變頻調(diào)速起重機(jī)起升動(dòng)載特性研究

楊猛+張宏亮

摘 要：在工業(yè)企業(yè)的日常生產(chǎn)和起重機(jī)領(lǐng)域內(nèi)，變頻調(diào)速技術(shù)一直是備受關(guān)注的應(yīng)用技術(shù)，該技術(shù)因在起重機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中也表現(xiàn)出色而受到了廣泛的認(rèn)同。與傳統(tǒng)的直流調(diào)速相比，變頻調(diào)速在操作安全性、定位準(zhǔn)確性及使用便捷性方面更具優(yōu)勢(shì)。通過(guò)闡述變頻調(diào)速技術(shù)的工作原理，就變頻調(diào)速起重機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)及其起升動(dòng)載特性進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：起重機(jī)；動(dòng)載特性；變頻調(diào)速技術(shù)；起升結(jié)構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào)：TH21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.12.037

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)被廣泛引入到電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的技術(shù)變革中，基于計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)的變頻調(diào)速技術(shù)自誕生之后很快代替了直流調(diào)速技術(shù)，成為現(xiàn)代工業(yè)中實(shí)現(xiàn)工藝完善和節(jié)能等提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要技術(shù)，尤其是在起重機(jī)行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用，使得變頻調(diào)速起重機(jī)的性能、安全性得到了較大程度的提高。

1 變頻調(diào)速技術(shù)的基本概念

在日常生活中，變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用非常普遍，幾乎涵蓋了所有的智能家用電器領(lǐng)域，比如變頻冰箱、空調(diào)等。該技術(shù)以改變交流電動(dòng)機(jī)的供電頻率對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行調(diào)速，其基本原理公式為：

n=60f（1-s）/p. （1）

式（1）中：n為轉(zhuǎn)速；s為電機(jī)轉(zhuǎn)差率；p為電機(jī)磁極對(duì)數(shù)。

根據(jù)公式的表達(dá)可以看出，該技術(shù)的工作原理是通過(guò)改變工作電源的輸入頻率來(lái)改變轉(zhuǎn)速。

2 變頻調(diào)速起重機(jī)的特點(diǎn)分析

近年來(lái)，變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸成為主流。該技術(shù)在起重機(jī)上的應(yīng)用則是通過(guò)改變起重的起重機(jī)構(gòu)，利用變幅、回轉(zhuǎn)等進(jìn)行變頻調(diào)速的。與傳統(tǒng)起重機(jī)相比，變頻調(diào)速起重機(jī)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

2.1 安全性更高

以變頻調(diào)速技術(shù)為代表的一系列新型技術(shù)的應(yīng)用使得起重機(jī)的電控系統(tǒng)的穩(wěn)定性獲得了較大的提升，從而使起重機(jī)的安全性得到了更大程度的提高。

2.2 性能更好

變頻調(diào)速技術(shù)在起重機(jī)的內(nèi)部形成了變頻器模塊化設(shè)計(jì)，使得起重機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制，達(dá)到了更高的集成度和可靠性，提升了起重機(jī)的工作適應(yīng)性和控制能力。司機(jī)可以根據(jù)不同的作業(yè)需求對(duì)起重機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的速度調(diào)整。

2.3 減少零件磨損

由于變頻調(diào)速技術(shù)可以根據(jù)載重量自動(dòng)進(jìn)行工作速度的調(diào)節(jié)，從而減少了手功操作的步驟。這樣，一方面降低了司機(jī)的工作強(qiáng)度，另一方面提高了起重機(jī)的工作效率，使得零件的磨損率大大降低。

2.4 節(jié)能

變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)起重機(jī)功能最明顯的改善就是其自動(dòng)節(jié)能操作模式可以在提高工作效率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)更好的節(jié)能效果。

3 變頻調(diào)速起重機(jī)起升動(dòng)載特性

我們常將起重機(jī)稱(chēng)為吊車(chē)，是因?yàn)樗梢蕴?、轉(zhuǎn)移人力無(wú)法搬運(yùn)的較重質(zhì)量的物品。根據(jù)性能和構(gòu)造的不同，起重機(jī)可分為輕小型、橋式和臂架式3種類(lèi)型。輕小型起重機(jī)以日常生活中常見(jiàn)的千斤頂為代表，梁式起重機(jī)是橋架式起重機(jī)的代表，臂架式起重機(jī)以塔式和履帶式起重機(jī)為代表。起重機(jī)主要部件包括起升、運(yùn)行、變幅、回轉(zhuǎn)和金屬等結(jié)構(gòu)。

3.1 起重機(jī)起升動(dòng)載荷系數(shù)

變頻調(diào)速技術(shù)使得起重機(jī)可以做到零速起升，減緩了其載荷離地速度，并且可以在離地的瞬間產(chǎn)生附加加速度，從而減少離地瞬間產(chǎn)生的起重機(jī)動(dòng)態(tài)沖擊力和加速度對(duì)附加動(dòng)應(yīng)力的載荷影響。附加動(dòng)應(yīng)力載荷的表示公式為：

φ2=φ2最小值+β2Vh. （2）

式（2）中：φ2為起重機(jī)的使用壽命；β2為起重機(jī)的工作等級(jí)系數(shù)；Vh為起重機(jī)載荷瞬間的離地速度。

一般情況下，起重機(jī)有4個(gè)等級(jí)的工作等級(jí)系數(shù)，每個(gè)等級(jí)都有相對(duì)應(yīng)的φ2和β2.

3.2 起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)

變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)起重機(jī)起升結(jié)構(gòu)的影響，可以通過(guò)疲勞強(qiáng)度和靜強(qiáng)度進(jìn)行分析。針對(duì)變頻調(diào)速起重機(jī)起升結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度分析的相關(guān)公式為：

TⅠmax=φ6FQR/mi. （3）

式（3）中：TⅠmax為起升結(jié)構(gòu)零件的疲勞計(jì)算基本載荷；φ6為動(dòng)載系數(shù)；FQ為額定的起升載荷；R為卷筒的卷繞半徑；m為滑輪組的倍率；i為零件所在軸和卷筒軸之間的傳動(dòng)比。

針對(duì)變頻調(diào)速起重機(jī)起升結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度分析的相關(guān)計(jì)算公式為：

TⅡmax=φ2FQR/mi. （4）

式（4）中：TⅡmax為變頻調(diào)速起重機(jī)起升結(jié)構(gòu)工作時(shí)的最大載荷；φ2為起升動(dòng)載荷系數(shù)。

從上述2個(gè)公式可以看出起升動(dòng)載荷系數(shù)與變頻調(diào)速起重機(jī)起升結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，證明了變頻調(diào)速對(duì)降低起升載荷系數(shù)的有效性。

4 變頻調(diào)速起重機(jī)的未來(lái)研究方向

目前，變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。該技術(shù)在起重機(jī)上的應(yīng)用，對(duì)完善起重機(jī)的性能、降低成本、提升安全性等具有重要的意義。與傳統(tǒng)的起重機(jī)相比，變頻調(diào)速起重機(jī)的性?xún)r(jià)比更高、結(jié)構(gòu)也更簡(jiǎn)單，不僅能減少零部件在工作中的磨損，相應(yīng)的維護(hù)修理也更為方便，同時(shí)還具有節(jié)能、操作便利、省時(shí)等特點(diǎn)，能更好地提高工作效率、改善人機(jī)之間的關(guān)系。

但是，有利必有弊，變頻調(diào)速起重機(jī)也存在一些缺點(diǎn)，比如，變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用會(huì)增強(qiáng)電機(jī)的發(fā)熱概率，對(duì)電機(jī)的狀態(tài)產(chǎn)生不良影響，同時(shí)還會(huì)縮短起重機(jī)電源設(shè)備的使用壽命，對(duì)起重機(jī)其他部件也會(huì)造成一定程度的損害。

總體來(lái)說(shuō)，變頻調(diào)速起重機(jī)與傳統(tǒng)起重機(jī)相比依然具有較大的優(yōu)勢(shì)。目前，由于變頻調(diào)速起重機(jī)在起高工作效率以及節(jié)能、控制成本方面的表現(xiàn)優(yōu)秀，其實(shí)際應(yīng)用已帶來(lái)了較為明顯的經(jīng)濟(jì)效益，并在市場(chǎng)上占據(jù)了越來(lái)越多的份額。然而，由于我國(guó)相應(yīng)的生產(chǎn)技術(shù)不成熟，該技術(shù)在起重機(jī)上的應(yīng)用還面臨著一些困難，比如一些關(guān)鍵零部件在國(guó)內(nèi)還無(wú)法實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)，只能依賴(lài)進(jìn)口。這使得變頻調(diào)速起重機(jī)的生產(chǎn)成本難以實(shí)現(xiàn)有效控制，從而限制了變頻調(diào)速起重機(jī)在國(guó)內(nèi)的普及。因此，今后針對(duì)變頻調(diào)速技術(shù)在起重機(jī)方面的應(yīng)用，應(yīng)將研究和工作重點(diǎn)放在相關(guān)技術(shù)的改進(jìn)革新方面，通過(guò)引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，加快變頻調(diào)速起重機(jī)技術(shù)的完善，并攻克目前存在的各個(gè)弊端，有效降低各種不利因素對(duì)變頻調(diào)速起重機(jī)技術(shù)研發(fā)、實(shí)際應(yīng)用和推廣的不利影響，從而充分發(fā)揮變頻調(diào)速起重機(jī)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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〔編輯：劉曉芳〕