談塔機(jī)起升裝置主要部件的計(jì)算與應(yīng)用

雷晶濤 朱 毅 陳勇衛(wèi)

(陜西建設(shè)機(jī)械股份有限公司，陜西 西安 710000)

1 塔式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的工作級(jí)別與種類

塔式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的工作級(jí)別是設(shè)計(jì)起重機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)，根據(jù)GB/T 13752—2017塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，塔式起重機(jī)機(jī)構(gòu)的工作級(jí)別分為M1～M6級(jí)，它是由塔式起重機(jī)的載荷狀態(tài)級(jí)別和使用等級(jí)確定的。當(dāng)塔式起重機(jī)工作級(jí)別確定后，該起升機(jī)構(gòu)的工作級(jí)別可以對應(yīng)查出，這對后續(xù)塔式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)計(jì)算較為重要。

起升機(jī)構(gòu)按驅(qū)動(dòng)種類又分為電動(dòng)起升機(jī)構(gòu)和液壓起升機(jī)構(gòu)兩種，但在目前情況下在塔式起重機(jī)上應(yīng)用較多的多為電動(dòng)起升機(jī)構(gòu)，為此，本文以電動(dòng)起升機(jī)構(gòu)為例，對起升機(jī)構(gòu)的計(jì)算和應(yīng)用作為實(shí)例進(jìn)行分析、講解。

1.1 電動(dòng)起升機(jī)構(gòu)的組成

一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的電動(dòng)起升機(jī)構(gòu)一般由電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)、制動(dòng)器、聯(lián)軸器、鋼絲繩、卷筒等組成。這些部件計(jì)算的前提是先要明確載荷的特點(diǎn)，然后進(jìn)行一系列的計(jì)算來滿足起升機(jī)構(gòu)的運(yùn)行工況。

1.2 塔式起重機(jī)起升載荷的定義和特點(diǎn)

1.2.1 起升載荷的定義

塔式起重機(jī)的起升載荷是起升質(zhì)量。塔式起重機(jī)主要工作載荷主要包括起重量和吊具與鋼繩的重量，簡稱吊重。

1.2.2 起升機(jī)構(gòu)的載荷的特點(diǎn)

1)物品在起升或下降時(shí)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中由鋼絲繩拉力產(chǎn)生的扭矩方向不變，即扭矩是單向作用的。2)物品懸掛系統(tǒng)一般由撓性鋼絲繩組成，物品慣性引起的附加轉(zhuǎn)矩對機(jī)構(gòu)影響不大，一般不超過靜轉(zhuǎn)矩的10%。3)機(jī)構(gòu)起升或制動(dòng)時(shí)，只有電動(dòng)機(jī)輸出軸到制動(dòng)器之間的零件承受較大的動(dòng)載荷，齒輪傳動(dòng)和其他低速軸零件所承受的動(dòng)載荷不大。4)機(jī)構(gòu)起動(dòng)或制動(dòng)時(shí)間同穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)相比是短暫的，因此，可以將穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)時(shí)的起升載荷作為機(jī)構(gòu)計(jì)算載荷。通過以上對起升載荷的分析，則對起升機(jī)構(gòu)主要部件的計(jì)算，就更加明了。

2 電動(dòng)起升機(jī)構(gòu)的計(jì)算

2.1 鋼絲繩與卷筒的選擇

2.1.1 鋼絲繩計(jì)算

在塔式起重機(jī)上通常采用單聯(lián)滑輪組，其鋼絲繩的最大靜拉力：

其中，S為卷筒鋼絲繩最大靜拉力，N；Q為起升載荷，N，Q=Q0+q，q為取物裝置的重量，當(dāng)塔式起重機(jī)起升高度不小于50 m時(shí)，起升鋼絲繩的重力也應(yīng)當(dāng)包括在內(nèi)；Q0為額定起升載荷；a為滑輪組的倍率；ηz為滑輪組的效率;ηd為導(dǎo)向滑輪總效率。

故鋼絲繩直徑按最大靜拉力確定，鋼絲繩其破斷拉力Sp:

Sp=n×S。

其中，Sp為鋼絲繩最小破斷力，N；n為鋼絲繩最小安全系數(shù)(見表1)；S為鋼絲繩最大靜拉力，N。

表1 鋼絲繩最小安全系數(shù)表

這種方法適合于運(yùn)動(dòng)鋼絲繩和靜態(tài)鋼絲繩的選擇，也是較常用的一種方法。

2.1.2 卷筒的結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算

卷筒初步計(jì)算時(shí)，卷筒的最小纏繞直徑按以下公式計(jì)算:

DOmin=Kn×dr。

其中，DOmin為卷筒的最小纏繞直徑，mm；Kn為機(jī)構(gòu)級(jí)別與鋼絲繩結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)(見表2)；dr為鋼絲繩公稱直徑，mm。

表2 系數(shù)(Kn)選取表

在卷筒結(jié)構(gòu)上GB/T 11156—2011塔式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)優(yōu)先采用焊接結(jié)構(gòu)形式卷筒。起升機(jī)構(gòu)卷筒厚度、強(qiáng)度按照GB/T 13752—2017塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算。

2.2 電動(dòng)機(jī)的計(jì)算

2.2.1 電動(dòng)機(jī)初選

在塔式起重機(jī)中電動(dòng)起升機(jī)構(gòu)較為常見，電動(dòng)機(jī)的初選極為重要。在設(shè)計(jì)時(shí)起重機(jī)的載荷額定起升速度及機(jī)構(gòu)效率來計(jì)算機(jī)構(gòu)的靜功率如下：

其中，P為機(jī)構(gòu)靜功率，kW;Q為起升載荷，N；Vq為額定起升速度,m/s;η為總效率。

按上式計(jì)算出的靜功率通常用“接電持續(xù)率法”初選。

根據(jù)GB/T 13752—2017塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范塔式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)容量選擇計(jì)算中，初步查出JC，CZ的數(shù)值見表3(以塔式起重機(jī)2類為例)。

表3 JC，CZ的數(shù)值

以上數(shù)據(jù)得出后，對應(yīng)廠家電機(jī)樣本初步完成電機(jī)的選擇。

2.2.2 電動(dòng)機(jī)軸上所需的轉(zhuǎn)矩

電動(dòng)機(jī)軸上轉(zhuǎn)矩分為穩(wěn)態(tài)起升額定轉(zhuǎn)矩和電機(jī)軸上的最小啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，這兩個(gè)指標(biāo)對塔式起重機(jī)起升電機(jī)來講要求嚴(yán)格，這也是選取電機(jī)的關(guān)鍵指標(biāo)。

1)穩(wěn)態(tài)起升額定載荷電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩Mn(單位：N·m)。

其中，n為電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速,r/min;PQ為額定起升載荷,N;Pn為電動(dòng)機(jī)靜功率,kW;Vq為起升速度，m/s；η為機(jī)構(gòu)總效率。

換算到起升系統(tǒng)元件上則有：

其中，Pq為額定起升載荷，N；D為按最外層鋼絲繩中心計(jì)算的卷筒卷繞直徑，m；a為滑輪組倍率；i為電動(dòng)機(jī)到輥筒軸的總傳動(dòng)比；η為起升吊重物時(shí)起升機(jī)構(gòu)和滑輪組的總效率。

2)電動(dòng)機(jī)軸上最小啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Md。

根據(jù)塔式起重機(jī)起升系統(tǒng)啟動(dòng)電機(jī)特點(diǎn)，啟動(dòng)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩載荷見表4,Md(N·m)與穩(wěn)態(tài)起升時(shí)載荷的轉(zhuǎn)矩Mn(N·m)之比值。

表4 Md與Mn比值

這樣可以獲得較好的起升性能，避免出現(xiàn)悶車現(xiàn)象，有利于塔式起重機(jī)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3)電動(dòng)機(jī)的校驗(yàn)及目的。

塔式起重機(jī)上所選電動(dòng)機(jī)按照《塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求進(jìn)行電動(dòng)機(jī)的校驗(yàn)。電動(dòng)機(jī)校驗(yàn)過程主要有兩個(gè)方面包括電動(dòng)機(jī)的過載校驗(yàn)和發(fā)熱校驗(yàn)，過載校驗(yàn)?zāi)康氖切ｒ?yàn)塔式起重機(jī)在設(shè)計(jì)極限情況下電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩或堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩是否保證機(jī)構(gòu)起動(dòng)需求；發(fā)熱校驗(yàn)?zāi)康氖窃跐M足塔式起重機(jī)正常工作情況下不出現(xiàn)過熱情況；具體驗(yàn)證計(jì)算及方法遵守GB/T 13752—2017塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范附錄中規(guī)定及GB/T 3811—2008起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范執(zhí)行。

2.2.3 塔式起重機(jī)制動(dòng)器的計(jì)算

塔式起重機(jī)制動(dòng)器是保證設(shè)備安全和正常工作的一個(gè)重要部件，起升制動(dòng)器的作用是保持吊物控制懸停，又叫支持制動(dòng)器。通常塔式起重機(jī)采用斷電制動(dòng)方式，制動(dòng)輪/盤剛性與傳動(dòng)裝置軸連接以確保塔式起重機(jī)制動(dòng)安全性。制動(dòng)器的制動(dòng)扭矩應(yīng)大于傳動(dòng)裝置軸所需要的扭矩。則有：

1)制動(dòng)扭矩的計(jì)算。

其中，MZ為起升機(jī)構(gòu)軸上計(jì)算理論扭矩,N·m;KZ為制動(dòng)器安全系數(shù);Pq為額定起升載荷,N;D為最外層鋼絲繩中心計(jì)算的卷筒卷繞直徑,m;a為滑輪組倍率;i為由制動(dòng)器軸到卷筒的總傳動(dòng)比;η為吊物下降時(shí)起升機(jī)構(gòu)和滑輪組的總效率。

2)制動(dòng)安全系數(shù)。

制動(dòng)安全系數(shù)根據(jù)不同工作機(jī)構(gòu)，安全系數(shù)選取也不同,見表5。

表5 制動(dòng)安全系數(shù)選取表

另外,塔式起重機(jī)起升制動(dòng)中還包括減速制動(dòng)，這個(gè)采取電器措施較為常見。同時(shí)，啟動(dòng)、制動(dòng)還應(yīng)考慮時(shí)間、加速度等因素，這在設(shè)計(jì)規(guī)范和手冊中都有計(jì)算的方法。

2.2.4 減速機(jī)的選擇

1)起升機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比計(jì)算。

其中，n為電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min；n′為卷筒轉(zhuǎn)速，r/min。

減速機(jī)應(yīng)與預(yù)期壽命及機(jī)構(gòu)工作級(jí)別對應(yīng)使用等級(jí)一致，這樣可以獲得較好的配套效果。所選減速機(jī)的許用功率[P]應(yīng)滿足下式：

[P] ≥K×Pn。

其中，K為選擇系數(shù)(一般根據(jù)型號(hào)和使用工況確定在標(biāo)準(zhǔn)、手冊查找)；Pn為電動(dòng)機(jī)額定功率，kW。

2)減速機(jī)的校驗(yàn)(減速機(jī)與卷筒相連)。

a.輸出軸端最大徑向力計(jì)算Fmax。

其中，S為鋼絲繩最大靜拉力,N;ψ2為起升載荷動(dòng)載系數(shù);G為卷筒重力(含鋼絲繩),N;[F]為減速機(jī)輸出軸端允許最大徑向載荷,N。

b.輸出軸最大扭矩計(jì)算Tmax。

基于起升載荷特點(diǎn)，減速機(jī)短暫輸出軸最大扭矩應(yīng)滿足以下公式：

Tmax=ψ2×T≤[T]。

其中，ψ2為起升載荷動(dòng)載系數(shù)；T為鋼絲繩在卷筒上產(chǎn)生的最大靜拉力，N；[T]為減速機(jī)需用短暫最大扭矩(通常由廠家或手冊查出)。

3 塔式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的應(yīng)用

塔式起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)，是塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)中的一個(gè) 關(guān)鍵環(huán)節(jié)，關(guān)系到產(chǎn)品的性能，故在使用上對使用單位和塔司人員提出較高要求，塔司應(yīng)做到持證上崗，對機(jī)械電氣知識(shí)有一定的了解,熟悉產(chǎn)品說明書。

3.1 了解塔式起重機(jī)參數(shù)、分類及工作級(jí)別

使用者應(yīng)按照設(shè)計(jì)制造單位編制的說明書對所使用的的塔式起重機(jī)的使用級(jí)別、機(jī)構(gòu)工作級(jí)別、工作幅度、額定起升重量、最大起重量、獨(dú)立高度等參數(shù)了解和掌握。

3.2 維護(hù)保養(yǎng)

起升機(jī)構(gòu)工作50 h后需要檢查安裝螺栓是否有松動(dòng)。通常減速器首次換油時(shí)限為工作200 h。

首次更換潤滑油后，每工作2 400 h更換潤滑油或取決于應(yīng)用情況，也可一年換一次油。然而，必須每班檢查油面并按規(guī)定添油。

安裝前和每使用一月后，應(yīng)按電機(jī)說明書要求檢查或調(diào)整電磁制動(dòng)器的制動(dòng)氣隙。卷筒尾部軸承座上外側(cè)面有一個(gè)潤滑油嘴，每使用1 200 h后請檢查并視情況加注滿3號(hào)極壓鋰基潤滑脂。

安裝前應(yīng)在滑輪軸上涂抹適當(dāng)?shù)臐櫥?。常檢查滑輪軸上的潤滑脂，根據(jù)實(shí)際使用情況補(bǔ)涂潤滑脂。卷筒軸與減速器的潤滑及磨損情況，如有偏磨或嚴(yán)重磨損則應(yīng)停機(jī)換件。每次檢查后要視情況補(bǔ)充3號(hào)極壓鋰基潤滑脂。

3.3 起升機(jī)構(gòu)的工作環(huán)境

起升機(jī)構(gòu)應(yīng)在規(guī)定的工作環(huán)境下進(jìn)行工作。通常溫度：-20 ℃～+40 ℃，相對濕度不大于90%，機(jī)構(gòu)工作電壓要相對穩(wěn)定，工作電源符合GB/T 5226.32—2017的規(guī)定，起升機(jī)構(gòu)工作噪聲：不大于85 dB，設(shè)備的金屬外殼、導(dǎo)線的金屬保護(hù)管均應(yīng)可靠接地，其接地電阻應(yīng)不大于4 Ω。

4 結(jié)語

通過對塔式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的主要部件的計(jì)算，使塔式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)更加快捷規(guī)范，同時(shí)將起升機(jī)構(gòu)的應(yīng)用融入其中，使設(shè)計(jì)和使用人員更方便的了解和領(lǐng)悟塔式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用的精髓。