QH(R)6型熔融鋼絲繩電動葫蘆設(shè)計(jì)與計(jì)算

張志新

(南京起重機(jī)械總廠有限公司技術(shù)中心，江蘇南京 211178)

2007年4月，遼寧省鐵嶺市清河特殊鋼有限責(zé)任公司發(fā)生鋼水包傾覆特重大事故后，國家檢驗(yàn)檢疫總局辦公廳頒發(fā)了質(zhì)檢辦特［2007］375號文《關(guān)于冶金起重機(jī)械整治工作有關(guān)意見的通知》，通知明確規(guī)定了10t以下(含10t)電動葫蘆吊運(yùn)熔融金屬時所必備的基本技術(shù)條件。根據(jù)上述“通知”及TSG Q0002-2008《特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范》的具體要求，南京起重機(jī)械總廠有限公司對現(xiàn)行生產(chǎn)的QH6型電動葫蘆進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)出QH(R)6型、起重量為10t、工作制為M6的熔融鋼絲繩電動葫蘆。

1 升級與改造

1.1 原產(chǎn)品的升級

QH(R)6型10t熔融鋼絲繩電動葫蘆是在QH6型鋼絲繩電動葫蘆基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)、改進(jìn)的。QH6型鋼絲繩電動葫蘆起升機(jī)構(gòu)工作級別是由機(jī)構(gòu)利用等級和起升機(jī)構(gòu)載荷狀態(tài)確定的，QH6型電動葫蘆的起重量和工作級別見表1。通過表1可以看出，起重量為10t時，機(jī)構(gòu)工作級別為M5，這不符合相關(guān)規(guī)定要求。因此需要對原機(jī)構(gòu)進(jìn)行升級改造，以達(dá)到起重量為10t時，工作級別為M6這一要求。具體方法是：縮小卷筒直徑，減小扭矩，使起重量16t時的扭矩為原有扭矩的0．8倍，保證減速器升級后正常使用，同時對其他受力部件也做相應(yīng)的調(diào)整，以滿足設(shè)計(jì)要求。減小卷筒直徑后，起升速度相應(yīng)減慢，這樣也保證了原有電機(jī)可以繼續(xù)使用。升級后的QH6型電動葫蘆的起重量和工作級別見表2。

1.2 升級后產(chǎn)品的改進(jìn)措施

上述產(chǎn)品升級以后，產(chǎn)品在噸位、工作制上已滿足要求，再根據(jù)相關(guān)文件的規(guī)定對產(chǎn)品進(jìn)行進(jìn)一步地改進(jìn)，使其符合吊運(yùn)熔融金屬的基本條件和規(guī)范，具體措施如下：(1)在電動葫蘆卷筒(低速級)上設(shè)置一個安全制動器裝置，當(dāng)工作制動器失靈或傳動部件發(fā)生斷裂時，能夠可靠地支撐住載荷，防止逆轉(zhuǎn)，其結(jié)構(gòu)為棘輪，棘爪為外嚙合形式，也稱之為棘輪停止器。(2)上、下限位采用了凸輪高度限位開關(guān)，安裝在卷筒上，可進(jìn)行上下各兩級限位，并增加了上限位重錘裝置。(3)將原來的跟隨式操作改為遙控操作，在保證操作人員視野的同時，提高了安全性。(4)鋼絲繩采用了金屬股芯耐高溫繩，安全系數(shù)為6倍。(5)葫蘆上的滑輪均采用鋼制滑輪，不再使用原有的鑄鐵滑輪。(6)安裝起重量超載限制器，當(dāng)過載時能自動切斷起升動力源。(7)安裝了隔熱保護(hù)裝置，以保護(hù)電機(jī)、電氣系統(tǒng)。(8)安裝了急停限位開關(guān)，當(dāng)失速制動時，棘爪切入棘輪的同時壓住急停限位開關(guān)按鈕，切斷電源。(9)電機(jī)的防護(hù)等級IP54以上，絕緣等級H級。(10)電氣控制上也做相應(yīng)的改進(jìn)。

表1 QH6電動葫蘆的起重量和工作級別

表2 升級后QH6電動葫蘆的起重量和工作級別

通過上述升級和改進(jìn)，在原有產(chǎn)品基礎(chǔ)上生產(chǎn)出了符合要求的QH(R)6型10t熔融鋼絲繩電動葫蘆，如圖1所示。

圖1 QH(R)6型10t熔融鋼絲繩電動葫蘆

2 設(shè)計(jì)改造過程中的重要計(jì)算

2.1 起升機(jī)構(gòu)計(jì)算

QH(R)6型熔融鋼絲繩電動葫蘆額定起重量為10t，鋼絲繩纏繞方式為4/2繩，工作級別為M6，最大起升高度為20m。根據(jù)以上設(shè)計(jì)要求，對起升機(jī)構(gòu)基本計(jì)算如下：

a．升級計(jì)算。

機(jī)構(gòu)工作制由原來的起重量10t、工作制M5，升級為起重量10t、工作制M6，將起升扭矩減為原來的0．8倍，故卷筒直徑按比例縮小。卷筒中徑：

b．起升速度計(jì)算。

式中：n為起升電動機(jī)轉(zhuǎn)速，取值1 400r/min;λ為減速器傳動比，取值131．72;m為滑輪組倍率，取值2。

c．鋼絲繩選擇。

式中：s為鋼絲繩靜拉力;n為安全系數(shù)，工作制M6時n=6;0．95為滑輪效率。

對照國標(biāo) GB/T8918-1996，鋼絲繩選用16NAT6×36SW+IWR+NF1770ZS金屬股芯鋼絲繩，其最小破段拉力為161kN。

d．卷筒強(qiáng)度計(jì)算。

式中：A1為應(yīng)力減小系數(shù)，取值0．75;A2為多層纏繞系數(shù)，取值1;Smax為鋼絲繩最大靜拉力，Smax=1．1=26．95(kN);δ為卷筒壁厚，取值20;P 為螺距，取值18。卷筒材料為 Q235B，117．5(N/mm2)

熔融鋼絲繩電動葫蘆起升高度不高，卷筒長度有限，因此不再計(jì)算由彎矩產(chǎn)生的拉應(yīng)力，卷筒也不需要進(jìn)行穩(wěn)定性校核。

2.2 棘輪制動裝置計(jì)算

2．2．1 棘輪主要參數(shù)計(jì)算

棘輪受到的扭矩：

式中：Q=10t，為載荷 t;D中=384mm為卷筒中徑;n為系數(shù)。

棘輪模數(shù)：

式中：Z=12為棘輪齒數(shù);ψm=0．8為齒寬系數(shù);σw為材料的許用彎曲應(yīng)力。將計(jì)算出的m值圓整，略作加大，取m=44。

棘輪材質(zhì)為40Cr，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后σs=345(N/mm2)。

棘輪直徑：

棘輪寬度：

由于棘輪寬度要略大于棘爪寬度，所以將b值加大圓整，取b=50mm。

2．2．2 棘爪強(qiáng)度計(jì)算

參看圖2進(jìn)行棘爪強(qiáng)度計(jì)算。

圖2 棘爪受力方向及相關(guān)參數(shù)

式中：b=46mm為棘爪寬度;δ=101mm為棘爪斷面厚度;e=51mm為偏心距。

根據(jù)以上計(jì)算數(shù)據(jù)，按下列公式進(jìn)行棘爪強(qiáng)度計(jì)算。

2．2．3 棘爪軸的強(qiáng)度計(jì)算

棘爪軸的的受力情況如圖3所示。

Mw=33 409．1 × 51=1 703 864(N·mm)軸徑：

圖3 棘爪軸受力圖

將軸徑值略作放大，取d=50mm。

棘爪軸材料為40Cr，并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。

2 ．3 其他部件計(jì)算

QH(R)6型熔融鋼絲繩電動葫蘆的吊鉤裝置按起重量為10t、工作制為M6進(jìn)行設(shè)計(jì)，借用原有QH5、起重量 20t、工作制為M3的吊鉤即可，不再進(jìn)行計(jì)算，定滑輪部分也是一樣借用原產(chǎn)品部件。運(yùn)行機(jī)構(gòu)借用CD型產(chǎn)品，也無需再進(jìn)行驗(yàn)算。

3 結(jié)束語

QH(R)6型熔融鋼絲繩電動葫蘆是在原有產(chǎn)品基礎(chǔ)升級改造而成的，設(shè)計(jì)周期短，投入市場快。但產(chǎn)品還未形成系列化，需進(jìn)一步開發(fā)全系列產(chǎn)品。同時，隨著用戶對起重產(chǎn)品安全性能要求的提高，該產(chǎn)品上的安全制動器裝置還被普通的電動葫蘆所采用，有了更廣泛的應(yīng)用空間。