QH(R)6型熔融钢丝绳电动葫芦设计与计算

张志新

(南京起重机械总厂有限公司技术中心，江苏南京 211178)

2007年4月，辽宁省铁岭市清河特殊钢有限责任公司发生钢水包倾覆特重大事故后，国家检验检疫总局办公厅颁发了质检办特［2007］375号文《关于冶金起重机械整治工作有关意见的通知》，通知明确规定了10t以下(含10t)电动葫芦吊运熔融金属时所必备的基本技术条件。根据上述“通知”及TSG Q0002-2008《特种设备安全技术规范》的具体要求，南京起重机械总厂有限公司对现行生产的QH6型电动葫芦进行改造，设计出QH(R)6型、起重量为10t、工作制为M6的熔融钢丝绳电动葫芦。

1 升级与改造

1.1 原产品的升级

QH(R)6型10t熔融钢丝绳电动葫芦是在QH6型钢丝绳电动葫芦基础上设计、改进的。QH6型钢丝绳电动葫芦起升机构工作级别是由机构利用等级和起升机构载荷状态确定的，QH6型电动葫芦的起重量和工作级别见表1。通过表1可以看出，起重量为10t时，机构工作级别为M5，这不符合相关规定要求。因此需要对原机构进行升级改造，以达到起重量为10t时，工作级别为M6这一要求。具体方法是：缩小卷筒直径，减小扭矩，使起重量16t时的扭矩为原有扭矩的0．8倍，保证减速器升级后正常使用，同时对其他受力部件也做相应的调整，以满足设计要求。减小卷筒直径后，起升速度相应减慢，这样也保证了原有电机可以继续使用。升级后的QH6型电动葫芦的起重量和工作级别见表2。

1.2 升级后产品的改进措施

上述产品升级以后，产品在吨位、工作制上已满足要求，再根据相关文件的规定对产品进行进一步地改进，使其符合吊运熔融金属的基本条件和规范，具体措施如下：(1)在电动葫芦卷筒(低速级)上设置一个安全制动器装置，当工作制动器失灵或传动部件发生断裂时，能够可靠地支撑住载荷，防止逆转，其结构为棘轮，棘爪为外啮合形式，也称之为棘轮停止器。(2)上、下限位采用了凸轮高度限位开关，安装在卷筒上，可进行上下各两级限位，并增加了上限位重锤装置。(3)将原来的跟随式操作改为遥控操作，在保证操作人员视野的同时，提高了安全性。(4)钢丝绳采用了金属股芯耐高温绳，安全系数为6倍。(5)葫芦上的滑轮均采用钢制滑轮，不再使用原有的铸铁滑轮。(6)安装起重量超载限制器，当过载时能自动切断起升动力源。(7)安装了隔热保护装置，以保护电机、电气系统。(8)安装了急停限位开关，当失速制动时，棘爪切入棘轮的同时压住急停限位开关按钮，切断电源。(9)电机的防护等级IP54以上，绝缘等级H级。(10)电气控制上也做相应的改进。

表1 QH6电动葫芦的起重量和工作级别

表2 升级后QH6电动葫芦的起重量和工作级别

通过上述升级和改进，在原有产品基础上生产出了符合要求的QH(R)6型10t熔融钢丝绳电动葫芦，如图1所示。

图1 QH(R)6型10t熔融钢丝绳电动葫芦

2 设计改造过程中的重要计算

2.1 起升机构计算

QH(R)6型熔融钢丝绳电动葫芦额定起重量为10t，钢丝绳缠绕方式为4/2绳，工作级别为M6，最大起升高度为20m。根据以上设计要求，对起升机构基本计算如下：

a．升级计算。

机构工作制由原来的起重量10t、工作制M5，升级为起重量10t、工作制M6，将起升扭矩减为原来的0．8倍，故卷筒直径按比例缩小。卷筒中径：

b．起升速度计算。

式中：n为起升电动机转速，取值1 400r/min;λ为减速器传动比，取值131．72;m为滑轮组倍率，取值2。

c．钢丝绳选择。

式中：s为钢丝绳静拉力;n为安全系数，工作制M6时n=6;0．95为滑轮效率。

对照国标 GB/T8918-1996，钢丝绳选用16NAT6×36SW+IWR+NF1770ZS金属股芯钢丝绳，其最小破段拉力为161kN。

d．卷筒强度计算。

式中：A1为应力减小系数，取值0．75;A2为多层缠绕系数，取值1;Smax为钢丝绳最大静拉力，Smax=1．1=26．95(kN);δ为卷筒壁厚，取值20;P 为螺距，取值18。卷筒材料为 Q235B，117．5(N/mm2)

熔融钢丝绳电动葫芦起升高度不高，卷筒长度有限，因此不再计算由弯矩产生的拉应力，卷筒也不需要进行稳定性校核。

2.2 棘轮制动装置计算

2．2．1 棘轮主要参数计算

棘轮受到的扭矩：

式中：Q=10t，为载荷 t;D中=384mm为卷筒中径;n为系数。

棘轮模数：

式中：Z=12为棘轮齿数;ψm=0．8为齿宽系数;σw为材料的许用弯曲应力。将计算出的m值圆整，略作加大，取m=44。

棘轮材质为40Cr，经过调质处理后σs=345(N/mm2)。

棘轮直径：

棘轮宽度：

由于棘轮宽度要略大于棘爪宽度，所以将b值加大圆整，取b=50mm。

2．2．2 棘爪强度计算

参看图2进行棘爪强度计算。

图2 棘爪受力方向及相关参数

式中：b=46mm为棘爪宽度;δ=101mm为棘爪断面厚度;e=51mm为偏心距。

根据以上计算数据，按下列公式进行棘爪强度计算。

2．2．3 棘爪轴的强度计算

棘爪轴的的受力情况如图3所示。

Mw=33 409．1 × 51=1 703 864(N·mm)轴径：

图3 棘爪轴受力图

将轴径值略作放大，取d=50mm。

棘爪轴材料为40Cr，并进行调质处理。

2 ．3 其他部件计算

QH(R)6型熔融钢丝绳电动葫芦的吊钩装置按起重量为10t、工作制为M6进行设计，借用原有QH5、起重量 20t、工作制为M3的吊钩即可，不再进行计算，定滑轮部分也是一样借用原产品部件。运行机构借用CD型产品，也无需再进行验算。

3 结束语

QH(R)6型熔融钢丝绳电动葫芦是在原有产品基础升级改造而成的，设计周期短，投入市场快。但产品还未形成系列化，需进一步开发全系列产品。同时，随着用户对起重产品安全性能要求的提高，该产品上的安全制动器装置还被普通的电动葫芦所采用，有了更广泛的应用空间。