起重机工作机构安全技术

第五章起重机工作机构安全技术第一节起升机构第一单元起升机构的组成与工作原理第二单元起升机构安全设计计算第二节运行机构第一单元运行机构的组成第二单元轨道式运行机构的类型第三单元轨道式运行机构的计算第三节旋转机构第一单元旋转机构的组成型式第二单元旋转支承装置的载荷第三单元旋转支承装置的连接计算第四单元旋转机构的驱动装置第四节变幅机构第一单元变幅机构的分类第二单元变幅机构的变幅阻力第三单元变幅驱动机构的计算原则起升机构的组成与工作原理起升机构用来实现物料垂直升降，是任何起重机不可缺少的部分，因而是起重机最主要、也是最基本的机构。起升机构的安全状态，是防止起重事故的关键，将直接地关系到起重作业的安全。1．起升机构组成起升机机构由驱动装置、传动装置、卷绕系统、取物装置、制动器及其他安全装置等组成，不同种类的起重机需配备不同的取物装置，其驱动装置亦有不同，但布置方式基本上相同。典型起升机构平面布置见图8-1。图8-1起升机构传动简图1-电动机2-联轴器3-制动器4-减速器5-联轴器6-卷筒7-钢丝绳8-吊钩滑轮组9-上升极限位置限制器起重量超过10t时，常设两个起升机构：主起升机构（大起重量）与副起升机构（小起重量）。一般情况下两个机构可分别工作，特殊情况下也可协同工作。副钩起重量一般取主钩起重量的20%--30%；（1）驱动装置。大多数起重机采用电动机驱动，布置、安装和检修都很方便。流动式起重机（如汽车起重机、轮胎起重机等）以内燃机为原动力，传动与操纵系统比较复杂。（2）传动装置。包括减速器、联轴器和传动轴。减速器常用封闭式的卧式标准两级或三级圆柱齿轮减速器，起重量较大者有时增加一对开式齿轮以获得低速大力矩。为补偿吊载后小车架的弹性变形给机构工作可靠性带来的影响，通常采用有补偿性能的弹性柱销联轴器或齿轮联轴器，有些起升机构还采用浮动轴（也称补偿轴）来提高补偿能力、方便布置并降低磨损。（3）卷绕系统。它指的是卷筒和钢丝绳滑轮组。桥架类型起重机采用双联滑轮组，单联滑轮组一般用于臂架类型起重机。（4）取物装置。它是根据被吊物料的种类、形态不同，采用不同种类的取物装置。取物装置种类繁多，使用量最大的是吊钩。（5）制动器及安全装置。制动器既是机构工作的控制装置，又是安全装置，因此是安全检查的重点。起升机构的制动器必须是常闭式的。电动机驱动的起重机常用块式制动器，流动式起重机采用带式制动器，近几年采用了盘式制动器。一般起重机的起升机构只装配一个制动器，通常装在高速轴上（也有装在与卷筒相连的低速轴上）；吊运炽热金属或其他危险品，以及发生事故可能造成重大危险或损失的起升机构，每套独立的驱动装置都要装设两套支持制动器。制动器经常利用联轴器的一个半体兼作制动轮，即使联轴器损坏，制动器仍能起安全保护作用。此外，起升机构还配备起重量限制器、上升极限位置限制器、排绳器等安全装置。2．起升机构的工作原理电动机通过联轴器（和传动轴）与减速器的高速轴相连，减速器的低速轴带动卷筒，吊钩等取物装置与卷绕在卷筒上的省力钢丝绳滑轮组连接起来。当电动机正反两个方向的运动传递给卷筒时，通过卷筒不同方向的旋转将钢丝绳卷入或放出，从而使吊钩与吊挂在其上的物料实现升降运动，这样，将电动机输入的旋转运动转化为吊钩的垂直上下的直线运动。常闭式制动器在通电时松闸，使机构运转；在失电情况下制动，使吊钩连同货物停止升降，并在指定位置上保持静止状态。当滑轮组升到最高极限位置时，上升极限位置限制器被触碰面动作，使吊钩停止上升。当吊载接近额定起重量时，起重量限制器及时检测出来，并给予显示，同时发出警示信号，一旦超过额定值及时切断电源，使起升机构停止运行，以保证安全。起升机构安全设计计算1．概述（1）起升机构的设计计算过程。首先选择设计参数，确定布置方案，通过计算选用标准零部件（如电动机、制动器、减速器、联轴器与钢丝绳等），对非标准零部件做强度、刚度等计算，最后进行必要的验算。（2）起升机构计算载荷特点是：①物品起升或下降时，在驱动机构上由钢丝绳拉力产生的力矩单向作用且方向不变；②物品悬挂系统由挠性钢丝绳所组成，由物品惯性引起的附加力矩对机构影响不大；③机构启动或制动时间同稳定运动时间相比是短暂的。因此，可将稳定运动时的起升载荷作为机构的计算载荷。（3）设计参数。额定起重量Gn、起升高度H、起升速度Vn和工作级别，以及某些特殊要求，例如，起重机的使用场合、具体工作环境（如温度、是否有化学腐蚀）、防爆要求等。2．计算步骤（1）吊钩与滑轮组：①根据起重量选择吊钩；②确定滑轮组倍率m和效率脱。（2）选择钢丝绳：①计算钢丝绳所承受的最大静拉力（即钢丝绳分支的最大静拉力）为：式中:PQ--额定起升载荷，指所有起升质量的重力，包括允许起升的最大有效物品、取物装置（如下滑轮组吊钩、吊梁、抓斗、容器、起重电磁铁等）、悬挂挠性件以及其他在升降中的设备的质量的重力；Z--绕上卷筒的钢丝绳分支数，单联滑轮组Z=1，双联滑轮组Z=2；m--滑轮组倍率；ηh--滑轮组的机械效率。②计算钢丝绳破断拉力为：式中:n--安全系数，根据机构工作级别查表确定；a--钢丝绳折减系数，根据钢丝绳型号查相关手册。从钢丝绳产品样本中选用钢丝绳直径d，其破断拉力总和Smax必须满足要求。写出钢丝绳的完整型号标记。③验算滑轮组直径：式中:D0min--按钢丝绳中心计算的滑轮和卷筒的允许的最小卷绕直径，mm；d--钢丝绳直径，mm；h2--滑轮直径与钢丝绳直径的比值。（3）卷筒的尺寸与转速①卷筒的直径为：式中:D0--按钢丝绳中心计算的卷筒的允许的最小卷绕直径，mm；h1--滑轮直径与钢丝绳直径的比值。②卷筒的转速为：式中:nt--卷筒转速，r/min；vq--额定起升速度，m/min。（4）起升静功率为：式中:Pj--起升静功率，kw；PQ--起升载荷，N；vq--额定起升速度，m/min；η--起升时的总机械效率；ηt--卷筒的机械效率；ηc--减速器的机械效率；ηh--滑轮组的机械效率。（5）选电动机：①初选电动机。确定电动机容量的原则是，既要考虑满足起升载荷所需要的足够启动力矩，又不能由于容量过大，使启动过猛，而产生较大的惯性载荷；还要考虑防止容量不足，使电动机过热损坏。由于起重机在作业期间并不总是处于满载状态，启、制动时间与稳定运行时间相比是短的，按机构的静功率和接电持续率初选电动机，然后校验过载和发热。式中:PJc--电动机在JC值时功率，kw；G--稳态负载平均系数（见表8-1）。电动机型号YZRJZ接电持续率JC/%15254060G0.7～0.750.8～0.850.9～0.9510.9接电持续率JC值亦称负载持续率，它表示在一个工作周期中负载（即通电）所持续的时间百分比，按下式计算：②电动机的过载校验：式中:Pn--基准接电持续率时，电动机额定功率，kw；λM--基准接电持续率时，电动机转矩允许过载倍数；H--系数；按电压有损失、最大转矩或堵转转矩有允差、起升1.25倍额定载荷等条件确定，绕线型异步电动机取H＝2.1；笼型异步电动机取H＝2.2；直流电动机取H＝1.4。（6）减速器。减速器传动比：因为所以式中:nd--在额定起升载荷作用下的电动机转速，即相当于Pj时的转速，r/min；nt--卷筒转速，r/min；vq--起升速度，m/min。起升机构减速器功率按起升静功率Pj计算。根据Pj，i，nd，机构工作级别，从标准减速器系列中选用合适的减速器型号。（7）计算静力矩。①作用在卷筒轴上的静力矩：式中:Mt--卷筒轴静力矩，N·m；m--滑轮组倍率；ηt--卷筒的机械效率；ηh--滑轮组的机械效率。②作用在电动机轴上的静力矩：式中:Mj--电动机轴静力矩，N·m；η--起升时的总机械效率。③下降时作用在电动机轴上的静力矩：式中:M'j--下降时电动机轴静力矩，N·m。（8）制动器的选用。制动器的制动力矩必须大于由吊载产生的静力矩，并具有足够的安全裕度：式中:K--制动安全系数。根据所需制动力矩选取所需类型的标准制动器的规格，并可依据使用要求将制动力矩调整到所需的数值。（9）启动、制动时间的验算。初选电动机和制动器的计算都是根据机构稳定运动状态时的静力计算，而起升机构周期性频繁启、制动的工作特点，使机构经常作变速运动并受到惯性力的作用。必须把启、制动时间控制在合理的范围内，从而控制因加速度太大对金属结构和机械带来很大的动力载荷。①启动时间验算。机构启动时，电动机的启动力矩使原来静止的质量开始运动，一部分克服静阻力矩；另一部分使运动质量（包括转动质量和直线运动质量）加速。启动力矩为：启动时间为：式中:Mj--静力矩，即稳定运动时的阻力矩，N·m；Mq--启动力矩，N·m。计算时取其平均值，推荐的平均启动力矩（见表8－2）；Mg--在加速过程中运动质量（包括转动质量和直线运动质量）引起的惯性力矩，N·m；[J]--起升时换算到电动机轴上的总转动惯量，N·m2；Jg--高速轴上旋转质量的转动惯量，包括电动机转子的转动惯量与高速轴上联轴器和制动轮的转动惯量，N·m2。若采用飞轮矩GD2,则按GD2/4换算；tq--启动时间，s；1.15--考虑高速轴以外其他旋转质量的转动惯量。电动机类型交流电动机直流电动机绕线式笼式并激串激复激平均启动力矩（1.6～1.8)Mn(0.8～0.9)Mmax(1.7～1.8)Mn(1.8～2.0)Mn(1.8～1.9)Mn表8－2电动机平启起动力矩对于一般起升速度不太大的起重机，tq≈0.5-2s；对于起升速度大于0.5m/s的装卸起重机，tq≈3-4S。起重量小的起重机，启动时间应短些，起重量大的可稍长些。可根据平均加（减）速度ap判断启动时间是否合适：作为精密安装、吊运熔化金属或危险品时，要求运动平稳取小值，ap≈0.lm/s2；一般车间、仓储用起重机，ap0.2m/s2；高生产率起重机对平稳性无严格要求时可取较大值，ap≈0.5～0.8m/s2。②制动时间。通常是按下降时的制动时间计算：式中:n'd--额定起升载荷下降时电动机的转速，r/min。无特殊要求时，通常制动时间取tz≈tq。运行机构的组成运行机构是使起重机或起重小车作水平直线运动的机构。工作性运行机构主要用于水平运移物品，非工作性运行机构只是用来调整起重机（小车）的工作位置。在专门铺设的轨道上运行的称为有轨运行机构，其突出特点是负载大，运行阻力小，但作业范围受轨道限制；无轨运行机构采用轮胎或履带，可以在普通道路上行走，其良好的机动性扩大了起重作业的选择范围。本节以轨道式运行机构为主，介绍运行机构安全技术。起重机运行机构由驱动装置、运行支承装置和安全装置组成。1．运行驱动装置运行驱动装置包括原动机、传动装置（传动轴、联轴器和减速器等）和制动器。大多数运行机构采用电动机，流动式起重机则为内燃机，有的铁路起重机使用蒸汽机。自行式运行机构的驱动装置全部设置在运行部分上，驱动力主要来自主动车轮或履带与轨道或地面的附着力。牵引式运行机构采用外置式驱动装置，通过钢丝绳牵引运行部分，因此可以沿坡度较大轨道运行，并获得较大的运行速度。2．运行支承装置轨道式起重机和小车的运行支承装置主要是钢制车轮组与轨道。车轮以踏面与轨道顶面接触并承受轮压。大车运行机构多采用铁路钢轨，当轮压较大时采用起重机专用钢轨。小车运行机构的钢轨采用方钢或扁钢，直接铺设在金属结构上。车轮组由车轮、轴与轴承箱等组成。为防止车轮脱轨而带有轮缘，以承受起重机的侧向力。车轮的轮缘有双轮缘、单轮缘及无轮缘三种（见图8－2）。一般起重机大车主要采用双轮缘车轮，一些重型起重机，除采用双轮缘车轮外还要加装水平轮，以减轻起重机歪斜运行时轮缘与轨道侧面的接触磨损。轨距较小的起重机或起重小车广泛采用单轮缘车轮（轮缘在起重机轨道外侧）。如果有导向装置，可以使用无轮缘车轮。在大型起重机中，为了降低车轮的压力，提高传动件和支承件的通用化程度，便于装配和维修，常采用带有平衡梁的车轮组。无轨式起重机运行支承装置是轮胎或履带装置。图8-2车轮型式(a)双轮缘(b)单轮缘(c)无轮缘单主梁门式起重机的小车运