談塔機起升裝置主要部件的計算與應用

雷晶濤 朱 毅 陳勇衛

(陜西建設機械股份有限公司，陜西 西安 710000)

1 塔式起重機起升機構的工作級別與種類

塔式起重機起升機構的工作級別是設計起重機構的基礎，根據GB/T 13752—2017塔式起重機設計規范規定，塔式起重機機構的工作級別分為M1～M6級，它是由塔式起重機的載荷狀態級別和使用等級確定的。當塔式起重機工作級別確定后，該起升機構的工作級別可以對應查出，這對后續塔式起重機起升機構計算較為重要。

起升機構按驅動種類又分為電動起升機構和液壓起升機構兩種，但在目前情況下在塔式起重機上應用較多的多為電動起升機構，為此，本文以電動起升機構為例，對起升機構的計算和應用作為實例進行分析、講解。

1.1 電動起升機構的組成

一個標準的電動起升機構一般由電動機、減速機、制動器、聯軸器、鋼絲繩、卷筒等組成。這些部件計算的前提是先要明確載荷的特點，然后進行一系列的計算來滿足起升機構的運行工況。

1.2 塔式起重機起升載荷的定義和特點

1.2.1 起升載荷的定義

塔式起重機的起升載荷是起升質量。塔式起重機主要工作載荷主要包括起重量和吊具與鋼繩的重量，簡稱吊重。

1.2.2 起升機構的載荷的特點

1)物品在起升或下降時，驅動機構中由鋼絲繩拉力產生的扭矩方向不變，即扭矩是單向作用的。2)物品懸掛系統一般由撓性鋼絲繩組成，物品慣性引起的附加轉矩對機構影響不大，一般不超過靜轉矩的10%。3)機構起升或制動時，只有電動機輸出軸到制動器之間的零件承受較大的動載荷，齒輪傳動和其他低速軸零件所承受的動載荷不大。4)機構起動或制動時間同穩定運動相比是短暫的，因此，可以將穩定運動時的起升載荷作為機構計算載荷。通過以上對起升載荷的分析，則對起升機構主要部件的計算，就更加明了。

2 電動起升機構的計算

2.1 鋼絲繩與卷筒的選擇

2.1.1 鋼絲繩計算

在塔式起重機上通常采用單聯滑輪組，其鋼絲繩的最大靜拉力：

其中，S為卷筒鋼絲繩最大靜拉力，N；Q為起升載荷，N，Q=Q0+q，q為取物裝置的重量，當塔式起重機起升高度不小于50 m時，起升鋼絲繩的重力也應當包括在內；Q0為額定起升載荷；a為滑輪組的倍率；ηz為滑輪組的效率;ηd為導向滑輪總效率。

故鋼絲繩直徑按最大靜拉力確定，鋼絲繩其破斷拉力Sp:

Sp=n×S。

其中，Sp為鋼絲繩最小破斷力，N；n為鋼絲繩最小安全系數(見表1)；S為鋼絲繩最大靜拉力，N。

表1 鋼絲繩最小安全系數表

這種方法適合于運動鋼絲繩和靜態鋼絲繩的選擇，也是較常用的一種方法。

2.1.2 卷筒的結構尺寸計算

卷筒初步計算時，卷筒的最小纏繞直徑按以下公式計算:

DOmin=Kn×dr。

其中，DOmin為卷筒的最小纏繞直徑，mm；Kn為機構級別與鋼絲繩結構有關的系數(見表2)；dr為鋼絲繩公稱直徑，mm。

表2 系數(Kn)選取表

在卷筒結構上GB/T 11156—2011塔式起重機起升機構優先采用焊接結構形式卷筒。起升機構卷筒厚度、強度按照GB/T 13752—2017塔式起重機設計規范計算。

2.2 電動機的計算

2.2.1 電動機初選

在塔式起重機中電動起升機構較為常見，電動機的初選極為重要。在設計時起重機的載荷額定起升速度及機構效率來計算機構的靜功率如下：

其中，P為機構靜功率，kW;Q為起升載荷，N；Vq為額定起升速度,m/s;η為總效率。

按上式計算出的靜功率通常用“接電持續率法”初選。

根據GB/T 13752—2017塔式起重機設計規范塔式起重機起升機構電動機容量選擇計算中，初步查出JC，CZ的數值見表3(以塔式起重機2類為例)。

表3 JC，CZ的數值

以上數據得出后，對應廠家電機樣本初步完成電機的選擇。

2.2.2 電動機軸上所需的轉矩

電動機軸上轉矩分為穩態起升額定轉矩和電機軸上的最小啟動轉矩，這兩個指標對塔式起重機起升電機來講要求嚴格，這也是選取電機的關鍵指標。

1)穩態起升額定載荷電機軸上的轉矩Mn(單位：N·m)。

其中，n為電動機額定轉速,r/min;PQ為額定起升載荷,N;Pn為電動機靜功率,kW;Vq為起升速度，m/s；η為機構總效率。

換算到起升系統元件上則有：

其中，Pq為額定起升載荷，N；D為按最外層鋼絲繩中心計算的卷筒卷繞直徑，m；a為滑輪組倍率；i為電動機到輥筒軸的總傳動比；η為起升吊重物時起升機構和滑輪組的總效率。

2)電動機軸上最小啟動轉矩Md。

根據塔式起重機起升系統啟動電機特點，啟動時電機轉矩載荷見表4,Md(N·m)與穩態起升時載荷的轉矩Mn(N·m)之比值。

表4 Md與Mn比值

這樣可以獲得較好的起升性能，避免出現悶車現象，有利于塔式起重機系統的正常運行。

3)電動機的校驗及目的。

塔式起重機上所選電動機按照《塔式起重機設計規范》要求進行電動機的校驗。電動機校驗過程主要有兩個方面包括電動機的過載校驗和發熱校驗，過載校驗目的是校驗塔式起重機在設計極限情況下電動機的最大轉矩或堵轉轉矩是否保證機構起動需求；發熱校驗目的是在滿足塔式起重機正常工作情況下不出現過熱情況；具體驗證計算及方法遵守GB/T 13752—2017塔式起重機設計規范附錄中規定及GB/T 3811—2008起重機設計規范執行。

2.2.3 塔式起重機制動器的計算

塔式起重機制動器是保證設備安全和正常工作的一個重要部件，起升制動器的作用是保持吊物控制懸停，又叫支持制動器。通常塔式起重機采用斷電制動方式，制動輪/盤剛性與傳動裝置軸連接以確保塔式起重機制動安全性。制動器的制動扭矩應大于傳動裝置軸所需要的扭矩。則有：

1)制動扭矩的計算。

其中，MZ為起升機構軸上計算理論扭矩,N·m;KZ為制動器安全系數;Pq為額定起升載荷,N;D為最外層鋼絲繩中心計算的卷筒卷繞直徑,m;a為滑輪組倍率;i為由制動器軸到卷筒的總傳動比;η為吊物下降時起升機構和滑輪組的總效率。

2)制動安全系數。

制動安全系數根據不同工作機構，安全系數選取也不同,見表5。

表5 制動安全系數選取表

另外,塔式起重機起升制動中還包括減速制動，這個采取電器措施較為常見。同時，啟動、制動還應考慮時間、加速度等因素，這在設計規范和手冊中都有計算的方法。

2.2.4 減速機的選擇

1)起升機構的傳動比計算。

其中，n為電動機額定轉速，r/min；n′為卷筒轉速，r/min。

減速機應與預期壽命及機構工作級別對應使用等級一致，這樣可以獲得較好的配套效果。所選減速機的許用功率[P]應滿足下式：

[P] ≥K×Pn。

其中，K為選擇系數(一般根據型號和使用工況確定在標準、手冊查找)；Pn為電動機額定功率，kW。

2)減速機的校驗(減速機與卷筒相連)。

a.輸出軸端最大徑向力計算Fmax。

其中，S為鋼絲繩最大靜拉力,N;ψ2為起升載荷動載系數;G為卷筒重力(含鋼絲繩),N;[F]為減速機輸出軸端允許最大徑向載荷,N。

b.輸出軸最大扭矩計算Tmax。

基于起升載荷特點，減速機短暫輸出軸最大扭矩應滿足以下公式：

Tmax=ψ2×T≤[T]。

其中，ψ2為起升載荷動載系數；T為鋼絲繩在卷筒上產生的最大靜拉力，N；[T]為減速機需用短暫最大扭矩(通常由廠家或手冊查出)。

3 塔式起重機起升機構的應用

塔式起重機的起升機構，是塔式起重機設計中的一個 關鍵環節，關系到產品的性能，故在使用上對使用單位和塔司人員提出較高要求，塔司應做到持證上崗，對機械電氣知識有一定的了解,熟悉產品說明書。

3.1 了解塔式起重機參數、分類及工作級別

使用者應按照設計制造單位編制的說明書對所使用的的塔式起重機的使用級別、機構工作級別、工作幅度、額定起升重量、最大起重量、獨立高度等參數了解和掌握。

3.2 維護保養

起升機構工作50 h后需要檢查安裝螺栓是否有松動。通常減速器首次換油時限為工作200 h。

首次更換潤滑油后，每工作2 400 h更換潤滑油或取決于應用情況，也可一年換一次油。然而，必須每班檢查油面并按規定添油。

安裝前和每使用一月后，應按電機說明書要求檢查或調整電磁制動器的制動氣隙。卷筒尾部軸承座上外側面有一個潤滑油嘴，每使用1 200 h后請檢查并視情況加注滿3號極壓鋰基潤滑脂。

安裝前應在滑輪軸上涂抹適當的潤滑脂。常檢查滑輪軸上的潤滑脂，根據實際使用情況補涂潤滑脂。卷筒軸與減速器的潤滑及磨損情況，如有偏磨或嚴重磨損則應停機換件。每次檢查后要視情況補充3號極壓鋰基潤滑脂。

3.3 起升機構的工作環境

起升機構應在規定的工作環境下進行工作。通常溫度：-20 ℃～+40 ℃，相對濕度不大于90%，機構工作電壓要相對穩定，工作電源符合GB/T 5226.32—2017的規定，起升機構工作噪聲：不大于85 dB，設備的金屬外殼、導線的金屬保護管均應可靠接地，其接地電阻應不大于4 Ω。

4 結語

通過對塔式起重機起升機構的主要部件的計算，使塔式起重機起升機構的設計更加快捷規范，同時將起升機構的應用融入其中，使設計和使用人員更方便的了解和領悟塔式起重機起升機構的設計和應用的精髓。