橋式起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)“三合一”減速器選型

白劍波，莊偉偉

（南通潤邦重機(jī)有限公司，江蘇 南通 226013）

0 引 言

在橋式起重機(jī)的運(yùn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，目前常常采用獨(dú)立的“三合一”減速器空心軸套裝方式。所謂“三合一”減速器是指電機(jī)、減速器、制動(dòng)器（制動(dòng)單元）集成一體；它具有所占空間體積小，安裝、拆卸方便等優(yōu)點(diǎn)。用于橋式起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的“三合一”減速器，一般只有K 系列和F 系列。

在選型計(jì)算時(shí)，每一個(gè)“三合一”減速器廠家都有自己的樣本參數(shù)和選型步驟，其中，涉及到關(guān)鍵的3 個(gè)技術(shù)參數(shù)：1）電機(jī)功率；2）減速器的額定功率（額定扭矩）；3）制動(dòng)單元額定制動(dòng)力矩。其中減速器的額定功率（額定扭矩）和制動(dòng)單元的額定制動(dòng)力矩是由“三合一”減速器廠家自行匹配的，都沒有在樣本中體現(xiàn)，在樣本中體現(xiàn)的是“三合一”減速器的銘牌功率（銘牌扭矩），實(shí)際上給出的是電機(jī)額定功率；在《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范GB3811-2008》和《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)-2013》中規(guī)定在設(shè)計(jì)時(shí)必須綜合考慮電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器和減速器來選擇“三合一”減速器的類型，只根據(jù)電機(jī)額定功率來選擇“三合一”減速器的型號(hào)，會(huì)給起重機(jī)的使用帶來許多質(zhì)量隱患。本文根據(jù)多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和在實(shí)踐中遇到的“三合一”減速器的問題，對(duì)橋式起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)“三合一”減速器的選型做了進(jìn)一步的改進(jìn)，減少使用時(shí)的安全隱患。

1 廠家樣本提供的選型方法

生產(chǎn)廠家提供的選型方法中，需要由已知條件計(jì)算出“三合一”減速器的輸出轉(zhuǎn)速na、電機(jī)額定功率Pd和減速器的服務(wù)系數(shù)fb，計(jì)算方法如下：

1）輸出轉(zhuǎn)速 na＝V/（3.14D）。 （1）式中：na為車輪的輸出轉(zhuǎn)速，r/min；V 為運(yùn)行機(jī)構(gòu)的速度，m/min；D 為車輪的直徑，m。

2）電機(jī)的額定功率Pd。樣本上的電機(jī)額定功率Pd有幾種算法，各生產(chǎn)廠家略有不同；計(jì)算時(shí)因起重機(jī)的電機(jī)工況是一種斷續(xù)工作值，所以其運(yùn)行機(jī)構(gòu)電機(jī)按S3 工作制來考慮。但國外品牌樣本是針對(duì)S1 工作制設(shè)計(jì)的參數(shù)，國內(nèi)品牌沒有具體明確，一般都按S3 工作制來考慮。S1 與S3 工作制下的電機(jī)功率換算關(guān)系見表1。

表1 換算到S3 工作制下的換算系數(shù)

3）減速器的服務(wù)系數(shù)（使用系數(shù)）

式中：Pa為減速器的許用功率（額定功率）；Pd為電機(jī)的許用功率（額定功率）；Ma為減速器的許用轉(zhuǎn)矩（額定轉(zhuǎn)矩）。

式（2）說明fb是一個(gè)大于1 的系數(shù)，減速器的許用功率要大于電機(jī)的許用功率，實(shí)際上“三合一”減速器樣本上標(biāo)示的是減速器的銘牌功率，見表2，減速器的許用功率（額定功率）沒有在樣本中直接標(biāo)示，只標(biāo)示了服務(wù)系數(shù)，間接地標(biāo)示出減速器的許用功率。此方法的缺點(diǎn)：按電機(jī)的額定功率Pd在樣本上初選“三合一”減速器，針對(duì)國內(nèi)品牌樣本往往只有個(gè)別規(guī)格可選，驗(yàn)算還很難達(dá)到要求，這是國內(nèi)“三合一”減速器的硬傷，一般還只能找廠家按非標(biāo)訂貨，給起重機(jī)主機(jī)廠家增加了額外成本。

表2 “三合一”減速器樣本參數(shù)表

2 《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范GB3811-2008》中提供的選型方法

此選型方法中提供了電機(jī)的額定功率Pd、減速器的許用功率Pa和許用轉(zhuǎn)矩Ma驗(yàn)算和制動(dòng)器（制動(dòng)單元）的實(shí)際制動(dòng)力矩Mz驗(yàn)算的計(jì)算方法。

1）電機(jī)的額定功率Pd計(jì)算方法：

式中：Pj為電機(jī)的靜功率；Fj為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行阻力（對(duì)室內(nèi)起重機(jī)不考慮風(fēng)阻力，只需考慮摩擦阻力Fm和坡道阻力Fp；kd為增大系數(shù)，一個(gè)大于1 的系數(shù)，對(duì)室內(nèi)使用的橋式起重機(jī)推薦取1.1~1.6，速度高取大值，變頻控制取小值（對(duì)應(yīng)大車速度30~90 m/min；小車速度20~60 m/min），這個(gè)值在大量的實(shí)踐產(chǎn)品中能經(jīng)受實(shí)踐的檢驗(yàn)；η 為運(yùn)行機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率，對(duì)“三合一”減速器，推薦取0.9~0.95；m為電機(jī)臺(tái)數(shù)。

式中：Q 為起重量，N；G 為起重機(jī)總重或小車總重，N；f 為滾動(dòng)摩擦因數(shù)；μ 為車輪軸承摩擦因數(shù)；d 為與軸承相配合處的車輪軸直徑，mm；D 為車輪踏面直徑，mm；β 為附加摩擦阻力系數(shù)，β=1.5。

按計(jì)算的Pd值和輸出轉(zhuǎn)速na，在“三合一”減速器樣本上功率欄初選所需電機(jī)。

2）制動(dòng)器（制動(dòng)單元）的實(shí)際制動(dòng)力矩Mz驗(yàn)算

式中：

式（9）是前面考慮運(yùn)行慣性的阻力矩折算到高速軸上的制動(dòng)力矩；Mz為運(yùn)行機(jī)構(gòu)總的制動(dòng)力矩，N·m；D 為車輪踏面直徑，m；i 為從電機(jī)軸到車輪的機(jī)構(gòu)總傳動(dòng)比；n 為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速；tz為運(yùn)行機(jī)構(gòu)制動(dòng)時(shí)間；k 為其它傳動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到電機(jī)軸的影響系數(shù)，k=1.05～1.2；mz為制動(dòng)器的臺(tái)數(shù)；j1為電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，一般樣本上無顯示，需請(qǐng)廠家提供；j2為電機(jī)軸上制動(dòng)輪和聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，一般樣本上無顯示，需請(qǐng)廠家提供；j3為作平移運(yùn)動(dòng)的全部質(zhì)量的慣量折算到電機(jī)上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，其它未注參數(shù)同前所述。

根據(jù)式（8）的計(jì)算，“三合一”減速器的額定制動(dòng)力矩（廠家配置制動(dòng)單元的制動(dòng)力矩）必須大于Mz，推薦按1.3的安全系數(shù)匹配。此方法的缺點(diǎn)：關(guān)于減速器的許用功率Pa和許用轉(zhuǎn)矩Ma驗(yàn)算，《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范GB3811-2008》的第64～68 頁中對(duì)減速器只有文字說明，沒有計(jì)算介紹。

3 《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)-2013》中提供的選型方法

此方法中需要計(jì)算電機(jī)的額定功率Pd、“三合一”減速器的許用功率Pa和許用轉(zhuǎn)矩Ma驗(yàn)算和制動(dòng)器（制動(dòng)單元）的實(shí)際制動(dòng)力矩Mz驗(yàn)算,其中各計(jì)算方法如下：

1）電機(jī)的額定功率Pd計(jì)算。電機(jī)的額定功率Pd上文Pd計(jì)算方法。

2）“三合一”減速器的許用功率Pa和許用轉(zhuǎn)矩Mz驗(yàn)算。

式中：Pja為減速器的計(jì)算輸入功率，kW；Fg為運(yùn)行起動(dòng)時(shí)的慣性力，N。

式中：Fj、V、m、η 同前所述。其中φ5為加速動(dòng)載系數(shù)，對(duì)室內(nèi)橋式起重機(jī)推薦φ5=1.2～1.5，見《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)-2013》和《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范GB3811-2008》。

在樣本上， Pa=fb×Pd；Ma=fb×Mm。 （13）式中，Mm為樣本上的轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)式（10）的計(jì)算，減速器的許用功率Pa必須大于減速器的計(jì)算輸入功率Pja，減速器的許用轉(zhuǎn)矩Ma必須大于減速器的計(jì)算輸入轉(zhuǎn)矩Mja，減速器的選型才符合要求。

3）制動(dòng)器（制動(dòng)單元）的實(shí)際制動(dòng)力矩Mz驗(yàn)算。

制動(dòng)器（制動(dòng)單元）的實(shí)際制動(dòng)力矩Mz計(jì)算與《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范GB3811-2008》中提供的選型方法中制動(dòng)器（制動(dòng)單元）的實(shí)際制動(dòng)力矩Mz驗(yàn)算方法相同。

此方法的缺點(diǎn)是：在實(shí)踐中，針對(duì)國外知名品牌減速器，只要Pa＞Pja，一般都不會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量問題，但對(duì)國內(nèi)品牌減速器，很可能會(huì)有質(zhì)量問題。這說明國內(nèi)品牌“三合一”減速器和國外減速器在品質(zhì)上還有很大的差距，也就是說國內(nèi)品牌減速器實(shí)際服務(wù)系數(shù)達(dá)不到樣本上的數(shù)值。

4 改進(jìn)后的方法

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，一般對(duì)國內(nèi)品牌減速器選型，推薦按下式的要求操作，會(huì)減少“三合一”減速器的質(zhì)量問題。

對(duì)工作級(jí)別較高運(yùn)行機(jī)構(gòu)的“三合一”減速器，減速器的計(jì)算輸入功率按下式計(jì)算，并和式（10）比較取大值。

式中：φ8為剛性動(dòng)載系數(shù)，一般取φ8＝1.2～2.0，對(duì)室內(nèi)橋式起重機(jī)推薦φ8＝1.3～1.8，該系數(shù)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)特性和計(jì)算零件兩側(cè)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的比值有關(guān)，參見《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)-2013》和《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范GB3811-2008》；Pn為基準(zhǔn)接電持續(xù)率時(shí)，電動(dòng)機(jī)額定功率，kW；I 為工作級(jí)別，I=1～8。

5 計(jì)算實(shí)例

某100 t 小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)相關(guān)參數(shù)如下，按國內(nèi)品牌“三合一”減速器選型。

具體參數(shù)：Q 為起重量，100 t；G 為小車總重，17.1 t；f為滾動(dòng)摩擦因數(shù)，0.5；μ 為車輪軸承摩擦因數(shù)，0.015；d 為與軸承相配合處的車輪軸直徑，110 mm；D 為車輪踏面直徑，500 mm；β 為附加摩擦阻力系數(shù)，取值1.5；V 為小車運(yùn)行速度，30 m/min；運(yùn)行機(jī)構(gòu)效率η=0.94；工作級(jí)別A6。

2）電機(jī)的額定功率Pd計(jì)算。

a.總靜阻力計(jì)算。

運(yùn)行總靜阻力Fj=Fm+Fp=9 310+1 171=10 481 N。

b.電機(jī)的額定功率Pd計(jì)算。

3）“三合一”減速器選型。按一般方法選型，選擇某國內(nèi)品牌“三合一”F 系列減速器，Pd=4 kW；S3 為40%；na=20；fb=1.56；i=73.53；銘牌扭矩Mm=1 950 N·m。

4）“三合一”減速器選型的驗(yàn)算。

a.減速器的計(jì)算輸入功率Pja驗(yàn)算。

取Pja＝6.52 kW，Pa=fb×Pd=1.56×4=6.24 kW＜Pja=6.52 kW，

選型不符合要求。

改選K 系列：Pd=4kW；S3 為40%；na=20；fb=2.3；i=70.93；銘牌扭矩Mm=1 880 N·m。

b.單臺(tái)制動(dòng)器（制動(dòng)單元）的實(shí)際制動(dòng)力矩Mz驗(yàn)算。

［Mz］＞1.3×37.7=49 N·m；“三合一”減速器的額定制動(dòng)力矩必須大于49 N·m。

6 結(jié) 論

針對(duì)國內(nèi)品牌的“三合一”減速器選型，必須驗(yàn)算減速器的計(jì)算輸入功率Pja和單臺(tái)制動(dòng)器（制動(dòng)單元）的額定制動(dòng)力矩Mz，推薦按本文介紹驗(yàn)算。并建議“三合一”減速器廠家樣本上增加減速器的許用功率（額定功率）和制動(dòng)單元的額定制動(dòng)力矩Mz一欄。

［1］ GB3811-2008 起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］ 張質(zhì)文，王少華，徐格寧.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)-2013［M］.2 版.北京：中國鐵道出版社，2003.