橋(門)式起重機起升機構高速浮動軸設計

張 科

(中鐵十六局集團北京建功機械有限公司，北京 101500)

橋(門)式起重機起升機構的電動機與減速器采用一中間軸，軸的一端與半齒聯軸器連接，另一端與帶制動輪的半齒聯軸器連接。像這種在兩個半齒聯軸器之間沒有外支座的中間軸，除允許徑向和角度有微量偏移外，由于可沿軸向稍微竄動，因此，稱它為浮動軸，又因為其連接的部位為減速器高速軸一側，故也稱為高速浮動軸。

1 高速浮動軸的優點

高速浮動軸連接比利用彈性柱銷聯軸器或全齒聯軸器有如下優點：(1)容許較大的安裝誤差，而且軸愈長允許的安裝誤差愈大，故浮動軸長度一般不宜過短(一般不小于500 mm)，否則所起的補償作用不大。(2)由于有足夠的維修操作空間，便于拆卸和更換零件。(3)由小車的自重引起輪壓分布均勻。

2 高速浮動軸的設計計算

2.1 基本設計參數

本文以MG45/15 t-26.5 m門式起重機的主起升機構為例計算設計計算分析，其基本設計參數為：

(1)電動機YZP355L1-10/110 KW(電動機額定力矩Me=1 786.6 N·m)；

(2)起升工作速度11 m/min。

2.2 高速浮動軸疲勞計算

起升機構疲勞計算基本載荷，見式(1)。

Mlmax=φ6×Me=1.065×1 786.6=1 902 N·m

(1)

式中：MImax-起升機構疲勞計算基本載荷，N·m；φ6-動載系數，見式(2)；Me-電動機額定力矩，已知為1 786.6 N·m。

φ6=0.5×(1+φ2)=0.5×(1+1.13)=1.065

(2)

φ2-起升載荷動載系數，見式(3)。

(3)

式中：v-設計起升速度，已知為11 m/min。

高速浮動軸受到的扭轉應力，見式(4)。

(4)

式中：τn-高速浮動軸受到的扭轉應力， MPa；MImax-起升機構疲勞計算基本載荷，已知為1 902.7 N·m；W-設計的高速浮動軸的彎矩m3，見式(5)。

W=0.2d3=0.2×0.093=0.000 145 8 m3

(5)

式中：d-高速浮動軸計算直徑，設計為外徑100 mm，與聯軸器連接處直徑為90 mm，故計算直徑為0.09 m。

高速浮動軸的材質選用45#鋼，查表2-1-7可知σb=600 MPa、σs=355 MPa，由此可計算出鋼材的抗彎曲強度，見式(6)。

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

(6)

式中：σ-1-鋼材的抗彎曲強度， MPa；σb-鋼材抗拉強度，已知為600 MPa；σs-鋼材屈服強度，已知為355 MPa。

高速浮動軸鋼材的抗彎扭轉強度，見式(7)。

(7)

式中：τ-1-高速浮動軸鋼材的抗彎扭轉強度， MPa；σb-鋼材抗拉強度，已知為600 MPa；σs-鋼材屈服強度，已知為355 MPa。

高速浮動軸受脈動循環的許用扭轉應力，見式(8)。

(8)

式中：[τOK]-高速浮動軸受脈動循環的許用扭轉應力， MPa；τ-1-高速浮動軸鋼材許用疲勞應力，已知為148.9 MPa；η-考慮材料對應力循環不對稱的敏感系數，對碳鋼及低合金鋼η取0.2；n1-安全系數，由表30查得為1.25；k-考慮零件幾何形狀和零件表面狀況的應力集中系數，見式(9)。

k=kx×km=2×1.25=2.5

(9)

式中：kx-與零件幾何形狀有關，對于零件表面有急劇過渡和有鍵槽及緊配合區段，一般取1.5～2，取2；km-與零件表面加工光潔度有關，對于粗糙度1.25，一般取1.25～1.35，取1.25。

由以上計算可知：τn=13.05 MPa<[τOK]=88 MPa。設計的高速浮動軸疲勞強度滿足要求。

2.3 高速浮動軸強度計算

軸所受最大轉矩，見式(10)。

MⅡmax=φ2×Me=1.13×1 786.6=2 018 N·m

(10)

式中：MⅡmax-軸所受最大轉矩，N·m；φ2-起升載荷動載系數，已知為1.13；Me-電動機額定力矩，已知為1 786.6 N·m。

最大扭轉應力，見式(11)。

(11)

式中：τmax-最大扭轉應力， MPa；MⅡmax-軸所受最大轉矩，已知為2 018.9 N·m；W-設計的高速浮動軸的彎矩，已知為0.000 145 8 m3。

許用扭轉應力，見式(12)。

(12)

式中：[τⅡ]-許用扭轉應力， MPa；τs-高速浮動軸鋼材的屈服扭轉強度 MPa，見式(13)；nⅡ-安全系數，取1.5。

τs=0.6×σs=0.6×355=213 MPa

(13)

式中：σs-鋼材屈服強度，已知為355 MPa。

由以上計算可知：τmax=13.85 MPa<[τⅡ]=142 MPa。設計的高速浮動軸強度滿足要求。

綜上，可知，設計的高速浮動軸：材質45#鋼、外徑100 mm、與聯軸器連接處直徑為90 mm，符合設計要求。

4 結束語

以上計算結果可知，一般在設計高速浮動軸時，只考慮其直徑和材質，計算其疲勞極限和強度，其長度一般不予考慮，原因是由于起升機構運行過程同心度要求高，否則易發生卡組現象，故其長度方向上的擺動力矩不允許過大，計算時可不考慮其長度值。