桥门式起重机起升机构设计

龙有强，谭顺严

（北海职业学院，广西 北海536000）

0 引言

起升机构进行设计是桥门起重机设计选型中一项很重要的工作，根据设计参数及总体设计要求，必须合理选择和确定起升驱动装置的传动布置方案，确定合理的钢丝绳滑轮组卷绕系统。对于装卸货物和生产厂家以及使用单位有着重要的意义。

通过计算，选用所需的标准部件（如：电动机、减速器、制动器、钢丝绳等），对非标准零部件进一步的强度和刚度计算，布置简图如图1 所示。

图1 典型的驱动装置

1 滑轮组倍率

根据起重机的类型和起重量，确定起升滑轮组的形式和倍率。对于桥门式起重机，需要考虑钢丝绳承载分支数此次的起升滑轮组形式选用单联滑轮组。表1 所列是桥门式起重机上广泛采用的滑轮组倍率数。

表1 桥架型起重机常用的滑轮组倍率m

查表得出桥架型起重机3 t 额定起重量的倍率m = 1。

2 选择钢丝绳

2.1 计算钢丝绳最大静拉力

绕入卷筒的单根钢丝绳最大静拉力：

式中，Fjmax为钢丝绳最大静拉力；X 为系数（闭合绳X = 1）；PQ为额定起升载荷（N），当起升高度超过50 m 时，还要计及钢丝绳的自重力；计算起升载荷时，吊具自重可参考表2 选取；m 为滑轮组倍率；ηz为滑轮组效率，设为1；ηd为导向滑轮效率，与包角有关，如表3 所列；a 为导向滑轮数量。

表2 吊具质量q 与起重量Q 的关系

表3 导向滑轮效率ηd

由上式（1）公式解析计算得绕入卷筒的单根钢丝绳最大静压力：

2.2 选取钢丝绳

由现场取材，选择绳芯材料为金属丝钢芯，其钢丝绳绕向：右向交互捻金属丝钢丝绳。

2.3 钢丝绳的标记

根据钢丝绳、术语、标记和分类（GB/8706-2006）规定及查表4，最终选取钢丝绳为：3216×86 IWRC USZ。

表4 钢丝绳标记的部分内容和代号

3 确定滑轮和卷筒尺寸

式中：nt为卷筒转速（r/min）；vq为起升速度（m/s）；D0为按最外层钢丝绳中心计算的卷筒卷绕直径；D 为卷筒槽底直径（m）；d 为钢丝绳直径（m）；m 为同式（1）。

以上的公式解析计算得

4 选择电机

4.1 计算电动机功率

根据现场电机铭牌确定起升速度为0.13 m/s，由于起重冶金用电动机机械强度高，过载能力大，转子限性小。电动机的功率可按提升额定起重量稳定工作时静功率计算，即：

式中，Nj为电动机的稳态起升功率（kW）；n 为电动机台数；η 为起升机构传动装置的滑轮组的总传动效率；ηz为卷筒效率；ηch为传动机构效率，与传动形式有关，选用一级开式圆锥齿轮传动，效率为0.89；

公式（4）、（5）解析得：

4.2 初选电动机

根据使用场合，桥式起重机工作级别查表5，选择M8。

表5 机构工作级别与等效接电持续率JC′参考关系

4.3 电动机发热校验

电动机工作中因温升而发热，过分高得温升会使绕线得绝缘材料加速老化，严重时使发动机烧坏。故应对稳态功率初选得电动机作发热检验。以控制电动机得温升，使其在容许得范围内。绕线转子异步电动机及变频控制笼型电动机的发热检验方法如下：

计算稳态平均功率：

式中，Ns为稳压平均功率（kW）；G 为稳态负载平均系数，如表6 所列。

表6 起升机构的JC′、CZ、G 值

校正计算得：

5 选择减速器

5.1 计算传动比

根据电动机和卷筒的转速，可以求出起升机构减速传动装置传动比：

式中，i 为起升机构总传动比；nd为在额定起重量作用下的电动机转速（r/min）。

由（7）解得

5.2 确定减速器传动比

在电力驱动的起升机构中通常采用标准减速器。在特殊情况（如慢速）、标准系列产品不能满足要求时，则增加开式齿轮传动。目前普遍采用的标准减速器时QJ 系列起重机用减速器，《起重机用三支点减速器》（JB/T8905.1-1999）和《起重机用底座减速器》（JB/T8905.2-1999）。

按所采用的传动方案，若选用标准减速器，则减速器的传动比即为计算的传动比i。若起升机构减速传动装置为标准减速器和开式齿轮传动等，则要对传动比i 进行分配，则：

式中，i1为减速器传动比；i2为开式齿轮传动比。

5.3 选取减速器

根据所需要的减速器传动比i1（或i）、输入功率Nj、输入轴转速ηd以及机构的JC 值，从标准减速器样本中选定合适的型号的减速器。此时，还要考虑减速器的中心矩尺寸应该满足驱动装置的具体要求。

减速器校验。减速其选出后，还须按负载情况Ⅱ的载荷作用，核算其输出的强度和最大容许转矩，即

式中，Fmax为减速器输出轴端最大径向力（N），由钢丝绳最大静拉力、卷筒重力以及具体支承情况确定；[F]为减速器输出轴端的许用外向力（N），选值为800 N；Mmax为减速器输出轴上的最大转矩（N·m），由电动机的最大转矩确定；[M] 为减速器输出轴的许多转矩（N·m），选值为1 000 N·m。

5.4 确定实际起升速度

已经选定的电动机和减速器的功率、转速、传动比等参数大多数接近于设计参数，最后应计算出实际的起升速度，使其满足：

式中，vq为设计要求提出的起升速度（m/s）；vq′为实际达到的起升速度（m/s）。

当误差＞5%时，应通过另选滑轮组倍率或修改卷筒直径，或者加配开式齿轮传动进行必要的修正。

6 选择联轴器

起升机构高速轴常用的联轴器有齿轮联轴器、弹性柱销联轴器和万向联轴器等。低速轴一般采用齿轮联轴器，或用齿轮连接盘与减速器的齿形接手相连。

选择联轴器，首先根据工作条件确定选用的形式，然后按其所承受的扭矩、被连接轴的轴颈尺寸和转速，从联轴器样本中选定具体型号，使之满足：

式中，Mc为联轴器所在轴按载荷情况Ⅰ的载荷作用计算的扭矩（N·m）；[M] 为联轴器的许用扭矩（N·m）；nl为联轴器的安全系数，nl= 1.5；φ 为动载系数，φ = 1.2。

7 选择制动器

起升机构的每一套的独立的驱动装置至少应装设一支持制动器。吊运液态金属及其他危险品的起升机构，每套独立的驱动装置至少应装设两个支持制动器[1-2]。

为了安全，起升机构制动器制动转矩必须大于由于货物重力所产生的静扭矩，是货物处于悬吊状态时具有足够的安全裕度[3-4]。因此，制动扭矩应满足：

式中，MZ为起升机构制动器轴上的计算制动转矩（N·m）；KZ为制动安全系数，见表7；η′为货物下降时起升机构传动装置和滑轮组的总传动比效率；i 为由制动器到卷筒的总传动比。

解得

表7 起升机构安全系数KZ

选择制动器，首先根据作业要求，确定制动器的类型，然后按计算的制动转矩，从制动器样本中选定具体型号。制动器产品目录中标明的制动转矩是该型号的最大值，如所需要的制动转矩小于标明的最大值时，可通过调整其制动弹簧行程来调整制动器的制动转矩。

8 结语

最终，滑轮组倍率为1 倍，卷筒的单根钢丝绳最大静压力为9 847.72 N，卷筒的转速为14 r/min，卷筒直径为1.06 m，电动机功率不小于4.3 kW，减速器1 000 N·m，制动器大于等于252 N。

综上所述，桥门式起重机起升机构通过设计选型可以很好改善结构组成，并且对于节能降耗也具有十分重要的现实意义。