歐式起重機(jī)小車(chē)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

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　　歐式小車(chē)的機(jī)構(gòu)分起升機(jī)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)構(gòu)，兩個(gè)機(jī)構(gòu)原則上只能先設(shè)計(jì)起升機(jī)構(gòu)，后設(shè)計(jì)運(yùn)行機(jī)構(gòu)，這有利于小車(chē)機(jī)構(gòu)的合理布置和小車(chē)輪壓的準(zhǔn)確和減小。實(shí)際中一般都有產(chǎn)品的系列化圖紙可參考，機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)的先后次序也不影響設(shè)計(jì)。

　　一、歐式小車(chē)的起升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　歐式小車(chē)的起升機(jī)構(gòu)是歐式小車(chē)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，根據(jù)起升電機(jī)集成的方式不同，可分為兩種典型的起升機(jī)構(gòu)型式。一種是小歐式起升機(jī)構(gòu)，起升電機(jī)采用集成的“三合一”電機(jī)(功率目前局限在45kW以內(nèi));一種是中、大歐式起升機(jī)構(gòu)，由起升電機(jī)、減速器、制動(dòng)器等獨(dú)立的核心元器件和零部件等構(gòu)成，電機(jī)功率不受限制。

　　小歐式起升機(jī)構(gòu)由“三合一”起升電機(jī)、減速器、卷筒組、定滑輪組(小車(chē)橫梁)、超載限制器、起升高度限制器、鋼絲繩、吊鉤組等構(gòu)成(圖3-4)。

　　中、大歐式起升機(jī)構(gòu)由獨(dú)立的變頻電機(jī)、盤(pán)式制動(dòng)器、短浮動(dòng)軸、齒輪聯(lián)軸器、臥式硬齒面平行軸減速器、卷筒組、定滑輪組(小車(chē)橫梁)、超載限制器、起升高度限制器、鋼絲繩、吊鉤組等構(gòu)成(圖3-5)。

　　無(wú)論小歐式起升機(jī)構(gòu)還是中、大歐式起升機(jī)構(gòu)，都只能將定滑輪組(小車(chē)橫梁)設(shè)計(jì)在起升機(jī)構(gòu)的*外端，而不能將定滑輪組(小車(chē)橫梁)設(shè)計(jì)在起升機(jī)構(gòu)的電機(jī)和卷筒之間，主要原因是目前國(guó)內(nèi)的起升減速器中心距受限制。由于定滑輪組承受的*大拉力通過(guò)小車(chē)橫梁傳遞到小車(chē)架的主、副端梁占絕大多部分(占(m-2)/m，m為滑輪組倍率)，要使主、被動(dòng)車(chē)輪的*大輪壓接近，以便減小小車(chē)*大輪壓，只能在電機(jī)的外端設(shè)計(jì)被動(dòng)車(chē)輪。這勢(shì)必會(huì)使電機(jī)軸*被被動(dòng)車(chē)輪軸的距離增大，從而使小車(chē)架變長(zhǎng)，小車(chē)自重增加。因此，只有將定滑輪組(小車(chē)橫梁)設(shè)計(jì)在電機(jī)和卷筒之間，才能使小車(chē)*短，自重*輕，只是目前市面上還沒(méi)有滿足這種設(shè)計(jì)的平行軸減速器，這就是希望未來(lái)減速器中心距能增大50%的原因。

　　二、歐式小車(chē)起升機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)

　　歐式小車(chē)的起升機(jī)構(gòu)依托于小車(chē)的主、副端梁立體布置零部件，卷筒沒(méi)有獨(dú)立的支座支承，將卷筒支座鑲嵌在小車(chē)架主、副端梁結(jié)構(gòu)里面，機(jī)構(gòu)緊湊，所占空間體積相對(duì)較小。卷筒軸線和小車(chē)端梁平面齊平，卷筒省去了卷筒支座高度空間，小車(chē)的*高部件卷筒高度大幅度降低(圖3-2)。

　　國(guó)內(nèi)卷筒組一般和減速器采用卷筒聯(lián)軸器連接，裝配精度要求高，傳動(dòng)效率高，不需要采用開(kāi)式齒輪傳動(dòng)布置大噸位慢速起升機(jī)構(gòu)，卷筒有效長(zhǎng)度變長(zhǎng)。歐式主梁采用偏軌梁，有效軌距相對(duì)更大，起升機(jī)構(gòu)的寬度相對(duì)更窄，有效地減小小車(chē)的重量，間接地減小大車(chē)的結(jié)構(gòu)重量。

　　定滑輪組由兩排滑輪平行分布在兩根定滑輪軸上，滑輪軸垂直于卷筒軸。對(duì)大噸位起重機(jī)，其滑輪數(shù)量的多少只與小車(chē)橫梁的寬度有關(guān)，不影響小車(chē)軌距的寬度，所占空間較小，布置較緊湊。此外，定滑輪組放在小車(chē)橫梁里面，小車(chē)外觀非常簡(jiǎn)潔耐看，不受輸入軸(高速軸)*輸出軸(低速軸)的距離影響，對(duì)大噸位的定滑輪組更能顯示歐式小車(chē)的優(yōu)越性，和起升電機(jī)、制動(dòng)器不發(fā)生干涉，維修非常方便。

　　三、歐式小車(chē)的起升機(jī)構(gòu)計(jì)算

　　歐式小車(chē)的起升機(jī)構(gòu)計(jì)算，主要是對(duì)鋼絲繩、電機(jī)、減速器、制動(dòng)器、卷筒聯(lián)軸器的選型計(jì)算。

　　(1)鋼絲繩的選型計(jì)算

　　歐式小車(chē)鋼絲繩的選型計(jì)算和傳統(tǒng)橋式起重機(jī)一樣(參見(jiàn)2013《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》676～679頁(yè)相關(guān)內(nèi)容)。歐式小車(chē)推薦選用**知名品牌鋼絲繩，國(guó)外8股繩芯鋼絲繩較常見(jiàn)，國(guó)內(nèi)6股繩芯鋼絲繩較普遍，同樣直徑的鋼絲繩，8股繩芯公稱抗拉強(qiáng)度較大，可普遍選用*小破斷力為1960～2160kN的鋼絲繩，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品實(shí)際很難達(dá)到這個(gè)強(qiáng)度。

　　(2)電機(jī)功率計(jì)算

　　歐式小車(chē)的起升電機(jī)工況要求反復(fù)短暫運(yùn)行，頻繁起、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，經(jīng)常短時(shí)間內(nèi)過(guò)載，能承受較強(qiáng)的機(jī)械振動(dòng)和沖擊，工作環(huán)境多灰塵。一般用接電持續(xù)率、接電次數(shù)、起動(dòng)次數(shù)這三個(gè)參數(shù)來(lái)表述起重機(jī)的斷續(xù)周期S3工作制運(yùn)行狀況。其功率計(jì)算和傳統(tǒng)橋式起重機(jī)一樣(參見(jiàn)2013《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》536～543頁(yè)相關(guān)內(nèi)容)。

　　起升機(jī)構(gòu)的工作級(jí)別與電機(jī)等效接電持續(xù)率JC有非常密切的關(guān)系。多年前，編著者曾與國(guó)內(nèi)某大型電機(jī)廠家的技術(shù)人員探討，根據(jù)對(duì)方的建議和編著者近30年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，推薦參考(表3-1)，變頻電機(jī)在等效接電持續(xù)率JC(%)的功率換算關(guān)系(表3-2)，供設(shè)計(jì)者參考。

表3-1起升機(jī)構(gòu)的工作級(jí)別與等效接電持續(xù)率jc


表3-2變頻電機(jī)在等效接電持續(xù)率jc下的功率換算關(guān)系

　　電機(jī)功率根據(jù)起升機(jī)構(gòu)的工作級(jí)別，由表3-1査取等效接電持續(xù)率JC，在電機(jī)樣本上選取所需電機(jī)功率和型號(hào)。對(duì)交流變頻電機(jī)，國(guó)內(nèi)電機(jī)樣本上只顯示出了標(biāo)稱功率為基準(zhǔn)工作制時(shí)的功率。在電機(jī)樣本上按表3-2換算成等效接電持續(xù)率JC下的電機(jī)實(shí)際功率，選取與標(biāo)稱功率相匹配的電機(jī)型號(hào)(《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 3811—2008)59～60頁(yè)對(duì)起升電機(jī)功率介紹了4種計(jì)算方法，分別是穩(wěn)態(tài)功率計(jì)算法、穩(wěn)態(tài)負(fù)載系數(shù)法、等效接電持續(xù)率經(jīng)驗(yàn)法和等效平均功率法，本處為等效接電持續(xù)率經(jīng)驗(yàn)法)，電機(jī)樣本上的額定功率大于電機(jī)的穩(wěn)態(tài)起升功率。此外，電機(jī)其他工作制下的功率需換算到S3工作制下的靜功率(表3-3)，無(wú)論采用哪種計(jì)算方法，其電機(jī)的靜功率都是一樣。

　　(3)減速器選型計(jì)算

　　歐式起升機(jī)構(gòu)的減速器可選用國(guó)內(nèi)和**品牌，雖然每一個(gè)廠家的產(chǎn)品樣本上都有選型公式，但就國(guó)內(nèi)目前減速器的質(zhì)量而言，按樣本上的方法或公式選取的減速器，往往達(dá)不到樣本上的技術(shù)指標(biāo)。根據(jù)多年編著者的實(shí)踐設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和國(guó)內(nèi)減速器廠家技術(shù)人員多次溝通，其選型計(jì)算對(duì)國(guó)內(nèi)品牌減速器，推薦按式(3-2)計(jì)算選型;對(duì)**品牌減速器，推薦按式(3-4)計(jì)算選型。

　?、賴?guó)內(nèi)品牌減速器選型

國(guó)內(nèi)品牌減速器選型

　　式中　n——起升電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速;

　　nt——卷筒的工作轉(zhuǎn)速;

　　i——所選減速器的理論傳動(dòng)比。

　　確定齒輪箱的額定功率：

　　P1N≥P1·f1·f2·SF　　(3-2)

　　式中　P1——齒輪箱輸入功率(電機(jī)靜功率，單位kW);

　　f1——被驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)服務(wù)系數(shù)，對(duì)歐式起重機(jī)取1.1～1.4，工作級(jí)別大取大值;

　　f2——原動(dòng)機(jī)(電機(jī))系數(shù)，對(duì)歐式起重機(jī)取1;

　　SF——齒輪箱可靠系數(shù)，根據(jù)起升機(jī)構(gòu)工作級(jí)別確定，見(jiàn)表3-4;

　　P1N——齒輪箱的額定功率，單位(kW)(齒輪箱的額定功率在樣本上有標(biāo)示，參見(jiàn)實(shí)例計(jì)算)。

表3-4齒輪箱可靠系數(shù)Sf

　　而且，滿足峰值扭矩校核。

　　P1N≥TA·n1·f3/9550　　(3-3)

　　式中　TA——*大啟動(dòng)扭矩，由用戶提供參數(shù)計(jì)算，如果無(wú)法提供則按電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩(査電機(jī)樣本)的1.6～1.8倍估算(N·m);

　　n1——減速器的輸入轉(zhuǎn)速(r/min);

　　f3——峰值扭矩系數(shù)，見(jiàn)表3-5，對(duì)起升機(jī)構(gòu)按單向載荷取值，對(duì)運(yùn)行機(jī)構(gòu)按交變載荷取值。

表3-5峰值扭矩系數(shù)F3

　　齒輪箱的額定功率驗(yàn)算需同時(shí)滿足齒輪箱的額定功率和峰值扭矩校核，方符合減速器的選型設(shè)計(jì)要求。

　　②**品牌減速器選型

　　確定齒輪箱的額定功率：P2N≥P2·f1·f2　　(3-4)

　　式中　P2——工作機(jī)的額定功率(電機(jī)靜功率，單位kW);

　　f1——工作機(jī)系數(shù)，對(duì)歐式起重機(jī)取1.1～1.4;

　　f2——原動(dòng)機(jī)(電機(jī))系數(shù)，對(duì)歐式起重機(jī)取1。

　　(4)制動(dòng)器選型計(jì)算

　　歐式起重機(jī)推薦選用盤(pán)式制動(dòng)器，其**系數(shù)規(guī)范中有硬性規(guī)定(參見(jiàn)《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 3811—2008)60～61頁(yè)中相關(guān)內(nèi)容)。制動(dòng)轉(zhuǎn)矩、起動(dòng)與制動(dòng)時(shí)間的計(jì)算和傳統(tǒng)橋式起重機(jī)一樣(參見(jiàn)2013《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》541～543頁(yè)相關(guān)內(nèi)容)。

　　(5)卷筒設(shè)計(jì)計(jì)算

　　歐式起升機(jī)構(gòu)卷筒的設(shè)計(jì)計(jì)算，和傳統(tǒng)橋式起重機(jī)一樣(參見(jiàn)2013《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》713頁(yè)，歐式起升機(jī)構(gòu)卷筒光桿Lg部分的計(jì)算，在本章后面有詳細(xì)介紹)，一般都設(shè)計(jì)成雙聯(lián)單層繞卷筒(圖3-6、圖3-7)。

圖3-7卷筒計(jì)算尺寸

　　(6)卷筒聯(lián)軸器選型計(jì)算

　　卷筒聯(lián)軸器一般有兩種，一種是WJ系列型漸開(kāi)線花鍵聯(lián)接球面滾子聯(lián)軸器，一種是

　　DC系列鼓型齒式聯(lián)軸器。其選型計(jì)算為：

　　卷筒鋼絲繩拉力：∑S=Q/m×η　　(3-6)

　　聯(lián)接處的計(jì)算轉(zhuǎn)矩：TK=T×K2×Φ6　　(3-8)

　　從卷筒聯(lián)軸器樣本上選取公稱轉(zhuǎn)矩、徑向載荷大于按計(jì)算出的TK和Fr值，對(duì)應(yīng)于Tmax、Fmax值。

　　式中　Φ6——起升機(jī)構(gòu)的動(dòng)載系數(shù)(Φ2參見(jiàn)《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 3811—2008)10～11頁(yè)中相關(guān)內(nèi)容);

　　D0——卷筒的計(jì)算直徑(m)，D0=D+d;

　　ηT——卷筒支承軸承的效率，滾動(dòng)軸承ηT=0.98，滑動(dòng)軸承ηT=0.96;

　　T——聯(lián)接處所受靜轉(zhuǎn)矩(N·m);

　　K2——卷筒聯(lián)軸器的工作級(jí)別系數(shù)，見(jiàn)表3-6;

　　TK——聯(lián)接處的計(jì)算轉(zhuǎn)矩(N·m);

　　W——卷筒組的重量(N);

　　Fr——聯(lián)接處實(shí)際承受的徑向載荷(N)。

表3-6工作級(jí)別系數(shù)

　　對(duì)選擇DC系列鼓型齒式聯(lián)軸器，還需按下式校核。

　　Fr≤Fmax+(Tmax-TK)×K1(參見(jiàn)實(shí)例2計(jì)算)　　(3-10)

　　式中　K1——徑向載荷補(bǔ)償系數(shù)。

　　(7)聯(lián)軸器選型計(jì)算

　　聯(lián)軸器在歐式小車(chē)機(jī)構(gòu)中用得較少，除了在減速箱的輸入軸處，對(duì)中、大歐式小車(chē)需要采用一個(gè)剛性或齒輪聯(lián)軸器，對(duì)小歐式小車(chē)需采用一個(gè)由電機(jī)廠家提供的法蘭盤(pán)聯(lián)軸器，并需考慮安裝位置和空間，其他地方不會(huì)選用聯(lián)軸器。聯(lián)軸器的選型計(jì)算，和橋式起重機(jī)的聯(lián)軸器一樣(參見(jiàn)2013《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》1020～1022頁(yè)相關(guān)內(nèi)容)。

　　四、歐式小車(chē)的運(yùn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　歐式小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的選型計(jì)算和大車(chē)相同，參見(jiàn)4.5內(nèi)容。

　　五、歐式小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)

　　歐式小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)(圖3-8)特別講究減量化設(shè)計(jì)原則，突出機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)布置緊湊的特點(diǎn)，小車(chē)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和主、被車(chē)輪布置與輪壓分布有關(guān)。傳動(dòng)采用集成的“三合一”分別傳動(dòng)部件，不再采用集中驅(qū)動(dòng)的獨(dú)立元器件(電機(jī)、聯(lián)軸器、立式減速器、制動(dòng)器、浮動(dòng)軸)。“三合一”減速器的安裝型式有緩沖吊點(diǎn)、扭力臂和法蘭連接盤(pán)等多種型式，對(duì)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)性能和減速器壽命*關(guān)重要。一般為對(duì)邊兩輪驅(qū)動(dòng)，對(duì)中、大歐式起重機(jī)也可以采用四角驅(qū)動(dòng)，主動(dòng)輪組(群)的總輪壓略大于被動(dòng)輪組(群)的總輪壓。集中驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)所占空間較大，增大了小車(chē)的體積和重量，間接增大大車(chē)的重量。歐式小車(chē)在輪距方向比較緊湊，推薦傳動(dòng)型式采用F系列“三合一”減速器(圖3-9)，省去浮動(dòng)軸和聯(lián)軸器所占有的空間。

圖3-8歐式小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)

　　六、歐式小車(chē)的輪壓計(jì)算

　　歐式小車(chē)的輪壓計(jì)算和大車(chē)略有區(qū)別，小車(chē)的*大輪壓根據(jù)*大額定起重量和小車(chē)自重計(jì)算。在驗(yàn)算小車(chē)車(chē)輪強(qiáng)度時(shí)，*小輪壓可按小車(chē)的自重分?jǐn)偟?角的平均輪壓簡(jiǎn)算，其計(jì)算誤差不會(huì)影響車(chē)輪的強(qiáng)度和壽命。主要是歐式小車(chē)的結(jié)構(gòu)決定輪壓基本對(duì)稱分布在小車(chē)的主、副端梁上，和實(shí)際起重量產(chǎn)生的*大輪壓相比影響較小。

　　式中　G小——小車(chē)的自重。

　　*大輪壓Pmax為四角中輪壓的*大值(*大輪壓Pmax的計(jì)算參見(jiàn)3.4.1.1歐式小車(chē)架的主、副端梁設(shè)計(jì)，其中R1、R6的大值為小車(chē)的*大輪壓)，按Pmax、Pmin參照大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)，驗(yàn)算車(chē)輪的強(qiáng)度。

　　七、歐式小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的布置方式

　　小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的布置，一般是靠近小車(chē)橫梁的一端設(shè)計(jì)成主動(dòng)輪(圖3-10)。小歐式小車(chē)一般采用四輪對(duì)邊驅(qū)動(dòng)，對(duì)大起升高度小車(chē)也可以采用六輪對(duì)邊支承驅(qū)動(dòng)(圖3-13(a))。對(duì)中歐式起重機(jī)小車(chē)可以采用四輪對(duì)邊和四角驅(qū)動(dòng)或四角帶臺(tái)車(chē)的對(duì)邊(圖3-11)和四角驅(qū)動(dòng)(圖3-12)，也可以采用六輪支承驅(qū)動(dòng)(圖3-13(b))。對(duì)不帶副鉤的中歐式小車(chē)，由于定滑輪傳遞的壓力占據(jù)大部分，導(dǎo)致主、被輪壓相差太大，使小車(chē)架較長(zhǎng)，為了使小車(chē)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，可以把主動(dòng)輪設(shè)計(jì)成比被動(dòng)輪直徑大的不等輪直徑小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)(圖3-14)，被動(dòng)總輪壓與主動(dòng)總輪壓比適當(dāng)減小，一般取0.4～0.6為宜，以便主動(dòng)輪能承受更大的輪壓。表面上看，這種結(jié)構(gòu)與帶臺(tái)車(chē)的車(chē)輪輪壓還要略大，但從多次的實(shí)踐設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，由于小車(chē)架沒(méi)有加長(zhǎng)，也省去臺(tái)車(chē)組的重量，自重減小，小車(chē)實(shí)際結(jié)構(gòu)重量反而*小，其綜合性能以某160t中歐式小車(chē)為例和傳統(tǒng)橋式起重機(jī)比較。

　　對(duì)大歐式起重機(jī)小車(chē)推薦采用雙排車(chē)輪群的四角驅(qū)動(dòng)，雖然主梁的集中載荷增大，但因小車(chē)架較短，較理想的減輕了小車(chē)自重，小車(chē)的總輪壓還是減小，主梁的*大彎矩與小車(chē)車(chē)輪軸距變化有一定的關(guān)系，軸距越大，*大輪壓的影響越大，但小車(chē)自重又會(huì)增加。在軸距一般工況下，主梁的*大彎矩與小車(chē)的總輪壓有關(guān)，和同參數(shù)的中歐式小車(chē)相比，并沒(méi)有增大，通過(guò)方案和設(shè)計(jì)比較，采用帶臺(tái)車(chē)的雙排車(chē)輪群的四角驅(qū)動(dòng)使小車(chē)的自重*小。