桥式起重机运行机构“三合一”减速器选型

2014-07-08白剑波庄伟伟

机械工程师 2014年9期

白剑波，庄伟伟

（南通润邦重机有限公司，江苏南通 226013）

0 引言

在桥式起重机的运行机构设计中，目前常常采用独立的“三合一”减速器空心轴套装方式。所谓“三合一”减速器是指电机、减速器、制动器（制动单元）集成一体；它具有所占空间体积小，安装、拆卸方便等优点。用于桥式起重机运行机构的“三合一”减速器，一般只有K 系列和F 系列。

在选型计算时，每一个“三合一”减速器厂家都有自己的样本参数和选型步骤，其中，涉及到关键的3 个技术参数：1）电机功率；2）减速器的额定功率（额定扭矩）；3）制动单元额定制动力矩。其中减速器的额定功率（额定扭矩）和制动单元的额定制动力矩是由“三合一”减速器厂家自行匹配的，都没有在样本中体现，在样本中体现的是“三合一”减速器的铭牌功率（铭牌扭矩），实际上给出的是电机额定功率；在《起重机设计规范GB3811-2008》和《起重机设计手册-2013》中规定在设计时必须综合考虑电动机、制动器和减速器来选择“三合一”减速器的类型，只根据电机额定功率来选择“三合一”减速器的型号，会给起重机的使用带来许多质量隐患。本文根据多年的设计经验和在实践中遇到的“三合一”减速器的问题，对桥式起重机运行机构“三合一”减速器的选型做了进一步的改进，减少使用时的安全隐患。

1 厂家样本提供的选型方法

生产厂家提供的选型方法中，需要由已知条件计算出“三合一”减速器的输出转速na、电机额定功率Pd和减速器的服务系数fb，计算方法如下：

1）输出转速 na＝V/（3.14D）。（1）式中：na为车轮的输出转速，r/min；V 为运行机构的速度，m/min；D 为车轮的直径，m。

2）电机的额定功率Pd。样本上的电机额定功率Pd有几种算法，各生产厂家略有不同；计算时因起重机的电机工况是一种断续工作值，所以其运行机构电机按S3 工作制来考虑。但国外品牌样本是针对S1 工作制设计的参数，国内品牌没有具体明确，一般都按S3 工作制来考虑。S1 与S3 工作制下的电机功率换算关系见表1。

表1 换算到S3 工作制下的换算系数

3）减速器的服务系数（使用系数）

式中：Pa为减速器的许用功率（额定功率）；Pd为电机的许用功率（额定功率）；Ma为减速器的许用转矩（额定转矩）。

式（2）说明fb是一个大于1 的系数，减速器的许用功率要大于电机的许用功率，实际上“三合一”减速器样本上标示的是减速器的铭牌功率，见表2，减速器的许用功率（额定功率）没有在样本中直接标示，只标示了服务系数，间接地标示出减速器的许用功率。此方法的缺点：按电机的额定功率Pd在样本上初选“三合一”减速器，针对国内品牌样本往往只有个别规格可选，验算还很难达到要求，这是国内“三合一”减速器的硬伤，一般还只能找厂家按非标订货，给起重机主机厂家增加了额外成本。

表2 “三合一”减速器样本参数表

2 《起重机设计规范GB3811-2008》中提供的选型方法

此选型方法中提供了电机的额定功率Pd、减速器的许用功率Pa和许用转矩Ma验算和制动器（制动单元）的实际制动力矩Mz验算的计算方法。

1）电机的额定功率Pd计算方法：

式中：Pj为电机的静功率；Fj为稳态运行阻力（对室内起重机不考虑风阻力，只需考虑摩擦阻力Fm和坡道阻力Fp；kd为增大系数，一个大于1 的系数，对室内使用的桥式起重机推荐取1.1~1.6，速度高取大值，变频控制取小值（对应大车速度30~90 m/min；小车速度20~60 m/min），这个值在大量的实践产品中能经受实践的检验；η 为运行机构的传动效率，对“三合一”减速器，推荐取0.9~0.95；m为电机台数。

式中：Q 为起重量，N；G 为起重机总重或小车总重，N；f 为滚动摩擦因数；μ 为车轮轴承摩擦因数；d 为与轴承相配合处的车轮轴直径，mm；D 为车轮踏面直径，mm；β 为附加摩擦阻力系数，β=1.5。

按计算的Pd值和输出转速na，在“三合一”减速器样本上功率栏初选所需电机。

2）制动器（制动单元）的实际制动力矩Mz验算

式中：

式（9）是前面考虑运行惯性的阻力矩折算到高速轴上的制动力矩；Mz为运行机构总的制动力矩，N·m；D 为车轮踏面直径，m；i 为从电机轴到车轮的机构总传动比；n 为电机额定转速；tz为运行机构制动时间；k 为其它传动件的转动惯量折算到电机轴的影响系数，k=1.05～1.2；mz为制动器的台数；j1为电机转子的转动惯量，一般样本上无显示，需请厂家提供；j2为电机轴上制动轮和联轴器的转动惯量，一般样本上无显示，需请厂家提供；j3为作平移运动的全部质量的惯量折算到电机上的转动惯量，其它未注参数同前所述。

根据式（8）的计算，“三合一”减速器的额定制动力矩（厂家配置制动单元的制动力矩）必须大于Mz，推荐按1.3的安全系数匹配。此方法的缺点：关于减速器的许用功率Pa和许用转矩Ma验算，《起重机设计规范GB3811-2008》的第64～68 页中对减速器只有文字说明，没有计算介绍。

3 《起重机设计手册-2013》中提供的选型方法

此方法中需要计算电机的额定功率Pd、“三合一”减速器的许用功率Pa和许用转矩Ma验算和制动器（制动单元）的实际制动力矩Mz验算,其中各计算方法如下：

1）电机的额定功率Pd计算。电机的额定功率Pd上文Pd计算方法。

2）“三合一”减速器的许用功率Pa和许用转矩Mz验算。

式中：Pja为减速器的计算输入功率，kW；Fg为运行起动时的惯性力，N。

式中：Fj、V、m、η 同前所述。其中φ5为加速动载系数，对室内桥式起重机推荐φ5=1.2～1.5，见《起重机设计手册-2013》和《起重机设计规范GB3811-2008》。

在样本上， Pa=fb×Pd；Ma=fb×Mm。（13）式中，Mm为样本上的转矩。

根据式（10）的计算，减速器的许用功率Pa必须大于减速器的计算输入功率Pja，减速器的许用转矩Ma必须大于减速器的计算输入转矩Mja，减速器的选型才符合要求。

3）制动器（制动单元）的实际制动力矩Mz验算。

制动器（制动单元）的实际制动力矩Mz计算与《起重机设计规范GB3811-2008》中提供的选型方法中制动器（制动单元）的实际制动力矩Mz验算方法相同。

此方法的缺点是：在实践中，针对国外知名品牌减速器，只要Pa＞Pja，一般都不会出现质量问题，但对国内品牌减速器，很可能会有质量问题。这说明国内品牌“三合一”减速器和国外减速器在品质上还有很大的差距，也就是说国内品牌减速器实际服务系数达不到样本上的数值。

4 改进后的方法

根据实践经验的总结，一般对国内品牌减速器选型，推荐按下式的要求操作，会减少“三合一”减速器的质量问题。

对工作级别较高运行机构的“三合一”减速器，减速器的计算输入功率按下式计算，并和式（10）比较取大值。

式中：φ8为刚性动载系数，一般取φ8＝1.2～2.0，对室内桥式起重机推荐φ8＝1.3～1.8，该系数与电机驱动特性和计算零件两侧的转动惯量的比值有关，参见《起重机设计手册-2013》和《起重机设计规范GB3811-2008》；Pn为基准接电持续率时，电动机额定功率，kW；I 为工作级别，I=1～8。

5 计算实例

某100 t 小车运行机构相关参数如下，按国内品牌“三合一”减速器选型。

具体参数：Q 为起重量，100 t；G 为小车总重，17.1 t；f为滚动摩擦因数，0.5；μ 为车轮轴承摩擦因数，0.015；d 为与轴承相配合处的车轮轴直径，110 mm；D 为车轮踏面直径，500 mm；β 为附加摩擦阻力系数，取值1.5；V 为小车运行速度，30 m/min；运行机构效率η=0.94；工作级别A6。

2）电机的额定功率Pd计算。

a.总静阻力计算。