起升高度限位器，力矩限制器，三圈保護等安全裝置，驅動裝置包括電動機、聯軸器、制動器、減速器、卷筒等部件。鋼絲繩卷繞系統包括鋼絲繩、卷筒、定滑輪和動滑輪。取物裝置包括吊鉤、吊環、抓斗、電磁吸盤、吊具、掛梁等多種型式。本文所研究的起重機起升機構傳動簡圖如圖1所示。

對于傳動系統，能耗高低直接決定于機械傳動效率，機械效率低下，傳動機構能耗則顯著增大，反之，傳動效率越高，能耗越小。因此可以將傳動機構的各個部件聯合起來，從系統的角度去研究其機械能傳動過程，能耗的檢測就轉換為了對起重機起升機構機械傳動效率的檢測，如圖2所示。

在電機、減速機、卷筒傳動路線中，起重機起升機構均使用了聯軸器進行剛性傳動，聯軸器的傳動效率很高，在正常工作、正常潤滑情況下，齒輪聯軸器的傳動效率變化不大甚至幾乎沒有變化，且對于一般用于橋式起重機的齒輪聯軸器正常工作、潤滑的情況下能高達0.99。本文為討論方便，視聯軸器傳動效率為一定值α，常用的聯軸器傳動效率如表1所示。

三、齒輪減速器效率檢測

起重機的按照使用功能可分為起升、運行、回轉和變幅四大機構，這四大機構設計過程都離不開減速器的使用，減速器在電機和卷筒之間起匹配轉速和傳遞轉矩的作用。目前常用的起重機減速器按齒面硬度分軟齒面、中硬齒面和硬齒面齒輪減速器[6]，其中以QJ系列減速器在橋式起重機上最為常用，本起重機采用QJR型單級齒輪減速器。

為能在減速器工作情況下對減速器效率進行測量，設計了一種功率測量儀，測量儀一路采用應變片作為傳感元件，直接粘貼在減速器的高速軸和低速軸上，組成惠斯通電橋。減速器在工作時，由于需要傳遞扭矩，從而導致工作軸發生微變形，在電橋間產生應變電壓，經電路放大后，調制解調為數字信號。同時一路采用光電式轉速傳感器，經調制解調模塊放大電路及信號整理、分頻處理，與扭矩信號成組打包，兩路信號通過無線傳輸輸入到微計算機經軟件系統編譯顯示并儲存，測量儀系統框架如圖3所示：

四、吊具系統效率研究

橋式起重機吊具系統通常由卷筒、鋼絲卷繩、吊鉤、滑輪組成，在傳動系統中相互作用，作為單個傳動機構結構簡單，測量機械效率難度很大且沒有必要。完全可將吊具系統其各部分考慮為一個串行的傳動系統，研究其整體效率。

由圖1、2可看出，吊具系統的輸入功來自減速器的低速軸端，即吊具系統的輸入功率= PJo×ηL，其中，ηL為連接低速軸端的聯軸器的效率，假設為一常量，PJOi為減速器的輸出功率。吊具的最終輸出功率則體現在提升重物的這一過程。由圖四可看出，在重物提升過程功率：

其中F為拉力，V為載荷速度，為90度，θ為拉力與速度矢量方向夾角。當豎直提升時，θ為90度

如圖5鋼絲繩受力圖所示，此時在橋式起重機鋼絲繩上安裝力傳感器并根據鋼絲繩與地面夾角，最終得出起重機豎直提升時的輸出功率PD，由于：

公式（3）中，N為張力傳感器個數；T為張力傳感器測量值；V為起重機提升豎直速度。夾角θ隨著重物上升會逐漸變大，但由于其變化很小，為方便計算，認為θ是恒定的已知量。

若提升時間為t0，減速器功率測量系統數據采集頻率為f1，扭矩與轉速相鄰兩個數值時間間隔為Δt1，張力傳感器與速度傳感器數據采集頻率為f2，拉力與速度兩個相鄰數值之間的時間間隔為Δt2，

則：

可得吊具系統的輸入功率：

吊具系統的輸出功率

結合減速器功率公式及式（5）、（6）得到吊具系統效率

五、結論

本文通過計算橋式起重機起升機構各部分的能耗，研究和推導了起升機構中吊具系統機械傳動效率的測量與計算方法，并設計了一款減速器功率測量系統，能夠對傳動機構起升機構的機械傳動效率進行測量并計算。為進一步研究整個橋式起重機機械結構效率提供了基礎。

參考文獻

[1]劉源萍.諧波齒輪傳動運動誤差理論與測試技術的研究[J].光學精密工程，2003，28（5）：165-175.

[2]程文明，李亞民，張則強.橋式起重機與門式起重機輕量化設計的關鍵要素[J].中國工程機械學報，2012（01）：56-57.

[3]王海波，劉鳳之，王孝娣，等.我國果園機械研發與應用概述[J].果樹學報，2013（01）：34-35.

[4]郭建瑞，張彪.聯軸器系列設計方法探討[J].機械設計，2005（07）：78-79.

[5] Chen Zhimei，Meng Wenjun，et al.Intelligent Anti-swing Control for Bridge Crane [J].Journal of Central South University，2012，19（10）：2774-2775.

[6]錢作勤，厲海祥.硬齒面點線嚙合齒輪傳動的試驗研究[J].武漢船舶職業技術學院學報，2011（01）：98-99.

李國斌：男（1962.10~），江西宜春，漢，碩士，副教授，廣州番禺職業技術學院機電工程學院。從事傳動機構研究。

作者簡介

中圖分類號TH215

文獻標識碼A

文章編號150619-7035