起重机升级改造技术研究

刘恩频，俞中建，徐 彬，龚 文

● （上海市特种设备监督检验技术研究院，上海 200333）

起重机升级改造技术研究

刘恩频，俞中建，徐 彬，龚 文

● （上海市特种设备监督检验技术研究院，上海 200333）

以某桥式起重机为例，研究起重机的升级改造技术。将起重机的升级改造分成结构、机构、零部件、电气以及安全装置五大部分，采用校核计算法对电气部分进行了详细分析，首先基于最小安全系数法对钢丝绳进行了校核，再对主起升机构的电动机、制动器以及减速器进行了校核，结果表明电气部分满足升级的要求，为实际的改造提供了理论支持。

起重机；升级改造；校核计算；电气安全装置

0 引言

“十二五”时期是我国战略性新兴产业夯实基础、提升核心竞争力的关键时期。我国综合国力的大幅提升，科技创新能力明显增强，装备制造业、高技术产业和现代服务业的迅速成长，为战略性新兴产业发展提供了良好基础。当前，高端装备制造业正成为国民经济的支柱产业，也是“十二五”时期的重点发展方向。

随着高端装备制造业的迅速发展，原材料重量的提高，大型零部件的不断更新发展，起重机的额定起重量也面临新的挑战。

起重机是一种大型机械设备，其体积大、结构复杂，对金属结构材料和电气部件的要求高，因此其造价也很高。对于普通企业来说，更换一台新的起重机是一项大的投资，势必引起产品成本的提高，导致在价格为主导的市场竞争中优势下降。为了适应产品发展的需要，同时避免成本大幅提高，可在原有起重机的基础上进行升级改造。

本文以QD 180/50t 33m A5桥式起重机为例，研究起重机的升级改造技术。该起重机主钩的额定起重量为180t，副钩的额定起重量为 50t，跨度为 33m，工作级别为A5，按照生产需要，其额定起重量需升级到200t。

1 升级改造的内容和方法

额定起重量是表征起重机作业能力的主要参数之一，是起重机设计、使用、监督检验的基础。额定起重量的提高使起重机的载荷状态发生较大的变化，起重力矩和倾覆力矩增大，因此起重机的升级改造主要包括结构、机构、零部件、电气系统以及安全装置等方面[1]。

升级改造一般采用校核设计的方法，即取升级后的载荷 200t为额定载荷，施加在起重机上，按照最危险工况对结构、机构、零部件、电气以及安全装置进行校核计算，根据校核计算的结果，对满足升级要求的保持原有的设计，而对不满足升级要求的则进行改造，不同的零部件改造方法也不同。

结构部分主要包括主梁、端梁、小车架等，其校核计算的方法常见的有解析计算方法和有限元分析方法两种，具体可见文献[2]。机构部分主要包括起升机构、大车运行机构、小车运行机构等；零部件主要包括卷筒、钢丝绳、大车车轮、小车车轮、定滑轮、动滑轮、制动轮、吊钩以及连接件等，其校核计算的方法见文献[3,4]。安全装置主要包括紧急断电开关、高度限位、行程限位、止档缓冲器、连锁限位、超载限制器等，其检验方法见文献[5,6]。电气部分主要包括起升电机、短路保护、失压保护、零位保护等。本文主要对此电气部分进行校核计算。

2 电气的校核计算

该桥式起重机初始设计的额定起重量为180t，升级改造后的额定起重量Q为200t。由图纸等资料可知，主起升机构的吊具和钢丝绳的自重Q′为7.1t。

则改造后主起升机构的额定载荷T为：

其中，g取9.8N/kg。

在进行主起升机构电气校核计算之前，首先需要校核钢丝绳的强度。此钢丝绳的型号为 32NAT6×19W+FC1870ZS631，采用右交互捻，是一种6股每股19芯，中间为纤维芯的圆股钢丝绳，其公称直径为d为32mm。钢丝绳滑轮组的倍率a为8。整个钢丝绳系统的总传动效率为η为0.91。

钢丝绳最大工作静拉力S：

采用最小安全系数法对钢丝绳进行校核，其安全工作拉力S0为：

式中，S=139394N为钢丝绳最大工作静拉力；ζ=4.5为钢丝绳的最小安全系数。

由 GB 8919-2006知，钢丝绳的公称抗拉强度为1870MPa，最小破断拉力F0为631kN。因为F0>S0，所以钢丝绳最小破断拉力符合设计要求。

改造前主起升机构的电动机型号为YTSZ355L-8，功率为220kW，转速为735r/min。

2.1 过载校核

起升机构电动机的计算额定功率Peq：

式中，H=2.2为系数，与电压损失、最大转矩、起升额定载荷等有关；mq=1为起升电机的数量；λm=2.9为电动机最大转矩倍数；T为额定起升载荷，即2029580N；v为额定起升速度，起升机构的额定参数，由设计图纸可以查出；ηq=η·ηt·ηj为起升机构的总效率，η为钢丝绳系统的效率；ηt为卷筒的效率；ηj为减速器的效率，各系统都是标准件，通过查表可获得对应的参数值。此处：ηq=η·ηt·ηj=0.91×0.97×0.94＝0.83。

由图纸等资料可知，[Peq]=220kW，因此Peq<[Peq]，则起升机构的电动机功率满足要求。

2.2 发热校核

主起升机构电动机的稳态平均功率Ps：

其中，ξ=0.8为稳态负载平均系数，其余参数同上。

因此Ps<[Peq]，则起升机构的电动机发热符合要求。

2.3 制动器

起升机构制动器轴上的计算制动转矩Mz：

式中，Kz=1.5为制动安全系数；η、T、a同上。D1,0为卷筒的卷绕直径，查图纸可知具体值；i为由制动器轴至卷筒轴的总传动比，i=n/nj=48，其中，nj=av/(πD1,0)=15.3r/min （n=735r/min 为 电 机 转 速 ，v=6m/min为额定起升速度）。

由于起升机构制动器的制动力矩为3600N·m，制动器有两个，每个制动器的安全系数为1.25，因此总制动力矩为5760N·m，大于计算制动转矩，故制动器满足制动性能要求。

2.4 减速器

根据文献[3]知，起升载荷系数Ф2：

式中，Ф2min=1.05与起升状态级别相对应的起升动载系数的最小值；β2=0.17为按起升状态级别设定的系数；vq=0.1m/s为稳定起升速度。

起升动载系数Ф6：

疲劳计算的基本载荷Mmax：

式中，Me为主起升机构电机的额定转矩，Me=9550Pe/n=2858.5 N·m，Pe为额定功率，n为转速，具体数值可查设计资料。

工作级别为M5时的功率PM5：

该起重机起升机构的减速器为QJRS-D800，传动比为50，根据标准查出，其输入轴转速为750r/min，输出转矩为170kN·m，最大允许径向载荷为200kN，高速轴的许用功率为248kW。因此，PM5小于其许用功率值。

输出轴的最大径向力Ymax：

式中，Gj为卷筒及轴的自重，由图纸知：Gj=70250N。

由于最大允许径向载荷为200kN，因此，最大径向力Ymax在允许范围内，减速器可满足升级要求。

综上所述，该起重机的钢丝绳和主起升机构的电气部分都可以满足额定载荷升级到 200t的要求，但钢丝绳的最大工作静拉力接近于其最小破断拉力，考虑到工作过程中的动载荷，建议更换钢丝绳。

3 结论

在原有起重机的基础上，提高其额定承载能力，对相关的零部件进行升级改造，可以降低产品的制造成本，有利于在价格为主导的市场竞争中占据优势地位。本文以QD180/50t 33m A5桥式起重机为例，深入研究了起重机的升级改造技术。该起重机的升级改造包括结构、机构、零部件、电气以及安全装置等五大部分，此处详细介绍了电气部分的升级改造方法，通过对主起升机构的钢丝绳、电动机、制动器、减速器等进行校核，结果表明钢丝绳、电动机、制动器以及减速器都可以满足升级的要求，但钢丝绳的最大工作静拉力接近于其最小破断拉力，建议更换。文中的校核计算，为实际的升级改造提供了理论支持。

[1]王小平, 李屹东. MQ10型港口门座起重机起重量升级改造[J]. 起重运输机械, 2010(6): 89-91.

[2]吴峰崎, 许海翔, 俞中建, 等. 铸造起重机升级改造中平衡架的有限元分析[J]. 冶金设备, 2011, 8(4):33-35.

[3]GB/T 3811-2008. 起重机设计规范[S].

[4]王强. 230/90/20t铸造起重机副起升机构升级改造[J].机械工程师, 2011(11): 141-142.

[5]TSG Q7015-2008. 起重机械定期检验规则[S].

[6]TSG Q7016-2008. 起重机械安装改造重大维修监督检验规则[S].

渤船集团388000吨超大型矿砂船4号船交船

1月4日，随着388000吨超大型矿砂船（VLOC）4号船在渤船集团签字交船。至此，渤船集团圆满完成了为百国山有限公司建造的388000吨系列船的建造合同。

该船是渤船集团首次交付的执行PSPC标准的船舶。在建造过程中，渤船集团不断优化生产管理方法及生产工艺流程，进一步加强PSPC标准的学习和落实，切实加大环型总段总组技术的改进力度，积极深化该船建造方式的转变更新。各施工单位在完成好自身工作的同时，全力配合涂装部门的PSPC标准实施工作；综合管理部门相继制定检查、强制执行制度，确保PSPC标准顺利实施；质量管理部门加大从焊接过程到设备安装各个环节的质量巡检力度和有效性，并及时向生产部门、施工单位反馈巡检中发现的质量问题，同时对问题发生情况的统计数据进行汇总，避免重复性问题的发生，将质量问题消灭在施工初期，为各节点计划提前实现提供了保证。

在该系列船的建造过程中，渤船集团按照成型、下水、交船等重大节点，提前策划，做好生产技术准备与现场调度、工艺、施工人员安排及现场文明生产和质量、安全工作，坞内周期、水下周期等纪录不断刷新，人员施工技术、船舶建造质量、施工完整性等逐船提高。该系列2号船坞内搭载总组较1号船缩短68天。3号船施工技术较1、2号船有较大改进，采用五大环形总段建造法实施建造，主体成型周期较2号船缩短21天；整体坞期较2号船缩短30天。相比同型1号船，4号船完成分段制作、报验时间提前了近一个月；较节点计划提前17天实现主体成型；提前2天实现下水节点；系泊试验周期较前船有大幅缩短，较节点计划缩短近一个月。

388000吨系列矿砂船是渤船集团自主研发、拥有自主知识产权，完全满足各种国际规范要求的绿色环保型船舶，且始终保持国内建造完工最大吨位超大型矿砂船纪录。该系列船的成功建造，使渤船集团超大型船舶建造技术、速度及产品质量均得到大幅提升。

Research on Modification and Improvement of a Crane

LIU En-pin, YU Zhong-jian, XU Bin, GONG Wen
(Shanghai Institute of Special Equipment Inspection and Technical Research, Shanghai 200333, China)

Modification and improvement of a crane was studied based on an overheadtype. It was divided into five parts, and they were structure, mechanism, parts, electric system and safety device respectively. Analytical calculation was adopted to analyze the electric system in detail. Firstly, the steel rope was verified by the minimum safe coefficient method, and then motor, braker and gear assembly of primary hoist were computed.The results indicated that the electric system could comply with the demands of improvement, which furnished a theory foundation to practical modification.

crane; modification and improvement; verification; electric system safety device

TH215

A

刘恩频（1962-），男，工程师。研究方向：起重机械电气控制。