白劍波，莊偉偉

（南通潤邦重機有限公司，江蘇 南通 226013）

0 引 言

在橋式起重機的運行機構(gòu)設(shè)計中，目前常常采用獨立的“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、減速器、制動器（制動單元）集成一體；它具有所占空間體積小，安裝、拆卸方便等優(yōu)點。用于橋式起重機運行機構(gòu)的“三合一”減速器，一般只有K 系列和F 系列。

在選型計算時，每一個“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 個技術(shù)參數(shù)：1）電機功率；2）減速器的額定功率（額定扭矩）；3）制動單元額定制動力矩。其中減速器的額定功率（額定扭矩）和制動單元的額定制動力矩是由“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），實際上給出的是電機額定功率；在《起重機設(shè)計規(guī)范GB3811-2008》和《起重機設(shè)計手冊-2013》中規(guī)定在設(shè)計時必須綜合考慮電動機、制動器和減速器來選擇“三合一”減速器的類型，只根據(jù)電機額定功率來選擇“三合一”減速器的型號，會給起重機的使用帶來許多質(zhì)量隱患。本文根據(jù)多年的設(shè)計經(jīng)驗和在實踐中遇到的“三合一”減速器的問題，對橋式起重機運行機構(gòu)“三合一”減速器的選型做了進一步的改進，減少使用時的安全隱患。

1 廠家樣本提供的選型方法

生產(chǎn)廠家提供的選型方法中，需要由已知條件計算出“三合一”減速器的輸出轉(zhuǎn)速na、電機額定功率Pd和減速器的服務(wù)系數(shù)fb，計算方法如下：

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 為運行機構(gòu)的速度，m/min；D 為車輪的直徑，m。

2）電機的額定功率Pd。樣本上的電機額定功率Pd有幾種算法，各生產(chǎn)廠家略有不同；計算時因起重機的電機工況是一種斷續(xù)工作值，所以其運行機構(gòu)電機按S3 工作制來考慮。但國外品牌樣本是針對S1 工作制設(shè)計的參數(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是一個大于1 的系數(shù)，減速器的許用功率要大于電機的許用功率，實際上“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：按電機的額定功率Pd在樣本上初選“三合一”減速器，針對國內(nèi)品牌樣本往往只有個別規(guī)格可選，驗算還很難達到要求，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，給起重機主機廠家增加了額外成本。

表2 “三合一”減速器樣本參數(shù)表

2 《起重機設(shè)計規(guī)范GB3811-2008》中提供的選型方法

此選型方法中提供了電機的額定功率Pd、減速器的許用功率Pa和許用轉(zhuǎn)矩Ma驗算和制動器（制動單元）的實際制動力矩Mz驗算的計算方法。

1）電機的額定功率Pd計算方法：

式中：Pj為電機的靜功率；Fj為穩(wěn)態(tài)運行阻力（對室內(nèi)起重機不考慮風(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)，一個大于1 的系數(shù)，對室內(nèi)使用的橋式起重機推薦取1.1~1.6，速度高取大值，變頻控制取小值（對應(yīng)大車速度30~90 m/min；小車速度20~60 m/min），這個值在大量的實踐產(chǎn)品中能經(jīng)受實踐的檢驗；η 為運行機構(gòu)的傳動效率，對“三合一”減速器，推薦取0.9~0.95；m為電機臺數(shù)。

式中：Q 為起重量，N；G 為起重機總重或小車總重，N；f 為滾動摩擦因數(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。

2）制動器（制動單元）的實際制動力矩Mz驗算

式中：

式（9）是前面考慮運行慣性的阻力矩折算到高速軸上的制動力矩；Mz為運行機構(gòu)總的制動力矩，N·m；D 為車輪踏面直徑，m；i 為從電機軸到車輪的機構(gòu)總傳動比；n 為電機額定轉(zhuǎn)速；tz為運行機構(gòu)制動時間；k 為其它傳動件的轉(zhuǎn)動慣量折算到電機軸的影響系數(shù)，k=1.05～1.2；mz為制動器的臺數(shù)；j1為電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，一般樣本上無顯示，需請廠家提供；j2為電機軸上制動輪和聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量，一般樣本上無顯示，需請廠家提供；j3為作平移運動的全部質(zhì)量的慣量折算到電機上的轉(zhuǎn)動慣量，其它未注參數(shù)同前所述。

根據(jù)式（8）的計算，“三合一”減速器的額定制動力矩（廠家配置制動單元的制動力矩）必須大于Mz，推薦按1.3的安全系數(shù)匹配。此方法的缺點：關(guān)于減速器的許用功率Pa和許用轉(zhuǎn)矩Ma驗算，《起重機設(shè)計規(guī)范GB3811-2008》的第64～68 頁中對減速器只有文字說明，沒有計算介紹。

3 《起重機設(shè)計手冊-2013》中提供的選型方法

此方法中需要計算電機的額定功率Pd、“三合一”減速器的許用功率Pa和許用轉(zhuǎn)矩Ma驗算和制動器（制動單元）的實際制動力矩Mz驗算,其中各計算方法如下：

1）電機的額定功率Pd計算。電機的額定功率Pd上文Pd計算方法。

2）“三合一”減速器的許用功率Pa和許用轉(zhuǎn)矩Mz驗算。

式中：Pja為減速器的計算輸入功率，kW；Fg為運行起動時的慣性力，N。

式中：Fj、V、m、η 同前所述。其中φ5為加速動載系數(shù)，對室內(nèi)橋式起重機推薦φ5=1.2～1.5，見《起重機設(shè)計手冊-2013》和《起重機設(shè)計規(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）的計算，減速器的許用功率Pa必須大于減速器的計算輸入功率Pja，減速器的許用轉(zhuǎn)矩Ma必須大于減速器的計算輸入轉(zhuǎn)矩Mja，減速器的選型才符合要求。

3）制動器（制動單元）的實際制動力矩Mz驗算。

制動器（制動單元）的實際制動力矩Mz計算與《起重機設(shè)計規(guī)范GB3811-2008》中提供的選型方法中制動器（制動單元）的實際制動力矩Mz驗算方法相同。

此方法的缺點是：在實踐中，針對國外知名品牌減速器，只要Pa＞Pja，一般都不會出現(xiàn)質(zhì)量問題，但對國內(nèi)品牌減速器，很可能會有質(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)品牌減速器實際服務(wù)系數(shù)達不到樣本上的數(shù)值。

4 改進后的方法

根據(jù)實踐經(jīng)驗的總結(jié)，一般對國內(nèi)品牌減速器選型，推薦按下式的要求操作，會減少“三合一”減速器的質(zhì)量問題。

對工作級別較高運行機構(gòu)的“三合一”減速器，減速器的計算輸入功率按下式計算，并和式（10）比較取大值。

式中：φ8為剛性動載系數(shù)，一般取φ8＝1.2～2.0，對室內(nèi)橋式起重機推薦φ8＝1.3～1.8，該系數(shù)與電機驅(qū)動特性和計算零件兩側(cè)的轉(zhuǎn)動慣量的比值有關(guān)，參見《起重機設(shè)計手冊-2013》和《起重機設(shè)計規(guī)范GB3811-2008》；Pn為基準接電持續(xù)率時，電動機額定功率，kW；I 為工作級別，I=1～8。

5 計算實例

某100 t 小車運行機構(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 為小車運行速度，30 m/min；運行機構(gòu)效率η=0.94；工作級別A6。

2）電機的額定功率Pd計算。

a.總靜阻力計算。

運行總靜阻力Fj=Fm+Fp=9 310+1 171=10 481 N。

b.電機的額定功率Pd計算。

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”減速器選型的驗算。

a.減速器的計算輸入功率Pja驗算。

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.單臺制動器（制動單元）的實際制動力矩Mz驗算。

［Mz］＞1.3×37.7=49 N·m；“三合一”減速器的額定制動力矩必須大于49 N·m。

6 結(jié) 論

針對國內(nèi)品牌的“三合一”減速器選型，必須驗算減速器的計算輸入功率Pja和單臺制動器（制動單元）的額定制動力矩Mz，推薦按本文介紹驗算。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）和制動單元的額定制動力矩Mz一欄。

［1］ GB3811-2008 起重機設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］ 張質(zhì)文，王少華，徐格寧.起重機設(shè)計手冊-2013［M］.2 版.北京：中國鐵道出版社，2003.