橋(門)式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)高速浮動(dòng)軸設(shè)計(jì)

張 科

(中鐵十六局集團(tuán)北京建功機(jī)械有限公司，北京 101500)

橋(門)式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)與減速器采用一中間軸，軸的一端與半齒聯(lián)軸器連接，另一端與帶制動(dòng)輪的半齒聯(lián)軸器連接。像這種在兩個(gè)半齒聯(lián)軸器之間沒有外支座的中間軸，除允許徑向和角度有微量偏移外，由于可沿軸向稍微竄動(dòng)，因此，稱它為浮動(dòng)軸，又因?yàn)槠溥B接的部位為減速器高速軸一側(cè)，故也稱為高速浮動(dòng)軸。

1 高速浮動(dòng)軸的優(yōu)點(diǎn)

高速浮動(dòng)軸連接比利用彈性柱銷聯(lián)軸器或全齒聯(lián)軸器有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)容許較大的安裝誤差，而且軸愈長(zhǎng)允許的安裝誤差愈大，故浮動(dòng)軸長(zhǎng)度一般不宜過短(一般不小于500 mm)，否則所起的補(bǔ)償作用不大。(2)由于有足夠的維修操作空間，便于拆卸和更換零件。(3)由小車的自重引起輪壓分布均勻。

2 高速浮動(dòng)軸的設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 基本設(shè)計(jì)參數(shù)

本文以MG45/15 t-26.5 m門式起重機(jī)的主起升機(jī)構(gòu)為例計(jì)算設(shè)計(jì)計(jì)算分析，其基本設(shè)計(jì)參數(shù)為：

(1)電動(dòng)機(jī)YZP355L1-10/110 KW(電動(dòng)機(jī)額定力矩Me=1 786.6 N·m)；

(2)起升工作速度11 m/min。

2.2 高速浮動(dòng)軸疲勞計(jì)算

起升機(jī)構(gòu)疲勞計(jì)算基本載荷，見式(1)。

Mlmax=φ6×Me=1.065×1 786.6=1 902 N·m

(1)

式中：MImax-起升機(jī)構(gòu)疲勞計(jì)算基本載荷，N·m；φ6-動(dòng)載系數(shù)，見式(2)；Me-電動(dòng)機(jī)額定力矩，已知為1 786.6 N·m。

φ6=0.5×(1+φ2)=0.5×(1+1.13)=1.065

(2)

φ2-起升載荷動(dòng)載系數(shù)，見式(3)。

(3)

式中：v-設(shè)計(jì)起升速度，已知為11 m/min。

高速浮動(dòng)軸受到的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，見式(4)。

(4)

式中：τn-高速浮動(dòng)軸受到的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力， MPa；MImax-起升機(jī)構(gòu)疲勞計(jì)算基本載荷，已知為1 902.7 N·m；W-設(shè)計(jì)的高速浮動(dòng)軸的彎矩m3，見式(5)。

W=0.2d3=0.2×0.093=0.000 145 8 m3

(5)

式中：d-高速浮動(dòng)軸計(jì)算直徑，設(shè)計(jì)為外徑100 mm，與聯(lián)軸器連接處直徑為90 mm，故計(jì)算直徑為0.09 m。

高速浮動(dòng)軸的材質(zhì)選用45#鋼，查表2-1-7可知σb=600 MPa、σs=355 MPa，由此可計(jì)算出鋼材的抗彎曲強(qiáng)度，見式(6)。

σ-1=0.27×(σb+σs)=0.27×(600+355)=257.85 MPa

(6)

式中：σ-1-鋼材的抗彎曲強(qiáng)度， MPa；σb-鋼材抗拉強(qiáng)度，已知為600 MPa；σs-鋼材屈服強(qiáng)度，已知為355 MPa。

高速浮動(dòng)軸鋼材的抗彎扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，見式(7)。

(7)

式中：τ-1-高速浮動(dòng)軸鋼材的抗彎扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度， MPa；σb-鋼材抗拉強(qiáng)度，已知為600 MPa；σs-鋼材屈服強(qiáng)度，已知為355 MPa。

高速浮動(dòng)軸受脈動(dòng)循環(huán)的許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，見式(8)。

(8)

式中：[τOK]-高速浮動(dòng)軸受脈動(dòng)循環(huán)的許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力， MPa；τ-1-高速浮動(dòng)軸鋼材許用疲勞應(yīng)力，已知為148.9 MPa；η-考慮材料對(duì)應(yīng)力循環(huán)不對(duì)稱的敏感系數(shù)，對(duì)碳鋼及低合金鋼η取0.2；n1-安全系數(shù)，由表30查得為1.25；k-考慮零件幾何形狀和零件表面狀況的應(yīng)力集中系數(shù)，見式(9)。

k=kx×km=2×1.25=2.5

(9)

式中：kx-與零件幾何形狀有關(guān)，對(duì)于零件表面有急劇過渡和有鍵槽及緊配合區(qū)段，一般取1.5～2，取2；km-與零件表面加工光潔度有關(guān)，對(duì)于粗糙度1.25，一般取1.25～1.35，取1.25。

由以上計(jì)算可知：τn=13.05 MPa<[τOK]=88 MPa。設(shè)計(jì)的高速浮動(dòng)軸疲勞強(qiáng)度滿足要求。

2.3 高速浮動(dòng)軸強(qiáng)度計(jì)算

軸所受最大轉(zhuǎn)矩，見式(10)。

MⅡmax=φ2×Me=1.13×1 786.6=2 018 N·m

(10)

式中：MⅡmax-軸所受最大轉(zhuǎn)矩，N·m；φ2-起升載荷動(dòng)載系數(shù)，已知為1.13；Me-電動(dòng)機(jī)額定力矩，已知為1 786.6 N·m。

最大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，見式(11)。

(11)

式中：τmax-最大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力， MPa；MⅡmax-軸所受最大轉(zhuǎn)矩，已知為2 018.9 N·m；W-設(shè)計(jì)的高速浮動(dòng)軸的彎矩，已知為0.000 145 8 m3。

許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，見式(12)。

(12)

式中：[τⅡ]-許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力， MPa；τs-高速浮動(dòng)軸鋼材的屈服扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度 MPa，見式(13)；nⅡ-安全系數(shù)，取1.5。

τs=0.6×σs=0.6×355=213 MPa

(13)

式中：σs-鋼材屈服強(qiáng)度，已知為355 MPa。

由以上計(jì)算可知：τmax=13.85 MPa<[τⅡ]=142 MPa。設(shè)計(jì)的高速浮動(dòng)軸強(qiáng)度滿足要求。

綜上，可知，設(shè)計(jì)的高速浮動(dòng)軸：材質(zhì)45#鋼、外徑100 mm、與聯(lián)軸器連接處直徑為90 mm，符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

以上計(jì)算結(jié)果可知，一般在設(shè)計(jì)高速浮動(dòng)軸時(shí)，只考慮其直徑和材質(zhì)，計(jì)算其疲勞極限和強(qiáng)度，其長(zhǎng)度一般不予考慮，原因是由于起升機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程同心度要求高，否則易發(fā)生卡組現(xiàn)象，故其長(zhǎng)度方向上的擺動(dòng)力矩不允許過大，計(jì)算時(shí)可不考慮其長(zhǎng)度值。