起升机构计算.doc

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桥(门)式起重机起升机构设计计算1范围本标准规定了电动桥式（或门式）起重机起升机构设计计算的要求，计算步骤，计算方法和公式及其相关计算参数的选取，标准还提供了Excel电子表格的计算书，设计者输入初始参数及选定相关计算参数并输入后，按程序自动完成计算。本标准计算主要针对本企业常用起升机构结构型式，对其它类别起重机或其他结构型式的起升机构的设计计算可参照应用。本标准相关内容符合GB/T3811—2008起重机设计规范。起升机构设计计算包括:a)钢丝绳选择计算b)卷绕参数选择计算c)电动机选择和校核计算d)减速器选择计算e)制动器选择计算f)选择联轴器g)传动零部件验算h)钢丝绳卷绕时的偏角验算i)验算下降制动距离2起升机构计算初始参数设计计算首先应提供起升机构设计的初始参数，包括：Q—额定起重量，单位（t）V—起升速度，单位（m/min）H—起升高度，单位（m）机构的工作级别机构的接电持续率，JC值未能提供接电持续率时，但已知机构工作级别的，可按下表选择电动机的接电持续率起升机构工作级别电动机等效接电持续率%M1～M3＜25M4～M525M640M7～M860设备使用环境温度，单位（C°）设备使用地点海拔高度，单位（m）3钢丝绳选择计算3.1计算总起重量Gt，单位（t），按下式计算：式中：Q—额定起重量，单位（t），已提供；Gt—吊具重量，单位（t），设计提供或估算； Gs—钢丝绳重量，单位（t），设计提供或估算，当H<50m时，可取Gs=0；3.2计算钢丝绳最大工作静拉力Smax，单位（N），按下式计算：式中：Gt—总起重量，单位（t），已确定；a—卷筒绕入钢绳股数，按下式计算：Zt—卷筒个数，设定；Zs—单个卷筒绕入钢绳数，设定；ir—卷绕倍率设定；ηd—卷筒（或单个滑轮）传动效率，设定；滚动轴承取0.98，滑动轴承取0.96。ηp—滑轮组传动效率，按下式计算：3.3计算钢丝绳选择系数C，按下式计算：式中：—安全系数，按下表选取机构工作级别M1M2M3M4M5M6M7M8最小安全系数3.153.353.554.04.55.67.19.0注：对于吊运危险荷重的起重用钢丝绳，一般应比设计工作级别高一级的工作级别选择表中的钢丝绳选择系数C和钢丝绳最小安全系数值。对起升机构工作级别为M7、M8的某些冶金起重机和港口集装箱起重机等，在使用过程中能监控钢丝绳劣化损伤发展进程，保证安全使用，保证一定寿命和及时更换钢丝绳的前提下，允许按稍低的工作级别选择钢丝绳；对冶金起重机最低安全系数不应小于7.1k’—钢丝绳最小破断拉力系数，对起升机构常用钢丝绳结构类型按下表选取，并输入计算表格。钢丝绳结构类型k’系数值纤维芯钢芯6×19S，6×19W，6×26SW,6×31SW,6×36SW，6×25Fi，6×29Fi0.3300.356—钢丝的公称抗拉强度，单位（N/mm2），设计选定。一般可选：1570，1670，1770特殊可选：1870，1960，21603.4所选钢丝绳最小直径dmin，单位（mm）,按下式计算:3.5根据dmin的计算值和钢丝绳产品规格的参数值选取钢丝绳，并确定所选钢丝绳型号、直径d，单位（mm）和最小破断拉力Sj，单位（kN）。3.6验算钢丝绳实际安全系数n，按下式计算： 4卷绕参数选择计算4.1确定卷筒直径4.1.1所选卷筒最小直径Dtmin，单位（mm），按下式计算：式中：d—所选定钢丝绳直径，单位（mm）；[Jt]—卷筒的卷绕直径（Dt+d）与钢丝绳直径d之比的规定值，按下表选取。工作级别M1M2M3M4M5M6M7M8旋转钢丝绳11.212.51416182022.425不旋转钢丝绳12.51416182022.425284.1.2根据计算的最小直径及构造要求确定卷筒直径Dt，单位（mm），卷筒直径应符合标准值，卷筒标准直径见下表：3554004505005606307108009001000112012501320140015001600170018001900200021202240236025004.1.3验算卷筒实际筒绳直径比Jt，按下式计算：4.2计算单股绳在卷筒上卷绕和固定的长度4.2.1卷绕钢丝绳绳槽所需长度L0，单位（mm），按下式计算：式中：t—卷绕节距，单位（mm），根据钢丝绳直径d选定；一般标准绳槽节距t=d+2～4mm，加深绳槽t=d+6～8mm，绳槽节距标准列于下表：钢丝绳直径d＞6～8＞8～10＞10～12＞12～14＞14～16＞16～18＞18～20＞20～22＞22～24节距t标准槽101214161820222527加深槽111316192124262932钢丝绳直径d＞24～26＞26～28＞28～30＞30～32＞32～34＞34～36＞36～38＞38～40＞40～42节距t标准槽293234363840424547加深槽343739424447505255n—钢丝绳绳槽所需圈数,按下式计算，并取整数值：H—起升高度，单位（m）；Dt—卷筒直径，单位（mm）；d—钢丝绳直径，单位（mm）；ir—卷绕倍率。以上参数均已确定。n1—缠绕安全圈，规定＞2，取2.5～3；n2—起升最高点绕绳余量，规定1圈。4.2.2固定钢丝绳所需长度L1，单位（mm），设定，按钢丝绳压板绳槽间距选取或取≈2t； 4.2.3单股绳在卷筒上卷绕及固定的长度L，单位（mm），按下式计算：4.3确定滑轮直径4.3.1所选滑轮最小直径Dlmin，单位（mm），按下式计算：式中：d—所选定钢丝绳直径，单位（mm）；[Jl]—滑轮卷绕直径（Dl+d）与钢丝绳直径d之比的规定值，按下表选取工作级别M1M2M3M4M5M6M7M8旋转钢丝绳12.51416182022.42528不旋转钢丝绳1416182022.4252831.54.3.2根据计算的最小直径及构造要求确定滑轮直径Dl，单位（mm），滑轮直径应符合标准值，滑轮标准直径如下所列：31540050063071080090010001120125014004.3.3计算滑轮实际轮绳直径比Jl，按下式计算：5电动机选择和校核计算5.1计算电动机静功率Pj，单位（kW）,按下式计算：式中：Gt—总起重量，单位（t），已确定；V—起升速度，单位（m/min）；已确定；Zd—驱动电动机台数（折算），设定；注：对下述起重机的起升机构，选择其电动机功率时，应考虑：a)抓斗起重机：如设计的钢丝绳卷绕系统能使闭合绳和支持绳的载荷接近平均分配，则闭合绳机构和支持绳机构电动机功率各取为总计算功率的66%（计算可取Zd=1.52）；当采用直流调速或交流变频调速，能实时监控并保证抓斗闭合终止时支持绳与闭合绳载荷准确相等，各机构电动机功率可取为总计算功率的55%（计算可取Zd=1.82）。b)铸造起重机：起升机构中采用有刚性联系的两套驱动装置双电机驱动时，每台电动机的功率不小于总计算功率的60%(计算可取Zd=1.67)；当要求用一台电动机驱动满载工作一个循环时，每台电动机的功率在工作级别M7时不小于总计算功率的66%（计算可取Zd=1.51），在工作级别M8时不小于总计算功率的62%（计算可取Zd=1.61）；采用行星差动减速器双电机驱动时，每台电动机的功率不小于总计算功率的50%(计算取Zd=2)。ηd—卷筒传动效率，已确定；ηp—滑轮组传动效率，已确定；ηj—减速器传动效率，按下式计算：I—所用减速器级数，设定。0.975为单级减速器传动效率。计算电动机修正静功率Pj’，单位（kW）,按下式计算： 式中：Kh—海拔高度系数，根据设备使用地点海拔高度按下表选取；海拔高度m1000150020002500300035004000海拔高度系数Kh1.001.031.061.111.161.121.30Kt—环境温度系数，根据设备使用环境温度按下表选取；电动机绝缘等级E、B、FH工作环境温度C°＜40＞40～50＞50～60＞40～50＞50～60环境温度系数Kt1.001.121.250.901.005.2选择电动机所选电动机在产品技术参数表中与所计算机构的工作方式和接电持续率JC%相对应的功率，应不小于该电动机计算（修正）的静功率Pj’。选用电动机功率时电动机工作方式一般按S3；对作业次数频繁的料场抓斗和磁盘起重机及冶金起重机按S3选电动机时，电动机实际功率应较大的富裕于计算功率，或按S4选取；对于起升速度慢且起升高度大的起升机构，如水电站用的桥式或门式起重机以及特殊用途的慢速起重机等，起升机构电动机完成一个工作循环的周期，其平均运转时间往往超过10分钟，选用电动机功率时应按工作方式S2。确定所选电动机的型号、转换为基准值功率（S340%时）Pn，单位（kW）、并确定相应的额定转速nm，单位（r/min），电动机最大转矩倍数λm，电动机转动惯量Jd，单位（kg·m2），和输出轴端尺寸d×L，单位（mm）。5.3电动机过载校验按下式验算：式中：Pj—电动机静功率，单位（kW），已确定；Hg—考虑机构过载和电压损失的系数，按下表选取：绕线转子异步电动机和笼型异步电动机Hg=2.5变频异步电动机Hg=2.2直流电动机Hg=1.4Pn—所选电动机功率（S340%时），单位（kW）；λm—所选电动机最大转矩倍数，已确定。注：当铸造起重机有两套驱动，要求用一台电动机驱动满载工作一个循环时，则按下式验算：Zd—驱动电动机台数（折算），工作级别M7时Zd=1.51，工作级别M8时Zd=1.61。6标准减速器选择计算本计算适用QJ系列标准减速器，其它类型可参照采用。6.1计算所需传动比ij’,按下式计算：式中：Dt—卷筒直径，单位（mm）；d—钢丝绳直径，单位（mm）；nm—电动机额定转速，单位（r/min）；V—起升速度，单位（m/min）； ir—卷绕倍率。以上参数均已确定。6.2计算减速器所需承载的当量功率Pg’，单位（kW）,即相当工作级别M5，在减速器高速轴公称转速（一般为电动机同步转速）下承载的功率，按下式计算：式中：Gt—总起重量，单位（t）；V—起升速度，单位（m/min）；ηd—卷筒传动效率；ηp—滑轮组传动效率；ηj—减速器传动效率；nm—电动机额定转速，单位（r/min）；以上参数均已确定。Zj—并列传动减速器台数，设定；Kj—等效工作系数，按下表选取；工作级别～M3M4M5M6M7M8等效工作系数Kj1.251.121.000.900.800.716.3选择标准减速器根据减速器产品系列标定的功率选择减速器，所选减速器的速比应等于或尽可能接近计算所需的减速器传动比ij’，而且对应减速器高速轴转速（即电动机转速nm）所传递的功率，应等于或略大于计算所需的功率Pg’。确定所选减速器的型号、传动比ij、承载功率Pg，单位（kW）、许用输出扭矩[Mj2]，单位(Nm)，和输入、输出轴端尺寸d×L，单位(mm)。6.4验算实际起升速度Vm，单位（m/min），按下式计算：式中：Dt—卷筒直径，单位（mm）；d—钢丝绳直径，单位（mm）；nm—电动机额定转速，单位（r/min）；ij—减速器实际传动比；ir—卷绕倍率。以上参数均已确定。必要时可将实际起升速度Vm值作为起升速度V重新验算的电动机功率Pj。6.5计算卷筒转速nt，单位（r/min），按下式计算：式中：nm—电动机额定转速，单位（r/min）；ij—减速器实际传动比。χ—电动机实际转速与额定转速之比：以上参数均已确定。 7支持制动器选择计算7.1计算所需制动力矩MZ’，单位(Nm)，按下式计算：式中：Gt—总起重量,单位（t）；Dt—卷筒直径，单位（mm）；d—钢丝绳直径，单位（mm）；ηd—卷筒传动效率；ηp—滑轮组传动效率；ηj—减速机传动效率；ij—减速器实际传动比；ir—卷绕倍率。以上参数均已确定KZ—制动安全系数，按下表规定选取；机构工作状况安全系数Kz一般起升机构（通常为M5级及其以下级别）≥1.50重要起升机构（通常为M6级及其以上级别）≥1.75；起吊危险物品采用多套制动器(每个制动器的安全系数)一套驱动装置两个制动器1.25刚性联接的两套驱动装置四个制动器1.10行星差动减速器联接的两套驱动装置四个制动器1.757.2选择制动器根据制动器产品系列标定的制动力矩选择制动器，所选制动器标定的制动力矩应大于计算所需的制动力矩MZ’，频繁制动的制动器，在同一档制动力矩的各个制动器中，宜选用制动轮较大的制动器。确定所选制动器的型号及所标定的制动力矩MZ，单位(Nm)。8选择联轴器根据构造要求及被连接轴的轴头形式和尺寸选择联轴器，当同时有几个型号均能满足被连接轴的轴头尺寸时，初选时宜选用中间的型号。8.1确定电动机轴的联轴器型号、许用转矩[MLd]，单位(Nm)，及联轴器转动惯量JL，单位(kg·m2)；8.2确定卷筒轴的联轴器型号及许用转矩[MLt]，单位(Nm)。9传动零部件验算9.1传递扭矩计算9.1.1卷筒轴传递扭矩（按载荷情况I类）Mt，单位(Nm)，按下式计算：式中：Smax——钢丝绳最大工作静拉力NZs—单个卷筒绕入钢绳数Dt—卷筒直径，单位（mm）；D—钢丝绳直径，单位（mm）；ηd—卷筒传动效率；ηp—滑轮组传动效率；以上计算参数均已确定9.1.2电动机轴传递扭矩（按载荷情况Ⅰ类）Md，单位(Nm)，按下式计算： 式中：ηj—减速器传动效率；ij—减速器实际传动比；以上计算参数均已确定9.2验算减速器输出轴扭矩，应满足下式：式中：[Mj2]—减速器输出轴允许扭矩（对应工作级别M5），单位(Nm)；Mj—减速器输出轴计算（等效）扭矩，单位(Nm)，按下式计算：Mt—卷筒轴传递扭矩，单位(Nm)；Kj—减速器等效工作系数。Zt—卷筒个数；Zj—并列传动减速器台数。以上计算参数均已确定。9.3验算联轴器传递的扭矩9.3.1电动机轴联轴器，应满足下式：式中：[MLd]—电动机轴联轴器的允许扭矩，单位(Nm)，已确定；MLd—电动机轴联轴器的计算扭矩，单位(Nm)，按下式计算：Md—电动机轴传递扭矩，单位(Nm)，已确定；KLd—计算系数，与工作级别、联轴器重要性及所连接轴有关，一般为1.3～3.1，对齿轮联轴器可按下表选定工作级别≤M3M4M5≥M6重要程度系数k11.8（起升机构）安装偏差系数k21.25（偏角≤0.5）工作级别系数k311.11.21.3计算系数KLd=k1×k2×k32.252.52.739.3.4卷筒轴联轴器，应满足下式：式中：[MLt]—卷筒联轴器的允许扭矩，单位(Nm)，已确定；MLt—卷筒轴联轴器的计算扭矩，单位(Nm)，按下式计算：Mt—卷筒轴传递扭矩，单位(Nm)，已确定；KLt—计算系数，与联轴器形式、工作级别、联轴器重要性及所连接轴有关，一般为1.3～3.1，对WZL型卷筒联轴器可按下表选定工作级别≤M5M6M7M8计算系数KLt1.251.41.61.80对齿轮联轴器可按下表选定工作级别≤M3M4M5≥M6重要程度系数k11.8（起升机构） 安装偏差系数k21.25（偏角≤0.5）工作级别系数k311.11.21.3计算系数KLt=k1×k2×k32.252.52.739.4电动机传动轴临界转速验算对转速超过400r/min的长传动轴，应验算其临界转速，并满足下式：式中：nm—电动机额定转速，单位（r/min），已确定；ncr—轴的临界转速，单位（r/min），按下式计算：dw—轴外径，单位（mm）;dn—空心轴内径,单位（mm）;Lz—轴的支点间距,单位（mm）。以上传动轴参数设计设定10钢丝绳偏斜验算10.1钢丝绳绕入或绕出卷筒的最大偏角(钢丝绳中心线与卷筒轴垂直平面间的夹角)φ，单位（°）；钢丝绳绕入或绕出滑轮的最大偏角(钢丝绳中心线与滑轮轴垂直平面间、亦与滑轮绳槽间的夹角)γ，单位（°），可如图按下表所列公式计算： 偏角位置计算式注卷绕对象吊点位置偏斜方向偏角°卷筒上极限逆绳槽φs1as1＜0顺绳槽φs2as1＞0下极限顺绳槽φx2滑轮上极限γ式中：as1—上极限位置时卷筒绳槽与吊具滑轮绳槽偏距，单位（mm），设定；钢丝绳顺绳槽方向偏斜时取as1＞0，钢丝绳逆绳槽方向偏斜时取as1＜0。ax1——下极限位置时卷筒绳槽与吊具滑轮绳槽偏距，单位（mm），可按下式计算：H—起升高度，单位（m）；Dt—卷筒直径，单位（mm）；d—钢丝绳直径，单位（mm）；ir—卷绕倍率。t—卷绕节距，单位（mm）。以上参数均已确定。a2—上极限位置时吊具滑轮与上滑轮或平衡杆吊点最大偏距，单位（mm），设定；H1—上极限位置时卷筒至滑轮中心高度，单位（mm），可按下式计算：H2—下极限位置时卷筒至滑轮中心高度，单位（mm），可按下式计算：H3—上极限位置时吊具滑轮至上滑轮或平衡吊点高度，单位（mm），可按下式计算：h1—卷筒中心至起重机轨面高度，单位（mm）;h2—起重机轨面至吊点上极限高度，单位（mm）;h3—吊点至滑轮中心高度，单位（mm）;h4—上滑轮或平衡杆杆吊点中心至卷筒中心线高度，单位（mm）,卷筒在上取正值，反之取负值。以上参数设计设定。10.2如下图钢丝绳绕入或绕出卷筒时，钢丝绳中心线与绳槽中心线的最大偏角，α1(逆绳槽方向)和α2(顺绳槽方向)，单位（°），按下列式计算：式中：ε—卷筒绳槽的螺旋升角，单位（°），按下式计算：d—钢丝绳直径，单位（mm）；Dt—卷筒直径，单位（mm）；t—卷绕节距，单位（mm），以上参数均已确定。 α1或α2值一般不应大于3.5°，对大起升高度及D/d值较大的卷筒，其钢丝绳偏离螺旋槽中心线的允许偏斜角应由计算确定。γ值一般不应大于5°，当最大偏斜角大于5°时允许偏斜角也应由计算确定。10.3计算钢丝绳偏离卷筒螺旋槽中心线的允许偏斜角10.3.1逆空槽方向时[α1]，单位（°），按下式计算：式中：β1—相邻钢丝绳外圆公切线角，单位（°），按下式算：10.3.2顺空槽方向时[α2]，单位（°），按下式计算：式中：β2—绳槽侧边切线角，单位（°），按下式计算：d—钢丝绳直径，单位（mm）；Dt—卷筒直径，单位（mm）；t—卷绕节距，单位（mm）；以上参数均已确定h—绳槽深度，单位（mm），根据钢丝绳直径d设定，一般标准绳槽深度h=(0.25～0.4)d，加深深槽h=0.6～0.9d，绳槽槽深标准列于下表： 钢丝绳直径d＞6～8＞8～10＞10～12＞12～14＞14～16＞16～18＞18～20＞20～22＞22～24槽深hs标准槽3.03.54.04.55.56.06.57.07.5加深槽5.06.07.58.59.5111213.514.5钢丝绳直径d＞24～26＞26～28＞28～30＞30～32＞32～34＞34～36＞36～38＞38～40＞40～42槽深hs标准槽8.09.09.510.010.511.512.013.013.5加深槽16.017.018.019.020.021.023.024.025.0Rt—绳槽半径，单位（mm），根据钢丝绳直径d设定，Rt=(0.53～0.6)d，卷筒绳槽标准半径列于下表:钢丝绳直径d＞6～8＞8～10＞10～12＞12～14＞14～16＞16～18＞18～20＞20～22＞22～24卷筒槽半径Rt4.35.56.57.5910111213钢丝绳直径d＞24～26＞26～28＞28～30＞30～32＞32～34＞34～36＞36～38＞38～40＞40～42卷筒槽半径Rt14151617181920212310.4钢丝绳卷入滑轮允许偏角[γ]，单位（°），按下式计算：式中：d—钢丝绳直径，单位（mm）；Dl—滑轮直径，单位（mm）；以上参数均已确定βl—滑轮绳槽倾角°设定，标准轮槽βl=22.5º；hl—滑轮绳槽深度，单位(mm)，根据钢丝绳直径d设定。标准绳槽深度列于下表:钢丝绳直径d8～1212～1414～1816～2420～3026～3832～48滑轮绳槽深hl17.522.527.53545557011验算下降制动时间和距离必要时需验算采用机械式制动器下降的制动时间和距离。11.1计算采用机械式制动器满载下降制动时间tz，单位（s），按下式计算：式中：n’—满载（额定载荷）下降且制动器投入有效制动转矩时的电动机转速r/min，按下式计算：nm—电动机额定转速，单位（r/min），已确定；ρ—制动器投入有效制动转矩时的下降速度与额定起升速度之比，设定；一般正常制动时，取ρ=1.1 当需要验算超速保护制动时，按整定值(1.25～1.4)V，取ρ=1.38～1.54验算时也可按实际可能出现的情况取值Jd’—电动机转子的计算总转动惯量，单位（kg·m2），按下式计算：Jd—电动机转子的转动惯量，单位（kg·m2），已确定；Zd—机构采用电动机台数，已确定；JL’—电动机轴上联轴器的计算总转动惯量，单位（kg·m2），按下式计算：JL—电动机轴上联轴器转动惯量，单位（kg·m2），已确定；ZL—电动机轴上联轴器的套数，设定；Jz’—电动机轴上制动轮的计算总转动惯量，单位（kg·m2），按下式计算：Jz—电动机轴上制动轮(盘)的转动惯量，单位（kg·m2），采用制动轮时可按下表根据制动轮直径设定：制动轮直径mm100160200250315400500630710800转动惯量kg·m20.010.030.20.280.60.75251016.75Zz—电动机轴上制动器的套数，设定；k—其他传动件的转动惯量折算到电动机轴上的影响系数，=1.05~1.20JQ—作起升运动的物品的惯量折算到电动机轴上的转动惯量，单位（kg·m2），按下式计算：Gt—总起重量,单位（t），已确定；Dt—卷筒直径，单位（mm），已确定；d—钢丝绳直径，单位（mm），已确定；ir—卷绕倍率,已确定；ij—减速器传动比,已确定；ηz—物品下降时起升机构系统的总效率，按下式计算：ηd—卷筒卷绕效率，已确定；ηp—滑轮组卷绕效率，已确定；ηj—减速器传动效率，已确定；Mzj—机械式制动器的计算总制动转矩，单位(Nm)，按下式计算：Mz—制动器额定最大制动力矩，单位(Nm)，已确定；Zz’—机构用于减速制动的制动器台数，设定；当每套驱动机构有两台支持制动器时，可按其中一台作减速制动器；f—制动器调整后的实际力矩与额定最大制动力矩之比，设定；一般可取f=0.75～0.85MQj—稳态下降额定载荷在电动机轴上的转矩，单位(Nm)，按下式计算： 起升机构正常制动时（即ρ=1.1）制动时间宜控制在以下范围，见下表：起重机的用途及类型制动时间/s作精密安装用的起重机1～3吊运液态金属和危险品的起重机3～5通用桥式起重机和通用门式起重机0.7～3冶金工厂中生产率高的起重机3～5超出此范围可通过调整制动器制动力矩，即调整参数f改变制动时间。11.2下降制动距离hz，单位（mm）,按下式计算：式中：V—额定起升速度，单位（m/min），已确定；ρ—制动器投入有效制动转矩时的下降速度与额定起升速度之比tz—采用机械式制动器满载下降制动时间，单位（s）。以上参数均已确定11.3下降制动控制距离[hz]，单位（mm）对于需要控制下降制动距离的起重机，其制动距离(从制动器断电至物品停止时的下滑距离)一般可控制为不大于1min内稳定起升距离的1/65。按下式计算：式中：V—额定起升速度，单位（m/min），已确定。