基于能耗的桥式起重机起升机构机械传动效率测量与计算

李国斌

（广州番禺职业技术学院机电工程学院　广州　511483）



基于能耗的桥式起重机起升机构机械传动效率测量与计算

李国斌

（广州番禺职业技术学院机电工程学院广州511483）

摘要本文针对一款桥式起重机起升机构设计了减速器功率测量系统，并基于能耗讨论了起升机构中的吊具系统机械效率的计算方法进行了研究，对该型桥式起重机的起升机构能耗与机械效率计算方法进行了讨论；为进一步测量整个起重机的传动机构效率提供了基础。

关键词起重机起升机构能耗传动效率

Bridge Crane Hoisting Mechanism of Mechanical Transmission Efficiency Measurement and Calculation Based on the Energy Consumption

Li Guobin
（Polytechnic Institute of Electrical and Mechanical Engineering Guangzhou 511483）

Abstract A bridge crane hoisting mechanism，this paper designed the speed reducer power measuring system，and based on the energy consumption of lifting mechanism is discussed in the sling system method for calculating the mechanical efficiency was studied，and the type of the bridge crane hoisting mechanism and mechanical energy consumption efficiency calculation method are discussed；To measure the size of the efficiency of the whole crane actuator further provides the basis.

Keywords Crane Lifting mechanism Energy consumption Transmission efficiency

一、引言

起重机在建筑学又称吊车，俗称克令吊或天车，是由缆索或铁链及滑轮等组件组成的机械装置。在货运业中，被用作移动货物；在建造业中，被用作移动大型设备；而在航海科技中，用于升高或者降低物品。通常起重机械由起升机构、运行机构、变幅机构和回转机构，再加上金属机构，动力装置，操纵控制及必要的辅助装置组合而成。起升机构、运行机构、变幅机构和回转机构构成起重机的传动系统，整个传动系统的能量消耗关系到起重机的性能，而起升机构是任何起重机传动系统中必须具备的，是物品获得升降运动的基本组成。研究起升机构的能量消耗是起重机节能研究重要的一部分。

当前对起重机效率测量，主要方法都集中在对起重机各部件的效率测量，中国科学院长春光学精密研究所刘源萍讨论了谐波齿轮传动运动误差理论与测试技术的研究[1]。南京理工大学叶伟则建立了起升机构能耗模型及电功率的测量方法[2]。但电功率法测量仅限于部件动力源来自电能状况下，且只能测量输入功率，而输出功率的测量依旧难以实现。

本文尝试以某型号起重机为研究对象，从起升机构入手，研究各传动部件效率及检测方法。

二、起升机构传动能耗与机械效率

起升机构主要由驱动装置、传动装置、卷筒、滑轮组、取物装置和制动装置组成。此外，还可装设各种辅助装置，如起升高度限位器，力矩限制器，三圈保护等安全装置，驱动装置包括电动机、联轴器、制动器、减速器、卷筒等部件。钢丝绳卷绕系统包括钢丝绳、卷筒、定滑轮和动滑轮。取物装置包括吊钩、吊环、抓斗、电磁吸盘、吊具、挂梁等多种型式。本文所研究的起重机起升机构传动简图如图1所示。

对于传动系统，能耗高低直接决定于机械传动效率，机械效率低下，传动机构能耗则显著增大，反之，传动效率越高，能耗越小。因此可以将传动机构的各个部件联合起来，从系统的角度去研究其机械能传动过程，能耗的检测就转换为了对起重机起升机构机械传动效率的检测，如图2所示。

在电机、减速机、卷筒传动路线中，起重机起升机构均使用了联轴器进行刚性传动，联轴器的传动效率很高，在正常工作、正常润滑情况下，齿轮联轴器的传动效率变化不大甚至几乎没有变化，且对于一般用于桥式起重机的齿轮联轴器正常工作、润滑的情况下能高达0.99。本文为讨论方便，视联轴器传动效率为一定值α，常用的联轴器传动效率如表1所示。

三、齿轮减速器效率检测

起重机的按照使用功能可分为起升、运行、回转和变幅四大机构，这四大机构设计过程都离不开减速器的使用，减速器在电机和卷筒之间起匹配转速和传递转矩的作用。目前常用的起重机减速器按齿面硬度分软齿面、中硬齿面和硬齿面齿轮减速器[6]，其中以QJ系列减速器在桥式起重机上最为常用，本起重机采用QJR型单级齿轮减速器。

为能在减速器工作情况下对减速器效率进行测量，设计了一种功率测量仪，测量仪一路采用应变片作为传感元件，直接粘贴在减速器的高速轴和低速轴上，组成惠斯通电桥。减速器在工作时，由于需要传递扭矩，从而导致工作轴发生微变形，在电桥间产生应变电压，经电路放大后，调制解调为数字信号。同时一路采用光电式转速传感器，经调制解调模块放大电路及信号整理、分频处理，与扭矩信号成组打包，两路信号通过无线传输输入到微计算机经软件系统编译显示并储存，测量仪系统框架如图3所示：

四、吊具系统效率研究

桥式起重机吊具系统通常由卷筒、钢丝卷绳、吊钩、滑轮组成，在传动系统中相互作用，作为单个传动机构结构简单，测量机械效率难度很大且没有必要。完全可将吊具系统其各部分考虑为一个串行的传动系统，研究其整体效率。

由图1、2可看出，吊具系统的输入功来自减速器的低速轴端，即吊具系统的输入功率= PJo×ηL，其中，ηL为连接低速轴端的联轴器的效率，假设为一常量，PJOi为减速器的输出功率。吊具的最终输出功率则体现在提升重物的这一过程。由图四可看出，在重物提升过程功率：

其中F为拉力，V为载荷速度，为90度，θ为拉力与速度矢量方向夹角。当竖直提升时，θ为90度

如图5钢丝绳受力图所示，此时在桥式起重机钢丝绳上安装力传感器并根据钢丝绳与地面夹角，最终得出起重机竖直提升时的输出功率PD，由于：

公式（3）中，N为张力传感器个数；T为张力传感器测量值；V为起重机提升竖直速度。夹角θ随着重物上升会逐渐变大，但由于其变化很小，为方便计算，认为θ是恒定的已知量。

若提升时间为t0，减速器功率测量系统数据采集频率为f1，扭矩与转速相邻两个数值时间间隔为Δt1，张力传感器与速度传感器数据采集频率为f2，拉力与速度两个相邻数值之间的时间间隔为Δt2，

则：

可得吊具系统的输入功率：

吊具系统的输出功率

结合减速器功率公式及式（5）、（6）得到吊具系统效率

五、结论

本文通过计算桥式起重机起升机构各部分的能耗，研究和推导了起升机构中吊具系统机械传动效率的测量与计算方法，并设计了一款减速器功率测量系统，能够对传动机构起升机构的机械传动效率进行测量并计算。为进一步研究整个桥式起重机机械结构效率提供了基础。

参考文献

[1]刘源萍.谐波齿轮传动运动误差理论与测试技术的研究[J].光学精密工程，2003，28（5）：165-175.

[2]程文明，李亚民，张则强.桥式起重机与门式起重机轻量化设计的关键要素[J].中国工程机械学报，2012（01）：56-57.

[3]王海波，刘凤之，王孝娣，等.我国果园机械研发与应用概述[J].果树学报，2013（01）：34-35.

[4]郭建瑞，张彪.联轴器系列设计方法探讨[J].机械设计，2005（07）：78-79.

[5] Chen Zhimei，Meng Wenjun，et al.Intelligent Anti-swing Control for Bridge Crane [J].Journal of Central South University，2012，19（10）：2774-2775.

[6]钱作勤，厉海祥.硬齿面点线啮合齿轮传动的试验研究[J].武汉船舶职业技术学院学报，2011（01）：98-99.

李国斌：男（1962.10~），江西宜春，汉，硕士，副教授，广州番禺职业技术学院机电工程学院。从事传动机构研究。

作者简介

中图分类号TH215

文献标识码A

文章编号150619-7035