一種新型雙層疊加式起升機構布置設計

楊佳衛 崔益華 肖仕開 朱彤彤

南通潤邦重機有限公司

1 引言

目前,在移動式港口起重機上多采用雙起升機構的設計形式。在使用電動機驅動的雙起升機構中,一般會采用2套平行布置的方式,減速機、電機、制動器使用公共底座,卷筒使用軸承座,在轉臺上需要很大的布局空間,而塔身結構又采用筒體結構,在轉盤尾部回轉半徑確定后,因筒體占用轉臺布置空間較多,導致平行布置2臺起升機構絞車后,絞車前后缺少足夠的維修空間。減速機、制動器、電動機下端連接座全部采用焊接,并需整體銑削加工或小組件加工后安裝調整,機加工量及安裝工作量較大,焊接結構較復雜;同時將系統測力傳感器設計在鋼絲繩纏繞系統中,在人字架或塔身后端布置測力滑輪,裝置較冗余,需要額外的維護成本。

為解決以上問題,在機構選型計算和雙起升機構同步控制不做改變的前提下,將2個起升機構合二為一,共用1個結構,減少布局空間,同時對其起升測力傳感器進行優化設計。

2 雙層疊加式起升機構布置

雙層疊加式起升機構布置的設計形式見圖1,主要包括起升減速機、電動機、制動器、卷筒、立板、壓繩裝置、連桿、安全制動器等。在結合傳統平行起升機構布置的基礎上,采用懸臂安裝起升減速機和水平法蘭安裝電動機,制動器支座和電動機支座集成到減速機上,通過左右立板將兩卷筒疊加在一起,與主結構轉臺結構鉸接相連,整體結構簡單緊湊。

1.左立板 2.支持繩卷筒1 3.壓繩器 4.連桿 5.開閉繩卷筒2 6.松繩壓繩器 7.右立板 8.減速機1 9.減速機2 10.制動器2 11.制動器1 12.電動機1 13.電動機2 14.安全制動器圖1 新型雙層疊加式起升機構布置

2.1 整體形式設計

新型雙層疊加式起升機構使用立板作為主體受力,左右各布置一塊(見圖2),取消原方式布置的卷筒安裝軸承底座,改為在主立板上設計增加厚板加強圈用于安裝卷筒連接軸承,將雙卷筒通過左右主立板連接為一體,再通過銷軸將下端銷軸孔與轉臺主結構支座鉸接連接。同時將高速制動器底座設在輸入端背面,與減速機箱體連接,電機與減速機通過聯軸器懸臂式安裝,取消減速機、電動機、制動器等與主結構連接的公共底座和卷筒連接軸承座。最后在雙立板之間卷筒前端布置連接拉桿,后端兩卷筒各自布置對應的壓繩器結構,保證雙層疊加式起升機構整體穩定性。

1.卷筒1連接支座 2.卷筒2連接支座 3.轉臺連接銷軸孔 4.轉臺連接銷軸孔2圖2 立板形式

2.2 起升機構測力傳感器的布置

常規起重機的測力傳感器布置位置和類別見表1。

表1 常規起重機的測力傳感器布置位置和類別

常規移動式港口起重機液壓驅動起升機構的機型都直接采用銷軸稱重式傳感器布置在每個起升機構后鉸點上,但針對新型雙層疊加式起升機構,因為共用側板和銷軸,無法采用此形式布置稱重傳感器,因此測力傳感器的位置需要重新考慮優化。減速機一側采用懸臂式結構固定,其輸出端通過花鍵和卷筒相連,另一端與固定支座通過測力傳感器和銷軸鉸接,形成扭力臂傳力結構形式。將鋼絲繩的拉力產生的扭矩通過減速機傳遞到測力傳感器上,測力準確同時能起到安全保護作用。測力傳感器安裝位置見圖3。通過理論計算和調試得出效率因素系數,可以使得測力精度更準確。

1.測力傳感器1 2.測力傳感器2圖3 測力傳感器布置

3 結構強度及疲勞計算

起升機構的減速機、電機、制動器的選型按照設計標準中起升機構的要求進行計算,對優化后的公共結構主立板進行強度計算;且由于該設備為移動式港口起重機,作業繁重,因此需對卷筒進行疲勞計算,具體分析如下。

3.1 公共主立板的強度計算

以某噸位移動式港口起重機為例,將絞車結構代入整機進行有限元受力分析計算。將回轉支承以上轉臺、塔身、臂架、拉桿及絞車結構作為一個整體結構模型進行受力分析(見圖4)。

圖4 整體模型

對該結構模型進行網格劃分,按照在Ⅱ類載荷,臂架在36 m幅度下的工況進行分析。經有限元分析,新型雙層疊加式起升機構公共主立板結構最大應力為62.623 MPa。

結合整機計算各類工況,并匯總計算結果,起升機構公共主立板在各個工況下的應力分析結果見表2。

表2 各個工況下起升結構的最大應力

綜上,Ⅰ類工況下最大應力為128.83 MPa,Ⅱ類工況下最大應力為151.92 MPa,Ⅲ類工況下最大應力為169.51 MPa。此機型起升機構主板零件設計厚度為40 mm,材質為Q355B,根據相應起重機設計標準確定要求,按照表3計算許用應力,上述各類工況結果均滿足許用應力要求。

表3 許用應力計算

3.2 卷筒疲勞強度計算

新型雙層疊加式起升機構在抓斗工況(75 t)下,整機工作級別為A8(U6/Q4),最大起重循環次數為100萬次。抓斗1個工作循環卷筒平均轉25轉(按照貨物最大起升高度的1/4行程計算),故卷筒最大循環次數為2 500萬次,卷筒疲勞等級為E8(B10/P4),焊縫等級均按照K2考慮。卷筒模型見圖5。

圖5 起升卷筒計算模型

卷筒固定約束區域為兩端軸承安裝位置,旋轉約束位置為端頭減速機安裝位置。

卷筒載荷即鋼絲繩拉力位于卷筒出繩點,雙起升機構,抓斗工況下,單個卷筒的載荷為333 kN。

最終抓斗工況下的計算疲勞結果見表4,抓斗工況(疲勞等級E8,焊縫等級K2),疲勞UC值為0.38,小于1,滿足疲勞要求。

表4 疲勞計算結果

4 設計難點

4.1 雙絞車鋼絲繩出繩間距設計

雙層疊加式起升機構在設計布置時,既需要考慮雙卷筒四出繩在各工況作業時不會出現相互干涉,又需要保證起升機構整體盡可能的緊湊,因此在主立板計算滿足要求下,立板上兩卷筒的連接孔按最優布置上下左右錯開。同時對兩卷筒中間的光面間距采取不同的設計,將卷筒最內圈的安全固定圈纏繞起始點錯開,一般保證不小于3圈,兩卷筒同一側出繩間距保證至少大于3倍的鋼絲繩直徑,以使在起重機工作時兩卷筒鋼絲繩松弛后不會出現相碰現象。

4.2 松繩壓繩器及連桿設計

起升機構的一些小部件,如松繩壓繩器、連桿、托輥等,需要考慮功能兼并。如:卷筒1壓繩器為常規起升機構的防脫繩裝置;卷筒2松繩壓繩器含有下壓繩托輥和上壓繩托輥,下壓繩托輥為防脫繩裝置,上壓繩托輥用于檢測鋼絲繩松繩;兩卷筒之間增加1組托輥設計,以阻擋在開閉斗鋼絲繩松弛到最大限度時卷筒2鋼絲繩與卷筒1相碰。

4.3 安全低速制動器設計

起升機構整體緊湊,低速制動器體積較大。設計時將兩卷筒上的安全制動盤左右錯開布置,對應的卷筒安全低速制動器布置位置也不同,分別在一卷筒下端和另一卷筒左右端。

5 結語

通過對移動式港口起重機雙層疊加式起升機構的布置進行研究設計,解決了轉臺在平行布置雙起升機構時維護空間小的難題;取消了減速機、制動器、電動機的焊接支座和卷筒軸承座底座,減少了機加工的工作量,節約了制作成本;同時更改了測力傳感器的位置,使得設備使用過程中系統的測力更準,安全可靠。