大型塔式起重機起升調(diào)速方法對比分析

李明強，侯清濤，李鵬舉，王永新

（山東電力建設(shè)第一工程公司，山東 濟南 2 5 0 1 3 1）

1 起升機構(gòu)簡介

為適應(yīng)高層、超高層建筑及各類設(shè)備的安裝需要，塔式起重機（以下簡稱塔機）必須具有較大的起升高度。在塔機吊裝過程中，為提高工作效率，一般要求吊鉤在輕載和空鉤時能夠快速升降，因此，起升機構(gòu)必須具有一定的調(diào)速范圍。

起升機構(gòu)布置簡圖如圖1所示。常用的起升機構(gòu)各組成單元依次串聯(lián)，少數(shù)起升機構(gòu)的組成單元為并聯(lián)，例如采用雙電動機驅(qū)動。

圖1 起升機構(gòu)布置簡圖

2 調(diào)速方法分析

起升機構(gòu)的傳動簡圖和繞繩示意圖如圖2及圖3所示。

由公式 n=int，nt=va/(πD)，va=av可知起升速

圖2 起升機構(gòu)傳動簡圖

圖3 繞繩示意圖

度為

其中：n為電動機轉(zhuǎn)速，i為減速機傳動比，nt為卷筒轉(zhuǎn)速，va為鋼絲繩出卷筒速度，D為卷筒直徑，a為滑輪組倍率。

一個完整的傳動系統(tǒng)確定后，卷筒直徑D是不變的，能夠改變數(shù)值大小的是電動機轉(zhuǎn)速n、減速機傳動比i和滑輪組倍率a。因此，與之對應(yīng)的調(diào)速方法有3種：電氣調(diào)速、減速機調(diào)速和滑輪組變倍率調(diào)速。

2.1 電氣調(diào)速

電氣調(diào)速是通過改變電動機輸出轉(zhuǎn)速的方式來改變起升速度。電氣調(diào)速的方法很多，根據(jù)電動機的工作原理，電氣調(diào)速可分為兩大類：直流電動機調(diào)速和交流電動機調(diào)速。

2.1.1 直流電動機調(diào)速

直流電動機的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速公式

其中：n為電動機轉(zhuǎn)速，U為電樞電壓，I為電樞電流，R為電樞回路總電阻，Ke為電動勢常數(shù)，?為勵磁磁通。

根據(jù)式(2)參數(shù)，直流電動機調(diào)速有3種方法：弱磁調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速和串阻調(diào)速。

2.1.2 交流電動機調(diào)速

交流電動機的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速公式

其中：n為電動機轉(zhuǎn)速，f為供電電源頻率，p為電動機極對數(shù)，s為電動機的轉(zhuǎn)差率。

因此，根據(jù)式(3)參數(shù)，交流電動機調(diào)速也有變頻調(diào)速、變極調(diào)速和變轉(zhuǎn)差率調(diào)速3種方法。

在塔機的起升調(diào)速中，直流調(diào)速最常用的是調(diào)壓調(diào)速，交流調(diào)速最常用的是變頻調(diào)速，這兩種方法的特點是調(diào)速范圍大，都能實現(xiàn)無級調(diào)速。

在額定轉(zhuǎn)速以上進行變速時，電動機的輸出轉(zhuǎn)速不應(yīng)過高，輸出轉(zhuǎn)速不能超過聯(lián)軸器、減速機的許用轉(zhuǎn)速。變頻調(diào)速的情況下，在同等功率時，低頻低轉(zhuǎn)速下若需要輸出大扭矩，電動機的機座號隨之增加過大，成本造價相應(yīng)提高。因此，大范圍的電氣調(diào)速只適合在中小功率的起升機構(gòu)中應(yīng)用，電動機輸出轉(zhuǎn)速可變化50倍；大功率的起升機構(gòu)中電動機調(diào)速范圍只有2倍左右。

2.2 減速機調(diào)速

減速機調(diào)速是通過改變減速機的傳動比來改變起升速度，這類減速機有電磁換擋減速機、電液換擋變速箱等產(chǎn)品。

電磁換擋減速機靠電磁離合器換擋改變減速機的傳動比，一般只設(shè)置兩擋，不能帶載變換離合器擋位。

電液換擋變速箱設(shè)置在電動機和減速機之間，通過電控液壓操作使離合器換擋改變減速機的傳動比，可設(shè)置多個擋位，并可以帶載變換離合器擋位。

電液換擋變速箱優(yōu)點是變速范圍較大，但缺點是成本高、檢修維護繁瑣。

2.3 變倍率調(diào)速

變倍率調(diào)速是通過改變滑輪組倍率來改變起升速度。輕載高速時用小倍率，重載低速時用大倍率。變倍率調(diào)速根據(jù)操作方式分為手動換倍率和自動換倍率兩類。

在通常塔機設(shè)備中，滑輪組倍率變化較少，一般在兩種倍率之間變換，例如在1/2倍率、2/4倍率之間變換，其經(jīng)濟性好，但多數(shù)塔機需要人工換倍率，使得操作不便。

為保證機構(gòu)傳動的穩(wěn)定性，減少振動，不宜使卷筒轉(zhuǎn)速過大，即鋼絲繩出卷筒的線速度不宜過高，當通過電氣或者減速機調(diào)速方法使卷筒轉(zhuǎn)速接近極限時，只能采用減小滑輪組倍率的方法來提高起升速度。

3 調(diào)速方法對比

電氣調(diào)速、減速機調(diào)速和變倍率調(diào)速各有優(yōu)缺點，根據(jù)需要應(yīng)用在不同的場合。三類調(diào)速方法的對比見表1。

表1 三類調(diào)速方法的比較

電氣調(diào)速可實現(xiàn)無級調(diào)速，變傳動比和變倍率為定級調(diào)速，只有固定的傳動比。僅采用電氣調(diào)速，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)無級調(diào)速，但大功率時的成本造價過高；只采用減速機調(diào)速，其傳動比可選范圍大，但換擋時沖擊大；只采用變倍率調(diào)速，滑輪組倍率變化少，可選范圍小，調(diào)速范圍有限，且操作繁瑣。

電氣調(diào)速的最大優(yōu)點是能實現(xiàn)無級調(diào)速，能使動載系數(shù)減小10%左右，啟、制動平穩(wěn)；減速機調(diào)速的最大優(yōu)點是可變檔位多，變速范圍大；變倍率調(diào)速是終端調(diào)速手段，不受起重量和起升速度限制。電氣調(diào)速是最基本調(diào)速手段，是高品質(zhì)塔機的標準配置。

4 實 例

某類型塔機，最大額定起重量100t，工作級別M 5，電動機功率132k W，卷筒卷繞6層，鋼絲繩直徑40mm；起升機構(gòu)采用直流電動機調(diào)壓、變速箱和2/4倍率變換共3種組合的綜合調(diào)速方法，達到了大起重量、大起升速度和大起升高度的良好起升性能的目的。

在全磁場狀態(tài)下，調(diào)節(jié)電樞電壓，可使電動機從額定轉(zhuǎn)速向下變速，最大速度可達90m/m in。為得到額定轉(zhuǎn)速以上的速度，當電樞全電壓之后，弱磁升速，其速度可超過90m/m in，但此時對應(yīng)的起重量較小，實際使用意義不大。其詳細性能參數(shù)見表2。

表2 起升性能參數(shù)表

由表2可知，若采用單一的調(diào)速手段，無法實現(xiàn)大范圍的穩(wěn)定調(diào)速：不采用電氣調(diào)速，無法實現(xiàn)穩(wěn)定的無級調(diào)速；不采用變速箱調(diào)速，僅有一種擋位，同時僅對應(yīng)一種額定起重量（在50t、24t、9t和3t中選其一）；不采用變倍率調(diào)速，無法吊載100t（50t和100t中選其一），但是，常見起升機構(gòu)中通常僅采用了其中兩種調(diào)速方法組合，即電氣調(diào)速與減速機調(diào)速，或者電氣調(diào)速與變倍率調(diào)速相結(jié)合，要保證大起重量、大起升速度和大起升高度，需同時采用3種方式進行組合才能達到目的。

5 結(jié) 語

1）采用電氣、變速箱和變倍率調(diào)速相結(jié)合的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍的平穩(wěn)調(diào)速。3類調(diào)速手段各有利弊，應(yīng)根據(jù)需要合理利用，在考慮用戶對起升速度需求的同時，還要兼顧設(shè)備使用、維修等各種成本。

2）鋼絲繩在卷筒第一層和最外層纏繞時，起升速度變化較大。外層纏繞（吊鉤在最大起升高度附近）時起升速度變大，高擋位小起重量時尤為明顯，因此，應(yīng)合理選擇鋼絲繩在卷筒上的纏繞層數(shù)，同時層數(shù)過多時亦不利于正確排繩。

3）控制動載荷是實現(xiàn)良好起升性能的關(guān)鍵，因此，盡可能選用無級調(diào)速方式，并適當延長啟、制動時間，減小動載系數(shù)，以防止電動機過載。

[1] 李鵬舉，韓吉超，仉健康．基于動臂起重機的全倍率變換全吊鉤互換的組合起吊裝置[J]．起重運輸機械，2012，(10)：23-26．

[2] 張質(zhì)文，王金諾，程文明，等．起重機設(shè)計手冊(第二版)[M]．北京：中國鐵道出版社，2013．

[3] 張質(zhì)文，虞和謙，王金諾，等．起重機設(shè)計手冊[M]. 北京：中國鐵道出版社，1998．

[4] 阮 毅，陳伯時．電力拖動自動控制系統(tǒng)—運動控制系統(tǒng)(第4版)[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2009．

[5] 喻樂康．中大型塔式起重機起升機構(gòu)的調(diào)速方式[J].建設(shè)機械技術(shù)與管理，2004,（7）：61-63．

[6] 黃時偉．塔機起升機構(gòu)調(diào)速技術(shù)[J]．建設(shè)機械技術(shù)與管理，2009,（8）：96-97．