白劍波,莊偉偉
(南通潤邦重機(jī)有限公司,江蘇 南通 226013)
在橋式起重機(jī)的運(yùn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中,目前常常采用獨(dú)立的“三合一”減速器空心軸套裝方式。所謂“三合一”減速器是指電機(jī)、減速器、制動(dòng)器(制動(dòng)單元)集成一體;它具有所占空間體積小,安裝、拆卸方便等優(yōu)點(diǎn)。用于橋式起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的“三合一”減速器,一般只有K 系列和F 系列。
在選型計(jì)算時(shí),每一個(gè)“三合一”減速器廠家都有自己的樣本參數(shù)和選型步驟,其中,涉及到關(guān)鍵的3 個(gè)技術(shù)參數(shù):1)電機(jī)功率;2)減速器的額定功率(額定扭矩);3)制動(dòng)單元額定制動(dòng)力矩。其中減速器的額定功率(額定扭矩)和制動(dòng)單元的額定制動(dòng)力矩是由“三合一”減速器廠家自行匹配的,都沒有在樣本中體現(xiàn),在樣本中體現(xiàn)的是“三合一”減速器的銘牌功率(銘牌扭矩),實(shí)際上給出的是電機(jī)額定功率;在《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范GB3811-2008》和《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)-2013》中規(guī)定在設(shè)計(jì)時(shí)必須綜合考慮電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器和減速器來選擇“三合一”減速器的類型,只根據(jù)電機(jī)額定功率來選擇“三合一”減速器的型號(hào),會(huì)給起重機(jī)的使用帶來許多質(zhì)量隱患。本文根據(jù)多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和在實(shí)踐中遇到的“三合一”減速器的問題,對(duì)橋式起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)“三合一”減速器的選型做了進(jìn)一步的改進(jìn),減少使用時(shí)的安全隱患。
生產(chǎn)廠家提供的選型方法中,需要由已知條件計(jì)算出“三合一”減速器的輸出轉(zhuǎn)速na、電機(jī)額定功率Pd和減速器的服務(wù)系數(shù)fb,計(jì)算方法如下:
1)輸出轉(zhuǎn)速 na=V/(3.14D)。 (1)式中:na為車輪的輸出轉(zhuǎn)速,r/min;V 為運(yùn)行機(jī)構(gòu)的速度,m/min;D 為車輪的直徑,m。
2)電機(jī)的額定功率Pd。樣本上的電機(jī)額定功率Pd有幾種算法,各生產(chǎn)廠家略有不同;計(jì)算時(shí)因起重機(jī)的電機(jī)工況是一種斷續(xù)工作值,所以其運(yùn)行機(jī)構(gòu)電機(jī)按S3 工作制來考慮。但國外品牌樣本是針對(duì)S1 工作制設(shè)計(jì)的參數(shù),國內(nèi)品牌沒有具體明確,一般都按S3 工作制來考慮。S1 與S3 工作制下的電機(jī)功率換算關(guān)系見表1。
表1 換算到S3 工作制下的換算系數(shù)
3)減速器的服務(wù)系數(shù)(使用系數(shù))
式中:Pa為減速器的許用功率(額定功率);Pd為電機(jī)的許用功率(額定功率);Ma為減速器的許用轉(zhuǎn)矩(額定轉(zhuǎn)矩)。
式(2)說明fb是一個(gè)大于1 的系數(shù),減速器的許用功率要大于電機(jī)的許用功率,實(shí)際上“三合一”減速器樣本上標(biāo)示的是減速器的銘牌功率,見表2,減速器的許用功率(額定功率)沒有在樣本中直接標(biāo)示,只標(biāo)示了服務(wù)系數(shù),間接地標(biāo)示出減速器的許用功率。此方法的缺點(diǎn):按電機(jī)的額定功率Pd在樣本上初選“三合一”減速器,針對(duì)國內(nèi)品牌樣本往往只有個(gè)別規(guī)格可選,驗(yàn)算還很難達(dá)到要求,這是國內(nèi)“三合一”減速器的硬傷,一般還只能找廠家按非標(biāo)訂貨,給起重機(jī)主機(jī)廠家增加了額外成本。
表2 “三合一”減速器樣本參數(shù)表
此選型方法中提供了電機(jī)的額定功率Pd、減速器的許用功率Pa和許用轉(zhuǎn)矩Ma驗(yàn)算和制動(dòng)器(制動(dòng)單元)的實(shí)際制動(dòng)力矩Mz驗(yàn)算的計(jì)算方法。
1)電機(jī)的額定功率Pd計(jì)算方法:
式中:Pj為電機(jī)的靜功率;Fj為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行阻力(對(duì)室內(nèi)起重機(jī)不考慮風(fēng)阻力,只需考慮摩擦阻力Fm和坡道阻力Fp;kd為增大系數(shù),一個(gè)大于1 的系數(shù),對(duì)室內(nèi)使用的橋式起重機(jī)推薦取1.1~1.6,速度高取大值,變頻控制取小值(對(duì)應(yīng)大車速度30~90 m/min;小車速度20~60 m/min),這個(gè)值在大量的實(shí)踐產(chǎn)品中能經(jīng)受實(shí)踐的檢驗(yàn);η 為運(yùn)行機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率,對(duì)“三合一”減速器,推薦取0.9~0.95;m為電機(jī)臺(tái)數(shù)。
式中:Q 為起重量,N;G 為起重機(jī)總重或小車總重,N;f 為滾動(dòng)摩擦因數(shù);μ 為車輪軸承摩擦因數(shù);d 為與軸承相配合處的車輪軸直徑,mm;D 為車輪踏面直徑,mm;β 為附加摩擦阻力系數(shù),β=1.5。
按計(jì)算的Pd值和輸出轉(zhuǎn)速na,在“三合一”減速器樣本上功率欄初選所需電機(jī)。
2)制動(dòng)器(制動(dòng)單元)的實(shí)際制動(dòng)力矩Mz驗(yàn)算
式中:
式(9)是前面考慮運(yùn)行慣性的阻力矩折算到高速軸上的制動(dòng)力矩;Mz為運(yùn)行機(jī)構(gòu)總的制動(dòng)力矩,N·m;D 為車輪踏面直徑,m;i 為從電機(jī)軸到車輪的機(jī)構(gòu)總傳動(dòng)比;n 為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速;tz為運(yùn)行機(jī)構(gòu)制動(dòng)時(shí)間;k 為其它傳動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到電機(jī)軸的影響系數(shù),k=1.05~1.2;mz為制動(dòng)器的臺(tái)數(shù);j1為電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,一般樣本上無顯示,需請(qǐng)廠家提供;j2為電機(jī)軸上制動(dòng)輪和聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,一般樣本上無顯示,需請(qǐng)廠家提供;j3為作平移運(yùn)動(dòng)的全部質(zhì)量的慣量折算到電機(jī)上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,其它未注參數(shù)同前所述。
根據(jù)式(8)的計(jì)算,“三合一”減速器的額定制動(dòng)力矩(廠家配置制動(dòng)單元的制動(dòng)力矩)必須大于Mz,推薦按1.3的安全系數(shù)匹配。此方法的缺點(diǎn):關(guān)于減速器的許用功率Pa和許用轉(zhuǎn)矩Ma驗(yàn)算,《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范GB3811-2008》的第64~68 頁中對(duì)減速器只有文字說明,沒有計(jì)算介紹。
此方法中需要計(jì)算電機(jī)的額定功率Pd、“三合一”減速器的許用功率Pa和許用轉(zhuǎn)矩Ma驗(yàn)算和制動(dòng)器(制動(dòng)單元)的實(shí)際制動(dòng)力矩Mz驗(yàn)算,其中各計(jì)算方法如下:
1)電機(jī)的額定功率Pd計(jì)算。電機(jī)的額定功率Pd上文Pd計(jì)算方法。
2)“三合一”減速器的許用功率Pa和許用轉(zhuǎn)矩Mz驗(yàn)算。
式中:Pja為減速器的計(jì)算輸入功率,kW;Fg為運(yùn)行起動(dòng)時(shí)的慣性力,N。
式中:Fj、V、m、η 同前所述。其中φ5為加速動(dòng)載系數(shù),對(duì)室內(nèi)橋式起重機(jī)推薦φ5=1.2~1.5,見《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)-2013》和《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范GB3811-2008》。
在樣本上, Pa=fb×Pd;Ma=fb×Mm。 (13)式中,Mm為樣本上的轉(zhuǎn)矩。
根據(jù)式(10)的計(jì)算,減速器的許用功率Pa必須大于減速器的計(jì)算輸入功率Pja,減速器的許用轉(zhuǎn)矩Ma必須大于減速器的計(jì)算輸入轉(zhuǎn)矩Mja,減速器的選型才符合要求。
3)制動(dòng)器(制動(dòng)單元)的實(shí)際制動(dòng)力矩Mz驗(yàn)算。
制動(dòng)器(制動(dòng)單元)的實(shí)際制動(dòng)力矩Mz計(jì)算與《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范GB3811-2008》中提供的選型方法中制動(dòng)器(制動(dòng)單元)的實(shí)際制動(dòng)力矩Mz驗(yàn)算方法相同。
此方法的缺點(diǎn)是:在實(shí)踐中,針對(duì)國外知名品牌減速器,只要Pa>Pja,一般都不會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量問題,但對(duì)國內(nèi)品牌減速器,很可能會(huì)有質(zhì)量問題。這說明國內(nèi)品牌“三合一”減速器和國外減速器在品質(zhì)上還有很大的差距,也就是說國內(nèi)品牌減速器實(shí)際服務(wù)系數(shù)達(dá)不到樣本上的數(shù)值。
根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié),一般對(duì)國內(nèi)品牌減速器選型,推薦按下式的要求操作,會(huì)減少“三合一”減速器的質(zhì)量問題。
對(duì)工作級(jí)別較高運(yùn)行機(jī)構(gòu)的“三合一”減速器,減速器的計(jì)算輸入功率按下式計(jì)算,并和式(10)比較取大值。
式中:φ8為剛性動(dòng)載系數(shù),一般取φ8=1.2~2.0,對(duì)室內(nèi)橋式起重機(jī)推薦φ8=1.3~1.8,該系數(shù)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)特性和計(jì)算零件兩側(cè)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的比值有關(guān),參見《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)-2013》和《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范GB3811-2008》;Pn為基準(zhǔn)接電持續(xù)率時(shí),電動(dòng)機(jī)額定功率,kW;I 為工作級(jí)別,I=1~8。
某100 t 小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)相關(guān)參數(shù)如下,按國內(nèi)品牌“三合一”減速器選型。
具體參數(shù):Q 為起重量,100 t;G 為小車總重,17.1 t;f為滾動(dòng)摩擦因數(shù),0.5;μ 為車輪軸承摩擦因數(shù),0.015;d 為與軸承相配合處的車輪軸直徑,110 mm;D 為車輪踏面直徑,500 mm;β 為附加摩擦阻力系數(shù),取值1.5;V 為小車運(yùn)行速度,30 m/min;運(yùn)行機(jī)構(gòu)效率η=0.94;工作級(jí)別A6。
2)電機(jī)的額定功率Pd計(jì)算。
a.總靜阻力計(jì)算。
運(yùn)行總靜阻力Fj=Fm+Fp=9 310+1 171=10 481 N。
b.電機(jī)的額定功率Pd計(jì)算。
3)“三合一”減速器選型。按一般方法選型,選擇某國內(nèi)品牌“三合一”F 系列減速器,Pd=4 kW;S3 為40%;na=20;fb=1.56;i=73.53;銘牌扭矩Mm=1 950 N·m。
4)“三合一”減速器選型的驗(yàn)算。
a.減速器的計(jì)算輸入功率Pja驗(yàn)算。
取Pja=6.52 kW,Pa=fb×Pd=1.56×4=6.24 kW<Pja=6.52 kW,
選型不符合要求。
改選K 系列:Pd=4kW;S3 為40%;na=20;fb=2.3;i=70.93;銘牌扭矩Mm=1 880 N·m。
b.單臺(tái)制動(dòng)器(制動(dòng)單元)的實(shí)際制動(dòng)力矩Mz驗(yàn)算。
[Mz]>1.3×37.7=49 N·m;“三合一”減速器的額定制動(dòng)力矩必須大于49 N·m。
針對(duì)國內(nèi)品牌的“三合一”減速器選型,必須驗(yàn)算減速器的計(jì)算輸入功率Pja和單臺(tái)制動(dòng)器(制動(dòng)單元)的額定制動(dòng)力矩Mz,推薦按本文介紹驗(yàn)算。并建議“三合一”減速器廠家樣本上增加減速器的許用功率(額定功率)和制動(dòng)單元的額定制動(dòng)力矩Mz一欄。
[1] GB3811-2008 起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].
[2] 張質(zhì)文,王少華,徐格寧.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)-2013[M].2 版.北京:中國鐵道出版社,2003.