起升机构总体设计2.1 概述起升机构是用来实现货物升降的工作机构,它是起重机械中不可缺少的部分,是起重机最重要的机构,其工作性能的优劣将直接影响起重机的技术性能。
起升机构一般由驱动装置，传动装置，制动装置，卷绕系统，取物装置以及安全辅助装置等组成。
在起重量较大的起重机中，常设有两个或多个不同起重量的起升机构，其中起重量最大的为主起升机构，其余为副起升机构。
在港口，为满足抓斗和集装箱装卸作业要求，须设置特种起升机构，如抓斗起升机构，集装箱起升机构等。
港口门座式起重机的起升机构一般应满足下列要求：(1) 起升机构设计和选型应符合买方文件规定的工作级别或规范标准的规定，当没有明确提出执行标准时，一般采用FEM规范。
中国采用《起重机设计规范》（GB3811）。
(2) 起升机构的驱动装置一般设置在机器房内，各部件安装在具有足够强度和刚性的共用的底架上。
底架再与机器房钢结构固定。
(3) 驱动装置的各传动轴同心度应是可调的，当轴同心度出现很小的偏差时可通过底盘和机座之间的调整垫片进行适当调整。
可用定位销或楔形止动块将各部件定位在底架上。
(4) 传动装置的支座应有足够的倾向刚度，以承受因钢丝绳偏斜产生的侧向力，保证盘式制动器正常工作。
(5) 钢丝绳工作时对卷筒绳槽的偏斜角一般不大于3.5°，对滑轮槽的偏斜角最大不大于5°。
当买方文件有明确规定时，应以买方文件为主。
(6) 在高速轴（减速器侧）和低速轴（卷筒轴侧）装设有可靠的制动器。
(7) 配置可靠的安全保护装置，包括高度指示器和限位保护，超载保护，超速保护，挂舱保护架，对转动部件外侧应装设安全防护栏，在卷筒的下方应有接油盘，以防止污染环境。
(8) 满足标准或买方文件规定的噪声限制要求。
(9) 便于维修保养，留有足够的维修保养空间和通道。
(10) 当电气系统发生故障时，应有将货物放置到地面或将吊具自舱内取出的措施。
2.2 起升机构的组成和典型零部件的选型要求起升机构由驱动机构，钢丝绳卷绕系统，吊具和安全保护装置等组成。
驱动机构包括电动机，联轴器，制动器，卷筒，支承等部件。
安全保护装置除了高，低速级配备制动器外，还包括有各种行程限位开关，超速开关以及超负荷保护装置等。
2.2.1 电机及其选型要求(1) 电机的特点。
在港口门座式起重机起升机构上，驱动电机有交流和直流电机，过去多采用直流电机。
随着交流变频调速技术的进步，交流电机也逐步被采用。
考虑到起重机起升工况的特点和载荷特点，直流电机的过载能力一般都较大，并配有风机以保证起升电机的连续性的工作要求。
(2) 对起升机构电机的要求。
第一，良好的散热性能。
因起升机构接近连续工作，必须强制通风。
为控制机房温升，可将电机排风口直接通向机器房外。
第二，如采用直流电机，应有透明板，以方便检查碳刷和整流子。
第三，对相对湿度大的场所，内部配加热器，配有过热报警和断电保护装置。
第四，对于在高温环境下作业的，应选用F级绝缘。
第五，在室内安装的起升电机，其保护等级不低于IP23,在室外应达到IP54。
第六，配有风机的电机上，应配有空气过滤器。
第七，所有电机应在短时间内具有规定力矩过载能力。
第八，风机在电机不用时，应有一可调的延时及断电功能。
2.2.2 制动器及其选型要求(1) 制动器的作用。
在起重机的各工作机构中，制动器是保证安全正常工作的重要部件。
在起升机构中必须装设可靠的制动器，以保证吊重能停止在空中。
变幅机构中的制动器使起重机臂架保持在一定位置。
运行机构与回转机构也需要用制动器使它们在一定的时间或一定的行程内停下来。
对于在露天工作或在斜坡上运行的起重机，制动器还有防止风力吹动或下滑的作用。
某些起重机起升机构还利用制动器来使物品按所要求的速度下降。
(2)制动器的选型原则。
为了保证门机高速，高效和安全可靠地工作，制动器选择应遵循下列原则；第一，起升机构应采用常闭式制动器，制动器的安全系数应不小于1.75。
若安装两个以上制动器，则每个制动器的安全系数应大于1.25。
第二，最大限度减小安装在高速轴上的制动器的飞轮矩，以利起升机构电机能迅速启动达到额定速度运行。
第三，高速轴上的制动器应安装在减速器轴端，而不是电机轴上，保证制动安全可靠。
同时为了使机构布置紧凑，应力求轴向尺寸最小。
第四，制动器应有磨损自动补偿装置和备有手动释放装置，以作释放松闸用。
第五，制动器在振动，噪音，防松，防锈，防潮，防盐雾和不同环境温度等方面均应满足规范和买方文件的要求。
2.2.3 减速器及其选型要求(1) 起升减速器通常采用卧式减速器，通常采用为平行轴式，水平剖分，底座安装，箱体为钢板焊接，齿轮全部为渗碳淬火硬齿面并磨齿。
(2) 箱体应有足够的刚度，以保证受载后产生的变形不影响齿轮啮合。
(3) 良好的润滑和散热条件，保证在持续工作下的温升不超过规定的温度，一般不超过70℃。
(4) 便于维修保养，如放油彻底，加油方便，有检查探视孔和长时间不工作时放出积水的设施，带过滤器以及与大气想通的呼吸器。
(5) 减速器的配置，一般按照起升机构布置型式可采用一台或两台减速器，因此，选型或计算时，应注意输出轴的外载荷产生的力矩和径向力。
2.2.4 联轴器及其选型要求(1) 高可靠性。
普遍采用齿形联轴器或梅花型联轴器。
蛇形联轴器因疲劳被剪断后将会产生危险后果，在起升机构中已不采用。
(2) 易于调整其同心度。
因为经过一段时间工作后焊接机架会产生变形，需要定期检查调整。
(3) 工作过程中，在外载荷作用下由于机架的变形使联轴器产生径向平面角度偏差，应使由此产生的磨损最小。
(4) 安装时保证足够的精度，其静态的同心度偏差不能超过规定要求。
2.2.5 安全限位开关和超负荷限制器(1) 凸轮式行程限位开关或脉冲编码器和离心式超速开关，一般直接连接到卷筒输出轴上，或安装在减速器低速轴端，以提供起升卷筒速度控制，减速和停止信号，以及行程的上限和下限保护和超速保护，并连续提供起升高度位置信号。
(2) 为防止货物落地后起升绳过度松弛，必须设有起升松绳限位设置。
该限位开关一般设置在起升卷筒钢丝绳出绳下端，有时设置在吊具上架的滑轮轴下部。
2.3 起升机构的方案设计2.3.1 设计参数起重量：Q＝16t（吊钩）、Q＝40t（吊钩）起升速度：v＝36 m/min(16t)、 v＝18m/min(40t)起升高度：H＝H上＋H下＝12＋23 m（吊钩）工作级别：M7吊钩重量：G0＝1.17t本起升机构使用变频电机在不同频率下的两种电机额定转速，来实现不同工况下的两种起升速度。
因此，对整个起升机构而言，只需要选用一套驱动机构和一套卷绕系统。
2.3.2 卷绕系统图1 起升钢丝绳缠绕起升机构的卷绕系统的设计主要与起升倍率有关。
起升机构滑轮组倍率的选定，对起升机构的总体尺寸影响较大。
倍率增大，则钢丝绳分支拉力减小，在起升速度不变时，需提高卷筒转速，即减小机构传动比。
但倍率过大，会使滑轮组本身体积和重量增大，同时也会降低效率，加速钢丝绳的磨损。
起重量小时，选用小的倍率，随着起重量增大，倍率相应提高。
倍率增大，起升速度相应减小。
本起升机构采用倍率m＝2，钢丝绳缠绕情况如图1所示。
2.3.3 起升机构布置形式该起升机构由一组驱动装置和一组制动装置（两套）组成，在卷筒端部装有卷筒行程开关和超载限制器。
其起升机构传动如图2所示。
图2 起升机构传动简图2.3.4 卷筒组结构形式图3 短轴式卷筒组卷筒组是起重机的重要部件之一，它用以收存钢丝绳，把电机的回转运动变为钢丝绳的直线运动，同时把驱动装置的驱动力传递给钢丝绳。
起重机上常用的卷筒组类型有齿轮连接盘式，周边大齿轮式，短轴式和内装行星齿轮式。
本起升机构采用短轴式卷筒组，其结构形式如图3所示。
短轴式卷筒组采用分开的短轴代替整根卷筒长轴，其结构简单，调整安装比较方便。
3 起升机构设计计算3.1 设计参数起重量：Q＝16t（吊钩）、Q＝40t（吊钩）起升速度：v＝36 m/min(16t)、 v＝18m/min(40t)起升高度：H＝H 上＋H 下＝12＋23 m＝35m（吊钩）起升倍率：m＝2工作级别：M7吊钩重量：G0＝1.17t3.2 选型计算3.2.1 钢丝绳选型计算3.2.1.1 吊钩工况(40t)（1）钢丝最大绳静拉力计算：查参考文献[1]94P 采用双联滑轮组,钢丝绳的最大静拉力为:3210112ηηηη⋅⋅×⋅+=z m Q Q S （3－1） 式中: 466.4039800)17.140(01=×+=+Q Q kN——起升载荷；m ——滑轮组倍率, m=2；z η——滑轮组效率, ()0011ηηη−−=m m z =()98.01298.016−−=0.99； 0η——滑轮效率,查参考文献[1]滚动轴承0η=0.98；1η，2η，3η——导向滑轮效率，查参考文献[1] 1η＝2η＝3η＝0.975251.108975.0199.022*******=×××=S kN （2）按安全系数选择钢丝绳的直径： 取钢丝绳安全系数： n=4；破断拉力：=4×108.251＝433.004kN （3－2） S n F ×≥0选取钢丝绳型号：28NAT6*9W+FC-28-1870 GB/T8918-1996（查参考文献[2]） 138−P 其中钢丝绳公称抗拉强度1870MPa；钢丝绳破断拉力总和=ΣS 486 kN。
（3）实际安全系数:5.4251.108486==Σ=SS n （3－3） 3.2.2.2 吊钩工况（16t）（1）钢丝最大绳静拉力计算：查参考文献[1]94P 采用双联滑轮组,钢丝绳的最大静拉力为: 3210212ηηηη⋅⋅×⋅+=z m Q Q S （3－4） 式中: 266.1689800)17.116(02=×+=+Q Q kN——起升载荷；m ——滑轮组倍率, m=2；z η——滑轮组效率, ()0011ηηη−−=m m z =()98.01298.016−−=0.99； 0η——滑轮效率,查参考文献[1]滚动轴承0η=0.98；1η，2η，3η——导向滑轮效率，查参考文献[1] 1η＝2η＝3η＝0.975146.45975.0199.022266.1683=×××=S kN （2）校核安全系数 钢丝绳型号：28NAT6*9W+FC-28-1870 GB/T8918-1996其中钢丝绳公称抗拉强度1870MPa；钢丝绳破断拉力总和=ΣS 486 kN8.10146.45486==Σ=S S n （3－5） 3.2.2 滑轮选型计算工作滑轮直径:70028250=×=⋅≥d e D mm （3－6） 式中：——按钢丝绳中心计算的滑轮直径(mm)；0D d ——钢丝绳直径(mm)；e ——轮绳直径比系数,与机构工作级别和钢丝绳的结构有关,查表e=22.4；取滑轮直径:：D =800mm, =828mm；0D选用常州市神力起重滑轮有限公司制造的滑轮：滑轮代号： WJ4282（560-650-140-158）3.2.3 卷筒几何尺寸计算（1）卷筒形式：单层双联卷筒(见图7)图4 单层双联卷筒（2）卷筒基本尺寸卷筒槽底直径D （e-1）d （查参考文献[1]）（3－7） ≥228P 式中：d ——钢丝绳直径；e ——筒绳直径比，取e =22.4；则： D 21.4×28=599.2mm,初选D＝1100mm, ＝D+d=1128mm≥0D 每联绕绳圈数 n =75.19128.12350=××=⋅ππD mH ；（3－8） 式中：H ——起升高度，H =35m；m ——滑轮组倍率，m =2；——卷筒计算直径，由钢丝绳中心算起的卷筒直径；0D 绳槽节距 p =d +（2~4）mm，取p =31 mm；6823122)(10=×=+=p z n L mm；（3－9） 1L =290mm ；mm；=100mm；160'1=L g L 2L =3p=93mm；（3－10） L s =2×（）+++=2×(93+682)+100+290+160=2100mm （3－11）02L L +g L 1L '1L式中： ——卷筒上有螺旋槽部分长度；0L 1L ,——无绳槽卷筒端部尺寸，由结构需要决定；'1L 2L ——固定钢丝绳所需长度，=3p ；2L g L ——中间光滑部分长度，根据钢绳允许偏角确定；s L ——卷筒长度；1z ≥1.5——为固定钢丝绳的安全圈数，取=2；1z （3） 钢丝绳压板组件根据钢丝绳直径d=28, 参看上海振华港口机械（集团）公司选用标准，选用该公司钢丝绳压板组件RCO8A3.2.4 起升电机选型计算（1）计算电动机的静功率（查参考文献[1]）95P 针对两种不同工况，对电机的选用要求：40t,18m/min 时： 134903.0601000980018)17.140(1000)(1011=××××+=⋅+=ηv Q Q P j kW （3－12） 16t,36m/min 时： 8.111903.0601000980036)17.116(1000)(2022=××××+=⋅+=ηv Q Q P j kW （3－13） 式中： v ——起升速度；η——机构总效率，903.095.098.098.099.0=×××=⋅⋅⋅=c t d z ηηηηη；z η——滑轮组效率；d η——导向滑轮效率；t η——卷筒效率；c η——传动效率；（2）选择电动机功率考虑起重机的类型、用途、机构工作级别和作业特点，以及电动机的工作特性，同时为了满足一套驱动机构两种不同的起升速度要求，需要选择变频电机。
