楊佳衛(wèi) 崔益華 肖仕開 朱彤彤

南通潤邦重機(jī)有限公司

1 引言

目前,在移動式港口起重機(jī)上多采用雙起升機(jī)構(gòu)的設(shè)計形式。在使用電動機(jī)驅(qū)動的雙起升機(jī)構(gòu)中,一般會采用2套平行布置的方式,減速機(jī)、電機(jī)、制動器使用公共底座,卷筒使用軸承座,在轉(zhuǎn)臺上需要很大的布局空間,而塔身結(jié)構(gòu)又采用筒體結(jié)構(gòu),在轉(zhuǎn)盤尾部回轉(zhuǎn)半徑確定后,因筒體占用轉(zhuǎn)臺布置空間較多,導(dǎo)致平行布置2臺起升機(jī)構(gòu)絞車后,絞車前后缺少足夠的維修空間。減速機(jī)、制動器、電動機(jī)下端連接座全部采用焊接,并需整體銑削加工或小組件加工后安裝調(diào)整,機(jī)加工量及安裝工作量較大,焊接結(jié)構(gòu)較復(fù)雜;同時將系統(tǒng)測力傳感器設(shè)計在鋼絲繩纏繞系統(tǒng)中,在人字架或塔身后端布置測力滑輪,裝置較冗余,需要額外的維護(hù)成本。

為解決以上問題,在機(jī)構(gòu)選型計算和雙起升機(jī)構(gòu)同步控制不做改變的前提下,將2個起升機(jī)構(gòu)合二為一,共用1個結(jié)構(gòu),減少布局空間,同時對其起升測力傳感器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

2 雙層疊加式起升機(jī)構(gòu)布置

雙層疊加式起升機(jī)構(gòu)布置的設(shè)計形式見圖1,主要包括起升減速機(jī)、電動機(jī)、制動器、卷筒、立板、壓繩裝置、連桿、安全制動器等。在結(jié)合傳統(tǒng)平行起升機(jī)構(gòu)布置的基礎(chǔ)上,采用懸臂安裝起升減速機(jī)和水平法蘭安裝電動機(jī),制動器支座和電動機(jī)支座集成到減速機(jī)上,通過左右立板將兩卷筒疊加在一起,與主結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)鉸接相連,整體結(jié)構(gòu)簡單緊湊。

1.左立板 2.支持繩卷筒1 3.壓繩器 4.連桿 5.開閉繩卷筒2 6.松繩壓繩器 7.右立板 8.減速機(jī)1 9.減速機(jī)2 10.制動器2 11.制動器1 12.電動機(jī)1 13.電動機(jī)2 14.安全制動器圖1 新型雙層疊加式起升機(jī)構(gòu)布置

2.1 整體形式設(shè)計

新型雙層疊加式起升機(jī)構(gòu)使用立板作為主體受力,左右各布置一塊(見圖2),取消原方式布置的卷筒安裝軸承底座,改為在主立板上設(shè)計增加厚板加強(qiáng)圈用于安裝卷筒連接軸承,將雙卷筒通過左右主立板連接為一體,再通過銷軸將下端銷軸孔與轉(zhuǎn)臺主結(jié)構(gòu)支座鉸接連接。同時將高速制動器底座設(shè)在輸入端背面,與減速機(jī)箱體連接,電機(jī)與減速機(jī)通過聯(lián)軸器懸臂式安裝,取消減速機(jī)、電動機(jī)、制動器等與主結(jié)構(gòu)連接的公共底座和卷筒連接軸承座。最后在雙立板之間卷筒前端布置連接拉桿,后端兩卷筒各自布置對應(yīng)的壓繩器結(jié)構(gòu),保證雙層疊加式起升機(jī)構(gòu)整體穩(wěn)定性。

1.卷筒1連接支座 2.卷筒2連接支座 3.轉(zhuǎn)臺連接銷軸孔 4.轉(zhuǎn)臺連接銷軸孔2圖2 立板形式

2.2 起升機(jī)構(gòu)測力傳感器的布置

常規(guī)起重機(jī)的測力傳感器布置位置和類別見表1。

表1 常規(guī)起重機(jī)的測力傳感器布置位置和類別

常規(guī)移動式港口起重機(jī)液壓驅(qū)動起升機(jī)構(gòu)的機(jī)型都直接采用銷軸稱重式傳感器布置在每個起升機(jī)構(gòu)后鉸點(diǎn)上,但針對新型雙層疊加式起升機(jī)構(gòu),因?yàn)楣灿脗?cè)板和銷軸,無法采用此形式布置稱重傳感器,因此測力傳感器的位置需要重新考慮優(yōu)化。減速機(jī)一側(cè)采用懸臂式結(jié)構(gòu)固定,其輸出端通過花鍵和卷筒相連,另一端與固定支座通過測力傳感器和銷軸鉸接,形成扭力臂傳力結(jié)構(gòu)形式。將鋼絲繩的拉力產(chǎn)生的扭矩通過減速機(jī)傳遞到測力傳感器上,測力準(zhǔn)確同時能起到安全保護(hù)作用。測力傳感器安裝位置見圖3。通過理論計算和調(diào)試得出效率因素系數(shù),可以使得測力精度更準(zhǔn)確。

1.測力傳感器1 2.測力傳感器2圖3 測力傳感器布置

3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及疲勞計算

起升機(jī)構(gòu)的減速機(jī)、電機(jī)、制動器的選型按照設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中起升機(jī)構(gòu)的要求進(jìn)行計算,對優(yōu)化后的公共結(jié)構(gòu)主立板進(jìn)行強(qiáng)度計算;且由于該設(shè)備為移動式港口起重機(jī),作業(yè)繁重,因此需對卷筒進(jìn)行疲勞計算,具體分析如下。

3.1 公共主立板的強(qiáng)度計算

以某噸位移動式港口起重機(jī)為例,將絞車結(jié)構(gòu)代入整機(jī)進(jìn)行有限元受力分析計算。將回轉(zhuǎn)支承以上轉(zhuǎn)臺、塔身、臂架、拉桿及絞車結(jié)構(gòu)作為一個整體結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行受力分析(見圖4)。

圖4 整體模型

對該結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,按照在Ⅱ類載荷,臂架在36 m幅度下的工況進(jìn)行分析。經(jīng)有限元分析,新型雙層疊加式起升機(jī)構(gòu)公共主立板結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為62.623 MPa。

結(jié)合整機(jī)計算各類工況,并匯總計算結(jié)果,起升機(jī)構(gòu)公共主立板在各個工況下的應(yīng)力分析結(jié)果見表2。

表2 各個工況下起升結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力

綜上,Ⅰ類工況下最大應(yīng)力為128.83 MPa,Ⅱ類工況下最大應(yīng)力為151.92 MPa,Ⅲ類工況下最大應(yīng)力為169.51 MPa。此機(jī)型起升機(jī)構(gòu)主板零件設(shè)計厚度為40 mm,材質(zhì)為Q355B,根據(jù)相應(yīng)起重機(jī)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)確定要求,按照表3計算許用應(yīng)力,上述各類工況結(jié)果均滿足許用應(yīng)力要求。

表3 許用應(yīng)力計算

3.2 卷筒疲勞強(qiáng)度計算

新型雙層疊加式起升機(jī)構(gòu)在抓斗工況(75 t)下,整機(jī)工作級別為A8(U6/Q4),最大起重循環(huán)次數(shù)為100萬次。抓斗1個工作循環(huán)卷筒平均轉(zhuǎn)25轉(zhuǎn)(按照貨物最大起升高度的1/4行程計算),故卷筒最大循環(huán)次數(shù)為2 500萬次,卷筒疲勞等級為E8(B10/P4),焊縫等級均按照K2考慮。卷筒模型見圖5。

圖5 起升卷筒計算模型

卷筒固定約束區(qū)域?yàn)閮啥溯S承安裝位置,旋轉(zhuǎn)約束位置為端頭減速機(jī)安裝位置。

卷筒載荷即鋼絲繩拉力位于卷筒出繩點(diǎn),雙起升機(jī)構(gòu),抓斗工況下,單個卷筒的載荷為333 kN。

最終抓斗工況下的計算疲勞結(jié)果見表4,抓斗工況(疲勞等級E8,焊縫等級K2),疲勞UC值為0.38,小于1,滿足疲勞要求。

表4 疲勞計算結(jié)果

4 設(shè)計難點(diǎn)

4.1 雙絞車鋼絲繩出繩間距設(shè)計

雙層疊加式起升機(jī)構(gòu)在設(shè)計布置時,既需要考慮雙卷筒四出繩在各工況作業(yè)時不會出現(xiàn)相互干涉,又需要保證起升機(jī)構(gòu)整體盡可能的緊湊,因此在主立板計算滿足要求下,立板上兩卷筒的連接孔按最優(yōu)布置上下左右錯開。同時對兩卷筒中間的光面間距采取不同的設(shè)計,將卷筒最內(nèi)圈的安全固定圈纏繞起始點(diǎn)錯開,一般保證不小于3圈,兩卷筒同一側(cè)出繩間距保證至少大于3倍的鋼絲繩直徑,以使在起重機(jī)工作時兩卷筒鋼絲繩松弛后不會出現(xiàn)相碰現(xiàn)象。

4.2 松繩壓繩器及連桿設(shè)計

起升機(jī)構(gòu)的一些小部件,如松繩壓繩器、連桿、托輥等,需要考慮功能兼并。如:卷筒1壓繩器為常規(guī)起升機(jī)構(gòu)的防脫繩裝置;卷筒2松繩壓繩器含有下壓繩托輥和上壓繩托輥,下壓繩托輥為防脫繩裝置,上壓繩托輥用于檢測鋼絲繩松繩;兩卷筒之間增加1組托輥設(shè)計,以阻擋在開閉斗鋼絲繩松弛到最大限度時卷筒2鋼絲繩與卷筒1相碰。

4.3 安全低速制動器設(shè)計

起升機(jī)構(gòu)整體緊湊,低速制動器體積較大。設(shè)計時將兩卷筒上的安全制動盤左右錯開布置,對應(yīng)的卷筒安全低速制動器布置位置也不同,分別在一卷筒下端和另一卷筒左右端。

5 結(jié)語

通過對移動式港口起重機(jī)雙層疊加式起升機(jī)構(gòu)的布置進(jìn)行研究設(shè)計,解決了轉(zhuǎn)臺在平行布置雙起升機(jī)構(gòu)時維護(hù)空間小的難題;取消了減速機(jī)、制動器、電動機(jī)的焊接支座和卷筒軸承座底座,減少了機(jī)加工的工作量,節(jié)約了制作成本;同時更改了測力傳感器的位置,使得設(shè)備使用過程中系統(tǒng)的測力更準(zhǔn),安全可靠。