桥(门)式起重机起升机构高速浮动轴设计

张 科

(中铁十六局集团北京建功机械有限公司，北京 101500)

桥(门)式起重机起升机构的电动机与减速器采用一中间轴，轴的一端与半齿联轴器连接，另一端与带制动轮的半齿联轴器连接。像这种在两个半齿联轴器之间没有外支座的中间轴，除允许径向和角度有微量偏移外，由于可沿轴向稍微窜动，因此，称它为浮动轴，又因为其连接的部位为减速器高速轴一侧，故也称为高速浮动轴。

1 高速浮动轴的优点

高速浮动轴连接比利用弹性柱销联轴器或全齿联轴器有如下优点：(1)容许较大的安装误差，而且轴愈长允许的安装误差愈大，故浮动轴长度一般不宜过短(一般不小于500 mm)，否则所起的补偿作用不大。(2)由于有足够的维修操作空间，便于拆卸和更换零件。(3)由小车的自重引起轮压分布均匀。

2 高速浮动轴的设计计算

2.1 基本设计参数

本文以MG45/15 t-26.5 m门式起重机的主起升机构为例计算设计计算分析，其基本设计参数为：

(1)电动机YZP355L1-10/110 KW(电动机额定力矩Me=1 786.6 N·m)；

(2)起升工作速度11 m/min。

2.2 高速浮动轴疲劳计算

起升机构疲劳计算基本载荷，见式(1)。

Mlmax=φ6×Me=1.065×1 786.6=1 902 N·m

(1)

式中：MImax-起升机构疲劳计算基本载荷，N·m；φ6-动载系数，见式(2)；Me-电动机额定力矩，已知为1 786.6 N·m。

φ6=0.5×(1+φ2)=0.5×(1+1.13)=1.065

(2)

φ2-起升载荷动载系数，见式(3)。

(3)

式中：v-设计起升速度，已知为11 m/min。

高速浮动轴受到的扭转应力，见式(4)。

(4)

式中：τn-高速浮动轴受到的扭转应力， MPa；MImax-起升机构疲劳计算基本载荷，已知为1 902.7 N·m；W-设计的高速浮动轴的弯矩m3，见式(5)。

W=0.2d3=0.2×0.093=0.000 145 8 m3

(5)

式中：d-高速浮动轴计算直径，设计为外径100 mm，与联轴器连接处直径为90 mm，故计算直径为0.09 m。

高速浮动轴的材质选用45#钢，查表2-1-7可知σb=600 MPa、σs=355 MPa，由此可计算出钢材的抗弯曲强度，见式(6)。

σ-1=0.27×(σb+σs)=0.27×(600+355)=257.85 MPa

(6)

式中：σ-1-钢材的抗弯曲强度， MPa；σb-钢材抗拉强度，已知为600 MPa；σs-钢材屈服强度，已知为355 MPa。

高速浮动轴钢材的抗弯扭转强度，见式(7)。

(7)

式中：τ-1-高速浮动轴钢材的抗弯扭转强度， MPa；σb-钢材抗拉强度，已知为600 MPa；σs-钢材屈服强度，已知为355 MPa。

高速浮动轴受脉动循环的许用扭转应力，见式(8)。

(8)

式中：[τOK]-高速浮动轴受脉动循环的许用扭转应力， MPa；τ-1-高速浮动轴钢材许用疲劳应力，已知为148.9 MPa；η-考虑材料对应力循环不对称的敏感系数，对碳钢及低合金钢η取0.2；n1-安全系数，由表30查得为1.25；k-考虑零件几何形状和零件表面状况的应力集中系数，见式(9)。

k=kx×km=2×1.25=2.5

(9)

式中：kx-与零件几何形状有关，对于零件表面有急剧过渡和有键槽及紧配合区段，一般取1.5～2，取2；km-与零件表面加工光洁度有关，对于粗糙度1.25，一般取1.25～1.35，取1.25。

由以上计算可知：τn=13.05 MPa<[τOK]=88 MPa。设计的高速浮动轴疲劳强度满足要求。

2.3 高速浮动轴强度计算

轴所受最大转矩，见式(10)。

MⅡmax=φ2×Me=1.13×1 786.6=2 018 N·m

(10)

式中：MⅡmax-轴所受最大转矩，N·m；φ2-起升载荷动载系数，已知为1.13；Me-电动机额定力矩，已知为1 786.6 N·m。

最大扭转应力，见式(11)。

(11)

式中：τmax-最大扭转应力， MPa；MⅡmax-轴所受最大转矩，已知为2 018.9 N·m；W-设计的高速浮动轴的弯矩，已知为0.000 145 8 m3。

许用扭转应力，见式(12)。

(12)

式中：[τⅡ]-许用扭转应力， MPa；τs-高速浮动轴钢材的屈服扭转强度 MPa，见式(13)；nⅡ-安全系数，取1.5。

τs=0.6×σs=0.6×355=213 MPa

(13)

式中：σs-钢材屈服强度，已知为355 MPa。

由以上计算可知：τmax=13.85 MPa<[τⅡ]=142 MPa。设计的高速浮动轴强度满足要求。

综上，可知，设计的高速浮动轴：材质45#钢、外径100 mm、与联轴器连接处直径为90 mm，符合设计要求。

4 结束语

以上计算结果可知，一般在设计高速浮动轴时，只考虑其直径和材质，计算其疲劳极限和强度，其长度一般不予考虑，原因是由于起升机构运行过程同心度要求高，否则易发生卡组现象，故其长度方向上的摆动力矩不允许过大，计算时可不考虑其长度值。