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第六章起升机构 6 1起升机构的构造 6 2起升机构的计算 6 3特种起升机构 1 6 1起升机构的构造 一 起升机构的作用 在起重机的四大机构中 由于起升机构是用来实现货物的升降 这是任何起重机不可缺少的部分 因而是起重机中最重要 最基本的机构 它的性能的优劣 将直接影响整台起重机械的工作性能 2 6 1起升机构的构造 二 起升机构的组成 驱动装置 电机 传动装置 联轴器 减速器 浮动轴 卷绕系统 卷筒组 滑轮组 钢丝绳 制动装置 制动器 取物装置 吊钩组 抓斗 电磁吸盘 夹钳等 1 起升机构的工作过程2 起升机构的基本组成 3 6 1起升机构的构造 二 起升机构的组成 安全指示辅助装置 起升高度限位器 双重保护 双向保护 起重量限制器 速度限制器 起重量指示器 排绳装置等 1 起升机构的工作过程2 起升机构的基本组成 起重量限制器 起升高度限位器 4 排绳装置 5 6 1起升机构的构造 三 起升机构的布置形式 1 平行轴线布置 起升机构的典型布置方案通常分为两大类 平行轴线布置和相交轴线布置 其中电动机轴与卷筒轴平行布置方式应用最为广泛 6 6 1起升机构的构造 三 起升机构的布置形式 1 平行轴线布置 7 6 1起升机构的构造 三 起升机构的布置形式 1 平行轴线布置 8 6 1起升机构的构造 三 起升机构的布置形式 1 平行轴线布置 9 6 1起升机构的构造 三 起升机构的布置形式 2 同轴线布置 10 6 1起升机构的构造 三 起升机构的布置形式 2 同轴线布置 11 6 1起升机构的构造 三 起升机构的布置形式 3 垂直轴线布置 12 6 1起升机构的构造 四 起升机构的种类 起升机构的总体布置在很大程度上取决于驱动装置的型式 13 6 1起升机构的构造 五 起升机构高速轴之间的典型传动型式 14 6 1起升机构的构造 五 起升机构的典型传动型式 对起升机构传动型式影响较大的部位 各种方案的主要区别 在于 在电机与减速器高速轴之间 浮动轴 联轴器 制动器 在电机与卷筒轴之间 各种减速器型式 附加开式齿轮 减速器低速轴与卷筒轴之间 直接相连 联轴器 两轴合二为一 15 6 1起升机构的构造 五 起升机构的典型传动型式 1 要求 转速高 传递扭矩小 要具有一定的补偿性能 安全可靠 体积小 转动惯量小 考虑机构良好的传动性能和维修装拆工艺性 起重机机构传动设计中应考虑由于制造安装误差 机架受载变形等引起的联接中心轴线不同心问题 主要补偿轴向 径向和角度方向的位置偏差 一般使用有补偿性能的联轴器和相应构造来实现机构的补偿性 16 6 1起升机构的构造 五 起升机构的典型传动型式 2 电动机型式 一般为三相交流绕线式异步电动机YZR 如有调速要求时 可用带涡流制动器的Y系列电机 电机有单出轴与双出轴之分 双出轴主要用于特殊要求 如双制动时 在无浮动轴时 制动器就要安装在电机两侧或减速器两侧 电机轴有柱形轴端和锥形轴端两种 锥形轴端带有轴向固定装置进行传动件的轴向固定 17 6 1起升机构的构造 五 起升机构高速轴之间的典型传动型式 3 联轴器的种类和特点 为了安装方便与避免高速轴在小车架受载变形时受到弯曲 联轴器应当是带有调位补偿性能的使用 无浮动轴时 有浮动轴时 全齿联轴器弹性柱销联轴器梅花联轴器 半齿联轴器梅花联轴器 18 6 1起升机构的构造 五 起升机构高速轴之间的典型传动型式 3 联轴器的种类和特点 无浮动轴时 有浮动轴时 全齿联轴器弹性柱销联轴器梅花联轴器 半齿联轴器梅花联轴器 全齿联轴器 弹性柱销联轴器 梅花联轴器 19 6 1起升机构的构造 五 起升机构高速轴之间的典型传动型式 3 联轴器的种类和特点 全齿联轴器 外齿齿顶加工成椭圆球面 且有一定的齿侧间隙 对轴向 径向及角度误差都有一定的补偿性能 坚固耐用 应用较少 允许使用的偏差 无径向位移时 轴线偏角 30 无轴线偏角时 径向位移可达0 4 6 3mm 注意 由于全齿联轴器的外壳浮动 因而不能带制动轮 结构复杂 制造困难 不能缓冲减振 寿命与安装质量有关 并且需要经常润滑 不可带制动轮 20 6 1起升机构的构造 五 起升机构高速轴之间的典型传动型式 3 联轴器的种类和特点 全齿联轴器 不可带制动轮 21 6 1起升机构的构造 五 起升机构高速轴之间的典型传动型式 3 联轴器的种类和特点 半齿联轴器 为了弥补全齿联轴器的缺陷和使用浮动轴而制 补偿性能增大 方便安装检修 且使轮压均衡 半齿联轴器必须成对安装且和浮动轴一起使用 方能起到补偿作用 带制动轮的联轴器 补 半齿联轴器与浮动轴 22 6 1起升机构的构造 五 起升机构高速轴之间的典型传动型式 3 联轴器的种类和特点 弹性柱销联轴器 构造简单 弹性较好 能减缓冲击 补偿少量径向偏差 传递扭矩小 但由于弹性橡胶 或皮带 圈 尼龙柱销等弹性件极易损坏 更换困难 寿命不长 可带制动轮 23 6 1起升机构的构造 五 起升机构高速轴之间的典型传动型式 3 联轴器的种类和特点 梅花弹性联轴器 具有补偿两轴相对偏移大 减震 耐磨 缓冲性能好 结构合理 维修方便 零件数量少 适应性强 使用寿命长等特点 中间弹性件可根据使用要求选用各种硬度的聚氨酯橡胶 铸型尼龙弹性体等材料 24 6 1起升机构的构造 五 起升机构高速轴之间的典型传动型式 4 浮动轴的定义 作用及特殊要求 在两个半齿联轴器之间没有外支座的中间轴 除允许径向和角度为两偏移外 由于可沿轴向稍微窜动 故称之为浮动轴 作用及要求 容许较大的安装误差 而且轴愈长允许的安装误差愈大 故浮动轴长度一般不宜过短 否则所起的补偿作用不大 一般长度为1m左右 但不小于500mm 25 6 1起升机构的构造 五 起升机构高速轴之间的典型传动型式 4 浮动轴的定义 作用及特殊要求 缺点 增加了零件数量和增大了转动惯量 因而在起制动时增加了动力矩 26 6 1起升机构的构造 五 起升机构高速轴之间的典型传动型式 3 联轴器的种类和特点 万向联轴器是一种容许两轴间具有大角位移的联轴器 两轴之间的夹角最大可达35度到45度 径向外形尺寸不紧凑 维修方便 传递转矩大 传动效率高 使用寿命长 噪声低 能传递空间两相交轴之间的传动 而且在运转过程可以随时改变两轴的轴间角 27 6 1起升机构的构造 五 起升机构高速轴之间的典型传动型式 5 制动装置 制动器一般都装在高速轴上 高速轴转矩小 以减小其尺寸 经常利用联轴器的一个半体兼作制动轮 且带制动轮的半体应安装在减速器轴上 这样 既可以提高安全度 即使联轴器 浮动轴等出现损坏 制动器仍能起作用 保证了安全 又可以避免浮动轴和联轴器另一半体长时间受载 提高其使用寿命 制动装置的安装位置 一个制动器时 一般装载减速器端 两个制动器时 另一个制动器的安装位置有以下三种 28 6 1起升机构的构造 五 起升机构高速轴之间的典型传动型式 5 制动装置 a 减速器的另一端 安全性高 但需双出轴的减速器 和一个与制动器相匹配的刚性制动轮 另外 对机构的布置也有影响 29 6 1起升机构的构造 五 起升机构高速轴之间的典型传动型式 5 制动装置 b 电动机的另一端 需双出轴电机和刚性制动轮 一般尽量避免 目前也有将盘式制动器装载电机尾部壳体内 制成一个组合部件 带制动器的电动机 从而使机构外形紧凑 美观 但难于维修 30 6 1起升机构的构造 五 起升机构高速轴之间的典型传动型式 5 制动装置 c 浮动轴的另一个联轴器上 简单 部件少 分组性好 但浮动轴和联轴器全成了受力构件 31 6 1起升机构的构造 五 起升机构高速轴之间的典型传动型式 5 制动装置 起升机构的制动器常用块式制动器 与电机联锁 制动器的制动力矩应保证有足够的制动安全系数 在要求紧凑时 也要采用带式制动器的 采用盘式制动器 很有发展前途 32 6 1起升机构的构造 六 起升机构中间环节的典型方案 a 要求 起升机构常采用封闭式的标准两级或三级圆柱齿轮减速器 这样可以使机构作展开式 平行轴线 布置 其特点是 传动效率高 采用标准件 分组性好 符合起重机工作特点 变化载荷较大 结构紧凑 补偿性和分组性好 6 减速装置 33 6 1起升机构的构造 六 起升机构中间环节的典型方案 减速器的壳体用灰铸铁 铸钢壳体 能承受很大的冲击负荷时 油池润滑 软齿面 精度等级为8 8 7 传动比为8 50共9挡 缺点 以前起重机采用的减速器大多是ZQ 圆柱 或ZQH 圆弧圆柱 减速器 是仿照前苏联50年代初的产品 结构简单 材质较差 承载能力低 寿命短 基本参数不甚合理 技术水平落后 但成本低 价格便宜 目前仍较广泛使用 b ZQ ZQH 系列减速器方案 6 减速装置 34 6 1起升机构的构造 六 起升机构中间环节的典型方案 2 ZQ ZQH 系列减速器方案 35 6 1起升机构的构造 六 起升机构中间环节的典型方案 R 二级 S 三级 RS 二级安装形式三级速比 3 三支点式QJR减速器方案 起重机械专用的新型减速器QJR QJRS QJ QJD 技术参数及性能指标有了显著提高和改进 壳体为焊接式 外形美观 自重轻 齿面为硬齿面 硬度大于350HBS 精度等级7 7 7 提高了承载能力和寿命 传动比范围为8 200共14挡 品种增加 适用性增大 油泵润滑 可布置成卧式 立式等 36 6 1起升机构的构造 六 起升机构中间环节的典型方案 3 三支点式QJR减速器方案 37 6 1起升机构的构造 六 起升机构中间环节的典型方案 4 减速器附加开式传动方案 对于大起重量 mQ 80t 的 低速起升要求的起升机构 除减速器外尚需要一级开式齿轮传动 由于开式齿轮传动适于圆周速度较低的情况工作 因此都将其放在靠近卷筒的最后一级传动中 以得到低速并增大卷筒与电机间的 便于布置安装 在这类机构中 电机与减速器之间的联接形式如上相同 38 6 1起升机构的构造 六 起升机构中间环节的典型方案 在要求紧凑的起升机构中 也有采用蜗轮减速器的 其体积小 传动比大且传动平稳 机构紧凑 无噪声 缺点是机械效率低 磨损大 可用在载客电梯中 5 蜗轮减速器方案 39 6 1起升机构的构造 六 起升机构中间环节的典型方案 6 星形齿轮减速器方案 同轴线布置 在同轴线布置的起升机构中 电动机 减速器和卷筒成直线排列 电机和卷筒分别布置在同轴线减速器 通常是3k 摆线 渐开线齿轮的少齿差行星减速器 的两端 或者把减速器 或电机和减速器 布置在卷筒内部 为使机构紧凑和提高组装性能 可采用附装有制动器的凸缘型电机 40 6 2起升机构的计算 一 已知条件和任务 1 已知条件 设计参数 mQ PQ vn H 工作级别以及JC值 起重机的使用场合 具体工作条件以及是否有特殊要求 如高空作业 防爆 防水 2 任务 初步确定起升机构的布置方案 确定起升倍率m 通过计算 选用机构中所需要的标准零部件 电机 制动器 联轴器 钢丝绳 吊钩组等 设计非标件并对其进一步的强度 刚度计算 41 6 2起升机构的计算 二 起升机构的载荷特点和计算工况 单向作用载荷 位能性载荷 起 制动时间较短 动载荷作用时间较短 惯量主要集中在高速部分 系统总惯量较小 动载荷较小 2 计算工况 1 载荷特点 满负荷正常工作时期 不考虑起动动载荷影响 根据起升机构的载荷特点 可将稳定运动时的额定起升载荷作为机构的计算载荷 42 8 2起升机构的计算 二 起升机构的载荷特点和计算工况 高速轴 3 从卷筒到制动轮间的大部分传动件要按第 类载荷进行疲劳计算 即 除电机轴以外的低速轴 MQ 额定起升载荷换算到计算轴上的力矩 43 8 2起升机构的计算 二 起升机构的载荷特点和计算工况 高速轴 除电机轴以外的低速轴 5 电机至制动器间的轴 由于起 制动的影响 扭转应力大体按对称循环变化的 其余大部分传动轴和轮齿上的弯曲应力按脉动循环变化的 4 制动轮至电机间的传动件经常承受电机起动力矩的作用 需要适当考虑相应的动载系数 按 类载荷计算 44 8 2起升机构的计算 三 起升机构的设计步骤 1 钢丝绳的选定 根据使用要求选好钢丝绳的结构型式 钢丝绳最大静拉力计算 P0 式中 吊具的自重 x 绕上卷筒的钢丝绳分支数 z d 滑轮组 z 导向滑轮 d 的效率 对抓斗 电磁铁等的重力应计入PQ内 当H 50m时 起升钢丝绳的重力亦应考虑 45 8 2起升机构的计算 三 起升机构的设计步骤 1 钢丝绳的选定 绳径的计算和选定 a C值法 b 安全系数法 破断拉力法 两种方法实质一样 说明 46 8 2起升机构的计算 三 起升机构的设计步骤 2 卷筒及卷筒组的设计 卷筒尺寸的计算 卷筒强度 稳定性计算 钢丝绳压板的固定计算 卷筒组零部件的设计计算 卷筒的转速 式中 vn 起升速度 m min D0 卷筒的卷 缠 绕直径 m 47 8 2起升机构的计算 三 起升机构的设计步骤 3 滑轮及滑轮组的设计 滑轮直径的确定 包括均衡轮 滑轮构造的设计 滑轮组和定滑轮组零部件的设计计算 钢丝绳偏角的计算及钢丝绳缠绕图 48 8 2起升机构的计算 三 起升机构的设计步骤 4 初选电动机 起升静功率的计算 式中 起升时的总机械效率 t 卷筒的机械效率 采用滚动轴承时 t 0 99 要注意和卷筒的联接型式有关系 此处0 99是指齿轮接手式的联接 ch 传动机构的效率 与传动的型式有关 要注意考虑全部传动链中的影响 如减速器 联轴器 开式传动等 49 8 2起升机构的计算 三 起升机构的设计步骤 4 初选电动机 稳态功率的计算 电动机的初步选用 PJC 在JC值 机构 时的功率 kW 稳态负载平均系数 据电机类型和机构和机构JC值按表选用 G 50 8 2起升机构的计算 三 起升机构的设计步骤 5 减速装置 减速传动比的计算与分配 式中 nd 在额定起升载荷作用下的电机转速 即相当于Pj时的电机转速 或 n0 电机同步转速 YZR系列有1000rpm 750rpm和600rpm三种 51 8 2起升机构的计算 三 起升机构的设计步骤 5 减速装置 减速传动比的计算 Pn nn 电机在JC 值 机构或电机 时的额定功率和额定转速 或 ij 减速器的速比 各种型号的减速器有其规定的速比系列数 ik 开式齿轮的速比 52 8 2起升机构的计算 三 起升机构的设计步骤 5 减速装置 减速器的选用与校核一般根据起升机构的传动比i或ij 输入功率Pj 输入转速nd及机构的JC值 从各标准减速器的承载能力表上已列出的允许输入功率来选定合适的减速器型号 其它如减速器的中心距 轴端型式 装配型式等还应从机构的具体布置要求出发予以仔细地考虑 减速器时的许用功率 选定减速器后 还应用 类载荷校核减速器输出轴的径向载荷和最大力矩是否符合要求 53 8 2起升机构的计算 三 起升机构的设计步骤 5 减速装置 减速器的选用与校核 b 输出轴最大允许径向力 a 输出轴最大允许扭矩 注意 对臂架类型起重机 如未采用卷筒独立支承的方案 则作用在减速器输出轴上的径向力可能很大 这不仅影响该输出轴的强度和寿命 而且对减速器的地脚螺栓 箱盖螺栓以至箱盖均有不利影响 因此 门座起重机起升机构用减速器有时需要专门制作 54 8 2起升机构的计算 三 起升机构的设计步骤 5 减速装置 选定减速器的标注 减速器型号 总中心矩 传动比 代号 装配种类和输出轴型式 55 8 2起升机构的计算 三 起升机构的设计步骤 6 验算起升速度和实际所需的功率 实际所需功率 实际起升速度 56 8 2起升机构的计算 三 起升机构的设计步骤 7 静力矩的计算 换算到电机轴上的静力矩为 起吊额定起升载荷时作用在卷筒轴山的静力矩为 N m N m 下降时作用在电机轴上的静力矩为 N m 下降时总机械效率 无蜗轮传动时 可认为 有蜗轮传动时 57 8 2起升机构的计算 三 起升机构的设计步骤 8 制动力矩和制动器的确定 起升机构制动器根据将起吊的货物维持在悬吊状态并具有一定的安全裕度来选择 即 kzh 制动安全系数 注意 上式中取 下降静力矩 是因为制动时间 支持时 货物是动力 货重用于卷筒上的力矩通过传动机构驱动制动轮转动 其功率流是由低速轴指向高速轴 效率是考虑传动机构的摩擦损失 起减小制动力的作用 说明 支持制动 安全系数减速制动 制动性能 58 8 2起升机构的计算 三 起升机构的设计步骤 8 制动力矩和制动器的确定 制动安全系数规定如下 一般起升机构 通常为M5级及其以下级别 不应低于1 5 吊运液态金属和易燃易爆的化学品及危险品的起升机构 每套驱动装置应装有两个支持制动器 每一个制动器的制动安全系数不低于1 25 对于两套彼此有刚性联系的驱动装置 每套装置应装有两个支持制动器 每一个制动器的制动安全系数不应低于1 1 对于采用行星差动减速器传动 每套驱动装置也应装有两个支持制动器 每一个制动器的制动安全系数不应低于1 75 重要起升机构 通常为M6级及其以上级别 不应低于1 75 具有液压制动作用的液压传动起升机构 制动安全系数不应低于1 25 59 8 2起升机构的计算 三 起升机构的设计步骤 9 联轴器的选用和计算 起重机用联轴器 首先根据工作条件确定选用的型式 再按其所承受的扭矩 被联接轴的轴颈尺寸和转速 从系列表中选定具体型号 使之满足 M 联轴器的许用扭矩 式中 Mi 联轴器传递的计算扭矩 对于齿轮联轴器和梅花联轴器 受疲劳寿命控制 对于柱销联轴器 主要受强度控制 n 联轴器的安全系数 n 1 5 60 8 2起升机构的计算 三 起升机构的设计步骤 10 起 制动时间的计算 起动时间 起动加速度 的验算 电机轴上力矩平衡方程式 机构起动时 电机发出的起动力矩Mq除了克服静阻力矩Mj以外 还应有一部分使运动质量加速的加速力矩MJ MJ愈大 加速的时间愈短 起动时间 惯性力矩 式中 Mq 起动力矩 对电阻器起动 起动力矩是变化的 取其平均值 61 8 2起升机构的计算 三 起升机构的设计步骤 10 起 制动时间的计算 起动时间 起动加速度 的验算 J 起升时换算到电机轴上的总转动惯量 kg m2 Jg 高速轴上旋转质量的转动惯量 包括电机转子的转动惯量Jd与联轴器 制动轮 的转动惯量 系数1 15用以考虑高速轴以外其它回转质量的转动惯量 起动时间应满足 一般tq 0 5 2s 装卸生产tq 3 4s 62 8 2起升机构的计算 三 起升机构的设计步骤 10 起 制动时间的计算 制动时间