谈塔机起升装置主要部件的计算与应用

雷晶涛 朱 毅 陈勇卫

(陕西建设机械股份有限公司，陕西 西安 710000)

1 塔式起重机起升机构的工作级别与种类

塔式起重机起升机构的工作级别是设计起重机构的基础，根据GB/T 13752—2017塔式起重机设计规范规定，塔式起重机机构的工作级别分为M1～M6级，它是由塔式起重机的载荷状态级别和使用等级确定的。当塔式起重机工作级别确定后，该起升机构的工作级别可以对应查出，这对后续塔式起重机起升机构计算较为重要。

起升机构按驱动种类又分为电动起升机构和液压起升机构两种，但在目前情况下在塔式起重机上应用较多的多为电动起升机构，为此，本文以电动起升机构为例，对起升机构的计算和应用作为实例进行分析、讲解。

1.1 电动起升机构的组成

一个标准的电动起升机构一般由电动机、减速机、制动器、联轴器、钢丝绳、卷筒等组成。这些部件计算的前提是先要明确载荷的特点，然后进行一系列的计算来满足起升机构的运行工况。

1.2 塔式起重机起升载荷的定义和特点

1.2.1 起升载荷的定义

塔式起重机的起升载荷是起升质量。塔式起重机主要工作载荷主要包括起重量和吊具与钢绳的重量，简称吊重。

1.2.2 起升机构的载荷的特点

1)物品在起升或下降时，驱动机构中由钢丝绳拉力产生的扭矩方向不变，即扭矩是单向作用的。2)物品悬挂系统一般由挠性钢丝绳组成，物品惯性引起的附加转矩对机构影响不大，一般不超过静转矩的10%。3)机构起升或制动时，只有电动机输出轴到制动器之间的零件承受较大的动载荷，齿轮传动和其他低速轴零件所承受的动载荷不大。4)机构起动或制动时间同稳定运动相比是短暂的，因此，可以将稳定运动时的起升载荷作为机构计算载荷。通过以上对起升载荷的分析，则对起升机构主要部件的计算，就更加明了。

2 电动起升机构的计算

2.1 钢丝绳与卷筒的选择

2.1.1 钢丝绳计算

在塔式起重机上通常采用单联滑轮组，其钢丝绳的最大静拉力：

其中，S为卷筒钢丝绳最大静拉力，N；Q为起升载荷，N，Q=Q0+q，q为取物装置的重量，当塔式起重机起升高度不小于50 m时，起升钢丝绳的重力也应当包括在内；Q0为额定起升载荷；a为滑轮组的倍率；ηz为滑轮组的效率;ηd为导向滑轮总效率。

故钢丝绳直径按最大静拉力确定，钢丝绳其破断拉力Sp:

Sp=n×S。

其中，Sp为钢丝绳最小破断力，N；n为钢丝绳最小安全系数(见表1)；S为钢丝绳最大静拉力，N。

表1 钢丝绳最小安全系数表

这种方法适合于运动钢丝绳和静态钢丝绳的选择，也是较常用的一种方法。

2.1.2 卷筒的结构尺寸计算

卷筒初步计算时，卷筒的最小缠绕直径按以下公式计算:

DOmin=Kn×dr。

其中，DOmin为卷筒的最小缠绕直径，mm；Kn为机构级别与钢丝绳结构有关的系数(见表2)；dr为钢丝绳公称直径，mm。

表2 系数(Kn)选取表

在卷筒结构上GB/T 11156—2011塔式起重机起升机构优先采用焊接结构形式卷筒。起升机构卷筒厚度、强度按照GB/T 13752—2017塔式起重机设计规范计算。

2.2 电动机的计算

2.2.1 电动机初选

在塔式起重机中电动起升机构较为常见，电动机的初选极为重要。在设计时起重机的载荷额定起升速度及机构效率来计算机构的静功率如下：

其中，P为机构静功率，kW;Q为起升载荷，N；Vq为额定起升速度,m/s;η为总效率。

按上式计算出的静功率通常用“接电持续率法”初选。

根据GB/T 13752—2017塔式起重机设计规范塔式起重机起升机构电动机容量选择计算中，初步查出JC，CZ的数值见表3(以塔式起重机2类为例)。

表3 JC，CZ的数值

以上数据得出后，对应厂家电机样本初步完成电机的选择。

2.2.2 电动机轴上所需的转矩

电动机轴上转矩分为稳态起升额定转矩和电机轴上的最小启动转矩，这两个指标对塔式起重机起升电机来讲要求严格，这也是选取电机的关键指标。

1)稳态起升额定载荷电机轴上的转矩Mn(单位：N·m)。

其中，n为电动机额定转速,r/min;PQ为额定起升载荷,N;Pn为电动机静功率,kW;Vq为起升速度，m/s；η为机构总效率。

换算到起升系统元件上则有：

其中，Pq为额定起升载荷，N；D为按最外层钢丝绳中心计算的卷筒卷绕直径，m；a为滑轮组倍率；i为电动机到辊筒轴的总传动比；η为起升吊重物时起升机构和滑轮组的总效率。

2)电动机轴上最小启动转矩Md。

根据塔式起重机起升系统启动电机特点，启动时电机转矩载荷见表4,Md(N·m)与稳态起升时载荷的转矩Mn(N·m)之比值。

表4 Md与Mn比值

这样可以获得较好的起升性能，避免出现闷车现象，有利于塔式起重机系统的正常运行。

3)电动机的校验及目的。

塔式起重机上所选电动机按照《塔式起重机设计规范》要求进行电动机的校验。电动机校验过程主要有两个方面包括电动机的过载校验和发热校验，过载校验目的是校验塔式起重机在设计极限情况下电动机的最大转矩或堵转转矩是否保证机构起动需求；发热校验目的是在满足塔式起重机正常工作情况下不出现过热情况；具体验证计算及方法遵守GB/T 13752—2017塔式起重机设计规范附录中规定及GB/T 3811—2008起重机设计规范执行。

2.2.3 塔式起重机制动器的计算

塔式起重机制动器是保证设备安全和正常工作的一个重要部件，起升制动器的作用是保持吊物控制悬停，又叫支持制动器。通常塔式起重机采用断电制动方式，制动轮/盘刚性与传动装置轴连接以确保塔式起重机制动安全性。制动器的制动扭矩应大于传动装置轴所需要的扭矩。则有：

1)制动扭矩的计算。

其中，MZ为起升机构轴上计算理论扭矩,N·m;KZ为制动器安全系数;Pq为额定起升载荷,N;D为最外层钢丝绳中心计算的卷筒卷绕直径,m;a为滑轮组倍率;i为由制动器轴到卷筒的总传动比;η为吊物下降时起升机构和滑轮组的总效率。

2)制动安全系数。

制动安全系数根据不同工作机构，安全系数选取也不同,见表5。

表5 制动安全系数选取表

另外,塔式起重机起升制动中还包括减速制动，这个采取电器措施较为常见。同时，启动、制动还应考虑时间、加速度等因素，这在设计规范和手册中都有计算的方法。

2.2.4 减速机的选择

1)起升机构的传动比计算。

其中，n为电动机额定转速，r/min；n′为卷筒转速，r/min。

减速机应与预期寿命及机构工作级别对应使用等级一致，这样可以获得较好的配套效果。所选减速机的许用功率[P]应满足下式：

[P] ≥K×Pn。

其中，K为选择系数(一般根据型号和使用工况确定在标准、手册查找)；Pn为电动机额定功率，kW。

2)减速机的校验(减速机与卷筒相连)。

a.输出轴端最大径向力计算Fmax。

其中，S为钢丝绳最大静拉力,N;ψ2为起升载荷动载系数;G为卷筒重力(含钢丝绳),N;[F]为减速机输出轴端允许最大径向载荷,N。

b.输出轴最大扭矩计算Tmax。

基于起升载荷特点，减速机短暂输出轴最大扭矩应满足以下公式：

Tmax=ψ2×T≤[T]。

其中，ψ2为起升载荷动载系数；T为钢丝绳在卷筒上产生的最大静拉力，N；[T]为减速机需用短暂最大扭矩(通常由厂家或手册查出)。

3 塔式起重机起升机构的应用

塔式起重机的起升机构，是塔式起重机设计中的一个 关键环节，关系到产品的性能，故在使用上对使用单位和塔司人员提出较高要求，塔司应做到持证上岗，对机械电气知识有一定的了解,熟悉产品说明书。

3.1 了解塔式起重机参数、分类及工作级别

使用者应按照设计制造单位编制的说明书对所使用的的塔式起重机的使用级别、机构工作级别、工作幅度、额定起升重量、最大起重量、独立高度等参数了解和掌握。

3.2 维护保养

起升机构工作50 h后需要检查安装螺栓是否有松动。通常减速器首次换油时限为工作200 h。

首次更换润滑油后，每工作2 400 h更换润滑油或取决于应用情况，也可一年换一次油。然而，必须每班检查油面并按规定添油。

安装前和每使用一月后，应按电机说明书要求检查或调整电磁制动器的制动气隙。卷筒尾部轴承座上外侧面有一个润滑油嘴，每使用1 200 h后请检查并视情况加注满3号极压锂基润滑脂。

安装前应在滑轮轴上涂抹适当的润滑脂。常检查滑轮轴上的润滑脂，根据实际使用情况补涂润滑脂。卷筒轴与减速器的润滑及磨损情况，如有偏磨或严重磨损则应停机换件。每次检查后要视情况补充3号极压锂基润滑脂。

3.3 起升机构的工作环境

起升机构应在规定的工作环境下进行工作。通常温度：-20 ℃～+40 ℃，相对湿度不大于90%，机构工作电压要相对稳定，工作电源符合GB/T 5226.32—2017的规定，起升机构工作噪声：不大于85 dB，设备的金属外壳、导线的金属保护管均应可靠接地，其接地电阻应不大于4 Ω。

4 结语

通过对塔式起重机起升机构的主要部件的计算，使塔式起重机起升机构的设计更加快捷规范，同时将起升机构的应用融入其中，使设计和使用人员更方便的了解和领悟塔式起重机起升机构的设计和应用的精髓。