橋式起重機(jī)小車(chē)零部件的合理性布置設(shè)計(jì)

李玉杰

（山鋼股份濟(jì)南分公司 寬厚板廠，山東 濟(jì)南250101）

1 前言

橋式起重機(jī)小車(chē)上零部件的布置決定了小車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)和輪壓。因此，在設(shè)計(jì)小車(chē)時(shí)，除了掌握正確的設(shè)計(jì)計(jì)算方法之外，還要掌握零部件布置的合理原則，以滿(mǎn)足小車(chē)的設(shè)計(jì)要求，最大限度地節(jié)約制造成本。

2 零部件分布對(duì)小車(chē)設(shè)計(jì)的影響

橋式起重機(jī)小車(chē)上零部件在選配后，其在小車(chē)上的布置情況對(duì)車(chē)架和車(chē)輪造成如下影響。

1）對(duì)小車(chē)車(chē)架的影響。對(duì)于雙梁橋式起重機(jī)的小車(chē)而言，由于小車(chē)車(chē)架與零部件及起重載荷在其上的分部是超靜定的，因此重量載荷越是集中則小車(chē)車(chē)架平臺(tái)的總面積就越小。另外，最大起重量載荷越靠近小車(chē)平臺(tái)中心，則能以較小的車(chē)架尺寸來(lái)滿(mǎn)足重量載荷要求，因而其車(chē)架重量就越輕；反之，會(huì)因設(shè)計(jì)尺寸的增加而增大了小車(chē)車(chē)架的自重，車(chē)輪就會(huì)承受較大載荷。

2）對(duì)四角輪壓分部的影響。如果零部件布置偏向一側(cè)，車(chē)輪所承受的輪壓就會(huì)增加。同時(shí)，一側(cè)載荷較重，則車(chē)架的尺寸及重量也會(huì)受到影響，四角車(chē)輪中的最大輪壓會(huì)提高，對(duì)整臺(tái)起重機(jī)主梁及端梁的設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響。另外，由于單側(cè)輪壓較大，另一側(cè)在工作時(shí)會(huì)因尺寸及道軌的誤差產(chǎn)生車(chē)輪與道軌不接觸的現(xiàn)象，通常稱(chēng)為“3條腿”現(xiàn)象，此為起重機(jī)最嚴(yán)重的故障。

3）對(duì)小車(chē)架面積方面的影響。小車(chē)上零部件布置不緊湊，會(huì)占用較大面積，使得吊鉤活動(dòng)區(qū)域受限；同時(shí)車(chē)架面積的增大還會(huì)相應(yīng)增加小車(chē)自重。

3 起重機(jī)小車(chē)零部件的布置原則

3.1 最大起升載荷作用點(diǎn)設(shè)置

最大起升載荷作用點(diǎn)應(yīng)設(shè)計(jì)在小車(chē)車(chē)輪對(duì)角線交叉點(diǎn)上。通用雙梁橋式起重機(jī)一般設(shè)計(jì)兩套起升機(jī)構(gòu)，主、副起升。其中主起升機(jī)構(gòu)所要滿(mǎn)足的起重量是設(shè)計(jì)之初的已知條件，它決定了整臺(tái)起重機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，而主起升載荷的作用點(diǎn)對(duì)小車(chē)輪壓分部的影響最大。在根據(jù)起升載荷選定了零部件之后，要對(duì)各零部件進(jìn)行布置。首先要掌握的原則便是將主起升載荷作用點(diǎn)布置在小車(chē)中心，這樣四角車(chē)輪都能承受1/4的最大起重量載荷。

如果小車(chē)上主起升機(jī)構(gòu)的作用點(diǎn)位置稍有偏移，則兩側(cè)輪壓會(huì)產(chǎn)生較大變化。例如1部75 t/15 t的通用雙梁橋式起重機(jī)，其主起升最大載荷作用點(diǎn)縱向偏移，如圖1所示。主、被動(dòng)端車(chē)輪中心距離為3 m，而主起升載荷向被動(dòng)端偏移了0.25 m?，F(xiàn)計(jì)算主、被動(dòng)端的輪壓。

圖1 最大起升載荷布置

按照雙聯(lián)卷筒計(jì)算，倍率為5，去掉1個(gè)作用在卷筒上的重量載荷，定滑輪承受的重量載荷為60 t。根據(jù)圖1中的尺寸，計(jì)算得出被動(dòng)車(chē)輪承受的來(lái)自起升載荷的輪壓為：

式中：Gb為被動(dòng)輪輪壓，kN；G為總輪壓，kN；L為主、被動(dòng)車(chē)輪的中心線距離，m；L1為主起升卷筒組中心線與被動(dòng)車(chē)輪組中心線距離，m。

為便于計(jì)算，假設(shè) L為 3 m，L1為 1.25 m，根據(jù)公式（1）計(jì)算得輪壓Gb為175 kN。同樣套用以上假設(shè)的數(shù)據(jù)，主動(dòng)端所承受的起升載荷作用的輪壓GZ為125 kN。

經(jīng)過(guò)計(jì)算得知，被動(dòng)車(chē)輪比主動(dòng)車(chē)輪要多承受50 kN、約5 t的重量，如此大的載荷偏差對(duì)小車(chē)車(chē)輪的設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生很大的影響。

3.2 減小零部件對(duì)車(chē)架的彎矩載荷

小車(chē)車(chē)架及車(chē)輪承受的載荷除了額定的起重量載荷之外，還要承受電機(jī)、減速機(jī)和卷筒組的自重。因此在布置電機(jī)、減速機(jī)和卷筒組等零部件時(shí)，要讓這些零部件的重量盡可能小地對(duì)車(chē)架形成縱向剪力和彎矩，即盡可能使這些零部件重心與車(chē)輪運(yùn)行中心線重合。圖1中，主起升減速機(jī)因其自重量大，故設(shè)計(jì)時(shí)使其中心位置與一側(cè)的小車(chē)車(chē)輪運(yùn)行中心線平行，消除了對(duì)車(chē)架的彎矩。

現(xiàn)就減速機(jī)對(duì)車(chē)架的彎矩進(jìn)行舉例，圖2表示了通用雙梁橋式起重機(jī)的小車(chē)平面圖，圖中所示的主起升減速機(jī)與小車(chē)車(chē)輪中心線的偏移尺寸e=0.25 m。減速機(jī)自重20 kN，兩側(cè)車(chē)輪距離為2 m?，F(xiàn)計(jì)算減速機(jī)對(duì)車(chē)架的剪力和彎矩。

圖2 減速機(jī)在小車(chē)上偏離車(chē)輪中心線

車(chē)輪的支撐力Ra和Rb經(jīng)過(guò)計(jì)算得［1-2］：

式中：Ra為單側(cè)車(chē)輪支撐力，kN；Rb為單側(cè)車(chē)輪支撐力，kN；Gjs為減速機(jī)自重，kN；e為偏移距離，m；B 為兩側(cè)車(chē)輪距離，m。

最大彎矩Mmax為：

減速機(jī)對(duì)車(chē)架的最大彎矩為4.357 kN·m，該數(shù)值會(huì)影響到車(chē)架的設(shè)計(jì)。

3.3 保證零部件的緊湊性

在對(duì)小車(chē)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，除了減小對(duì)車(chē)架的彎曲載荷之外，還要考慮車(chē)上零部件的緊湊性。要盡可能地減小車(chē)架的平面尺寸，以免增加小車(chē)自重和影響起重機(jī)大車(chē)主梁極限位置的吊運(yùn)作業(yè)。車(chē)上零部件在小車(chē)長(zhǎng)度和寬度上要布置合理。

小車(chē)零部件布置有時(shí)雖然小車(chē)車(chē)架的長(zhǎng)度方向減小了尺寸，可對(duì)于雙梁橋式起重機(jī)而言，占用了較大的寬度空間，對(duì)主梁安裝精度和端梁的設(shè)計(jì)尺寸都會(huì)產(chǎn)生影響。緊湊的布置方式應(yīng)為圖1中所示。

3.4 主動(dòng)端應(yīng)承受較大自重載荷

為了增加驅(qū)動(dòng)端對(duì)小車(chē)道軌的摩擦力，在設(shè)計(jì)小車(chē)時(shí)，要使小車(chē)車(chē)架主動(dòng)端承受較被動(dòng)端大一點(diǎn)的自重載荷［3-4］。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)要將小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)在自重較大的一端。同時(shí)，這樣設(shè)計(jì)的結(jié)果也避免了因車(chē)架在外部環(huán)境下出現(xiàn)誤差導(dǎo)致小車(chē)“三條腿”現(xiàn)象。

3.5 載荷對(duì)稱(chēng)布置原則

對(duì)稱(chēng)布置原則是要求通過(guò)合理布置車(chē)上零部件，使起重機(jī)小車(chē)兩側(cè)車(chē)輪承受近乎相等的載荷。如在冶金企業(yè)常用的雙鉤電磁掛梁橋式起重機(jī)，因需要吊運(yùn)鋼板，所以采取雙鉤同步的設(shè)計(jì)方式。

圖3和圖4列舉了兩種不同布置方式的小車(chē)平面布置，現(xiàn)將兩種布置結(jié)構(gòu)在空載狀態(tài)下，零部件自重形成的載荷進(jìn)行計(jì)算并給出剪力、彎矩分布以作對(duì)比。

為便于計(jì)算和對(duì)比，假設(shè)兩個(gè)圖中的長(zhǎng)度尺寸：兩側(cè)車(chē)輪中心線距離為L(zhǎng)為5 m，一側(cè)小車(chē)車(chē)輪中心線與卷筒組中心線距離為L(zhǎng)1為1.2 m，一側(cè)車(chē)輪與起升電機(jī)中心線距離為L(zhǎng)2（圖3）為1.5 m，而在圖4所示的布置結(jié)構(gòu)中L2為2.5 m。圖3中另一側(cè)減速機(jī)中心線與車(chē)輪中心線距離L3為2.7 m，另一側(cè)卷筒與車(chē)輪中心線距離L4為3.9 m。假設(shè)重量載荷：起升減速機(jī)自重Gjs為1.8 t，起升電機(jī)自重Gdj為1.5 t，起升卷筒和滑輪組自重Gjt為1 t。

圖3 載荷不對(duì)稱(chēng)的布置結(jié)構(gòu)

小車(chē)零部件不對(duì)稱(chēng)布置情況下，根據(jù)公式計(jì)算得出，車(chē)輪A與C端總輪壓Pa為46.58 kN；車(chē)輪B與D的總輪壓Pb為24.42 kN。最大剪力在右側(cè)減速機(jī)對(duì)車(chē)架的重力中心線上，為28.58 kN；而最大彎矩則在右側(cè)卷筒對(duì)車(chē)架重力中心線處，為44.166 kN·m。

圖4 載荷對(duì)稱(chēng)的布置結(jié)構(gòu)

由于減速機(jī)和卷同組分別布置在小車(chē)中心的兩側(cè)，且電機(jī)中心位于小車(chē)中心線上，即小車(chē)零部件對(duì)稱(chēng)布置情況下，根據(jù)公式計(jì)算得出，兩側(cè)主、被車(chē)輪的輪壓Pa和Pb的值均為為35.5 kN。車(chē)上零部件對(duì)車(chē)架的最大剪力在卷筒組中心，為17.5 kN；最大彎矩在電機(jī)底座中心，為30.75 kN·m。

由此可見(jiàn)，雙鉤電磁掛梁橋式起重機(jī)小車(chē)上的零部件對(duì)稱(chēng)布置對(duì)車(chē)架的載荷會(huì)明顯減輕，這樣的設(shè)計(jì)可以大大節(jié)省車(chē)架所需材料，同時(shí)減輕了小車(chē)車(chē)架的自重，對(duì)起重機(jī)后續(xù)的大車(chē)主梁、端梁和大車(chē)車(chē)輪的設(shè)計(jì)都能夠產(chǎn)生影響。

4 結(jié) 語(yǔ)

在對(duì)橋式起重機(jī)小車(chē)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，不但要合理選配零部件，同時(shí)還要對(duì)零部件合理地進(jìn)行布置，以減小對(duì)小車(chē)車(chē)架的彎曲載荷；合理性地布置零部件也有利于起重機(jī)小車(chē)四角輪壓的分配均勻。另外，對(duì)于從事起重機(jī)設(shè)計(jì)和維護(hù)的工程技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，掌握文中所述的5個(gè)設(shè)計(jì)要素，有利于從事改造中對(duì)起重的選型。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 成大先，機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2008.

［2］ 岳家駿，工程力學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［3］ 大連起重機(jī)廠.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.遼寧：遼寧人民出版社，1979.

［4］ 郭宏毅，姜克玉，安振木，等.起重機(jī)械安裝維修實(shí)用技術(shù)［M］.河南：河南科學(xué)技術(shù)出版社，2010.