橋門式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

龍有強(qiáng)，譚順嚴(yán)

（北海職業(yè)學(xué)院，廣西 北海536000）

0 引言

起升機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)是橋門起重機(jī)設(shè)計(jì)選型中一項(xiàng)很重要的工作，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)及總體設(shè)計(jì)要求，必須合理選擇和確定起升驅(qū)動(dòng)裝置的傳動(dòng)布置方案，確定合理的鋼絲繩滑輪組卷繞系統(tǒng)。對(duì)于裝卸貨物和生產(chǎn)廠家以及使用單位有著重要的意義。

通過(guò)計(jì)算，選用所需的標(biāo)準(zhǔn)部件（如：電動(dòng)機(jī)、減速器、制動(dòng)器、鋼絲繩等），對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)零部件進(jìn)一步的強(qiáng)度和剛度計(jì)算，布置簡(jiǎn)圖如圖1 所示。

圖1 典型的驅(qū)動(dòng)裝置

1 滑輪組倍率

根據(jù)起重機(jī)的類型和起重量，確定起升滑輪組的形式和倍率。對(duì)于橋門式起重機(jī)，需要考慮鋼絲繩承載分支數(shù)此次的起升滑輪組形式選用單聯(lián)滑輪組。表1 所列是橋門式起重機(jī)上廣泛采用的滑輪組倍率數(shù)。

表1 橋架型起重機(jī)常用的滑輪組倍率m

查表得出橋架型起重機(jī)3 t 額定起重量的倍率m = 1。

2 選擇鋼絲繩

2.1 計(jì)算鋼絲繩最大靜拉力

繞入卷筒的單根鋼絲繩最大靜拉力：

式中，F(xiàn)jmax為鋼絲繩最大靜拉力；X 為系數(shù)（閉合繩X = 1）；PQ為額定起升載荷（N），當(dāng)起升高度超過(guò)50 m 時(shí)，還要計(jì)及鋼絲繩的自重力；計(jì)算起升載荷時(shí)，吊具自重可參考表2 選取；m 為滑輪組倍率；ηz為滑輪組效率，設(shè)為1；ηd為導(dǎo)向滑輪效率，與包角有關(guān)，如表3 所列；a 為導(dǎo)向滑輪數(shù)量。

表2 吊具質(zhì)量q 與起重量Q 的關(guān)系

表3 導(dǎo)向滑輪效率ηd

由上式（1）公式解析計(jì)算得繞入卷筒的單根鋼絲繩最大靜壓力：

2.2 選取鋼絲繩

由現(xiàn)場(chǎng)取材，選擇繩芯材料為金屬絲鋼芯，其鋼絲繩繞向：右向交互捻金屬絲鋼絲繩。

2.3 鋼絲繩的標(biāo)記

根據(jù)鋼絲繩、術(shù)語(yǔ)、標(biāo)記和分類（GB/8706-2006）規(guī)定及查表4，最終選取鋼絲繩為：3216×86 IWRC USZ。

表4 鋼絲繩標(biāo)記的部分內(nèi)容和代號(hào)

3 確定滑輪和卷筒尺寸

式中：nt為卷筒轉(zhuǎn)速（r/min）；vq為起升速度（m/s）；D0為按最外層鋼絲繩中心計(jì)算的卷筒卷繞直徑；D 為卷筒槽底直徑（m）；d 為鋼絲繩直徑（m）；m 為同式（1）。

以上的公式解析計(jì)算得

4 選擇電機(jī)

4.1 計(jì)算電動(dòng)機(jī)功率

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)銘牌確定起升速度為0.13 m/s，由于起重冶金用電動(dòng)機(jī)機(jī)械強(qiáng)度高，過(guò)載能力大，轉(zhuǎn)子限性小。電動(dòng)機(jī)的功率可按提升額定起重量穩(wěn)定工作時(shí)靜功率計(jì)算，即：

式中，Nj為電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)起升功率（kW）；n 為電動(dòng)機(jī)臺(tái)數(shù)；η 為起升機(jī)構(gòu)傳動(dòng)裝置的滑輪組的總傳動(dòng)效率；ηz為卷筒效率；ηch為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)效率，與傳動(dòng)形式有關(guān)，選用一級(jí)開式圓錐齒輪傳動(dòng)，效率為0.89；

公式（4）、（5）解析得：

4.2 初選電動(dòng)機(jī)

根據(jù)使用場(chǎng)合，橋式起重機(jī)工作級(jí)別查表5，選擇M8。

表5 機(jī)構(gòu)工作級(jí)別與等效接電持續(xù)率JC′參考關(guān)系

4.3 電動(dòng)機(jī)發(fā)熱校驗(yàn)

電動(dòng)機(jī)工作中因溫升而發(fā)熱，過(guò)分高得溫升會(huì)使繞線得絕緣材料加速老化，嚴(yán)重時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)燒壞。故應(yīng)對(duì)穩(wěn)態(tài)功率初選得電動(dòng)機(jī)作發(fā)熱檢驗(yàn)。以控制電動(dòng)機(jī)得溫升，使其在容許得范圍內(nèi)。繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)及變頻控制籠型電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱檢驗(yàn)方法如下：

計(jì)算穩(wěn)態(tài)平均功率：

式中，Ns為穩(wěn)壓平均功率（kW）；G 為穩(wěn)態(tài)負(fù)載平均系數(shù)，如表6 所列。

表6 起升機(jī)構(gòu)的JC′、CZ、G 值

校正計(jì)算得：

5 選擇減速器

5.1 計(jì)算傳動(dòng)比

根據(jù)電動(dòng)機(jī)和卷筒的轉(zhuǎn)速，可以求出起升機(jī)構(gòu)減速傳動(dòng)裝置傳動(dòng)比：

式中，i 為起升機(jī)構(gòu)總傳動(dòng)比；nd為在額定起重量作用下的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）。

由（7）解得

5.2 確定減速器傳動(dòng)比

在電力驅(qū)動(dòng)的起升機(jī)構(gòu)中通常采用標(biāo)準(zhǔn)減速器。在特殊情況（如慢速）、標(biāo)準(zhǔn)系列產(chǎn)品不能滿足要求時(shí)，則增加開式齒輪傳動(dòng)。目前普遍采用的標(biāo)準(zhǔn)減速器時(shí)QJ 系列起重機(jī)用減速器，《起重機(jī)用三支點(diǎn)減速器》（JB/T8905.1-1999）和《起重機(jī)用底座減速器》（JB/T8905.2-1999）。

按所采用的傳動(dòng)方案，若選用標(biāo)準(zhǔn)減速器，則減速器的傳動(dòng)比即為計(jì)算的傳動(dòng)比i。若起升機(jī)構(gòu)減速傳動(dòng)裝置為標(biāo)準(zhǔn)減速器和開式齒輪傳動(dòng)等，則要對(duì)傳動(dòng)比i 進(jìn)行分配，則：

式中，i1為減速器傳動(dòng)比；i2為開式齒輪傳動(dòng)比。

5.3 選取減速器

根據(jù)所需要的減速器傳動(dòng)比i1（或i）、輸入功率Nj、輸入軸轉(zhuǎn)速ηd以及機(jī)構(gòu)的JC 值，從標(biāo)準(zhǔn)減速器樣本中選定合適的型號(hào)的減速器。此時(shí)，還要考慮減速器的中心矩尺寸應(yīng)該滿足驅(qū)動(dòng)裝置的具體要求。

減速器校驗(yàn)。減速其選出后，還須按負(fù)載情況Ⅱ的載荷作用，核算其輸出的強(qiáng)度和最大容許轉(zhuǎn)矩，即

式中，F(xiàn)max為減速器輸出軸端最大徑向力（N），由鋼絲繩最大靜拉力、卷筒重力以及具體支承情況確定；[F]為減速器輸出軸端的許用外向力（N），選值為800 N；Mmax為減速器輸出軸上的最大轉(zhuǎn)矩（N·m），由電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩確定；[M] 為減速器輸出軸的許多轉(zhuǎn)矩（N·m），選值為1 000 N·m。

5.4 確定實(shí)際起升速度

已經(jīng)選定的電動(dòng)機(jī)和減速器的功率、轉(zhuǎn)速、傳動(dòng)比等參數(shù)大多數(shù)接近于設(shè)計(jì)參數(shù)，最后應(yīng)計(jì)算出實(shí)際的起升速度，使其滿足：

式中，vq為設(shè)計(jì)要求提出的起升速度（m/s）；vq′為實(shí)際達(dá)到的起升速度（m/s）。

當(dāng)誤差＞5%時(shí)，應(yīng)通過(guò)另選滑輪組倍率或修改卷筒直徑，或者加配開式齒輪傳動(dòng)進(jìn)行必要的修正。

6 選擇聯(lián)軸器

起升機(jī)構(gòu)高速軸常用的聯(lián)軸器有齒輪聯(lián)軸器、彈性柱銷聯(lián)軸器和萬(wàn)向聯(lián)軸器等。低速軸一般采用齒輪聯(lián)軸器，或用齒輪連接盤與減速器的齒形接手相連。

選擇聯(lián)軸器，首先根據(jù)工作條件確定選用的形式，然后按其所承受的扭矩、被連接軸的軸頸尺寸和轉(zhuǎn)速，從聯(lián)軸器樣本中選定具體型號(hào)，使之滿足：

式中，Mc為聯(lián)軸器所在軸按載荷情況Ⅰ的載荷作用計(jì)算的扭矩（N·m）；[M] 為聯(lián)軸器的許用扭矩（N·m）；nl為聯(lián)軸器的安全系數(shù)，nl= 1.5；φ 為動(dòng)載系數(shù)，φ = 1.2。

7 選擇制動(dòng)器

起升機(jī)構(gòu)的每一套的獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)裝置至少應(yīng)裝設(shè)一支持制動(dòng)器。吊運(yùn)液態(tài)金屬及其他危險(xiǎn)品的起升機(jī)構(gòu)，每套獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)裝置至少應(yīng)裝設(shè)兩個(gè)支持制動(dòng)器[1-2]。

為了安全，起升機(jī)構(gòu)制動(dòng)器制動(dòng)轉(zhuǎn)矩必須大于由于貨物重力所產(chǎn)生的靜扭矩，是貨物處于懸吊狀態(tài)時(shí)具有足夠的安全裕度[3-4]。因此，制動(dòng)扭矩應(yīng)滿足：

式中，MZ為起升機(jī)構(gòu)制動(dòng)器軸上的計(jì)算制動(dòng)轉(zhuǎn)矩（N·m）；KZ為制動(dòng)安全系數(shù)，見(jiàn)表7；η′為貨物下降時(shí)起升機(jī)構(gòu)傳動(dòng)裝置和滑輪組的總傳動(dòng)比效率；i 為由制動(dòng)器到卷筒的總傳動(dòng)比。

解得

表7 起升機(jī)構(gòu)安全系數(shù)KZ

選擇制動(dòng)器，首先根據(jù)作業(yè)要求，確定制動(dòng)器的類型，然后按計(jì)算的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從制動(dòng)器樣本中選定具體型號(hào)。制動(dòng)器產(chǎn)品目錄中標(biāo)明的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩是該型號(hào)的最大值，如所需要的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩小于標(biāo)明的最大值時(shí)，可通過(guò)調(diào)整其制動(dòng)彈簧行程來(lái)調(diào)整制動(dòng)器的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

8 結(jié)語(yǔ)

最終，滑輪組倍率為1 倍，卷筒的單根鋼絲繩最大靜壓力為9 847.72 N，卷筒的轉(zhuǎn)速為14 r/min，卷筒直徑為1.06 m，電動(dòng)機(jī)功率不小于4.3 kW，減速器1 000 N·m，制動(dòng)器大于等于252 N。

綜上所述，橋門式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)通過(guò)設(shè)計(jì)選型可以很好改善結(jié)構(gòu)組成，并且對(duì)于節(jié)能降耗也具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。