电动葫芦起升机构模块化设计

　　电动葫芦是一种产量大、使用面广的轻小型起重设备。我国目前生产、使用的电动葫芦(见图1)绝大多数是1963年联合设计的CD/MD型，此外还少量生产、使用AS型和TV型电动葫芦。就其设计质量的综合评价，是不尽如人意的。电动葫芦更新换代慢，开发周期长，产品标准化、通用化水平不高，生产准备工作量大，投产上市速度慢。

图1　CD/MD电动葫芦总图

　　电动葫芦是一种技术并不复杂，采用常规方法设计的起重设备。由于以往设计手段上的落后和设计主导思想上的影响，使设计的电动葫芦没有充分发挥其产品性能，而设计中的失误又造成极为严重的损失。一般说来，产品使用不当或制造中的质量问题具有局部性和偶然性，通常可以通过一定措施补救、修复或避免。而设计本身就存在问题的话，将是根本的、全面的，常常在使用一定时间后才发现，因而造成了相当大的损失，并难以采取补救措施，最后不得不重新设计新的产品。

　　1.1　CD/MD电动葫芦性能参数少
　　30多年的使用实践证明，当年按中级工作制度(HB25%)设计的CD/MD系列电动葫芦，主性能参数起重量从0.1t到10t共8个吨位，1个吨位的电动葫芦仅有1个起升速度(8m/min)和1个双速起升速度(8/0.8m/min)、1个工作制度。主参数见表1。除去起升高度H=6～30m的6个规格可供选择外，用户无法选择需要的起升速度和工作制度。

表1　CD/MD电动葫芦性能参数表

起重量(t)0.250.51

2

3

5

10

起升高度(m)3～126～186～30

9～30

起升速度(m/min)

8

8；8/0.8

7；7/0.7

运行速度(m/min)20；30

机构工作级别M3

电
动
机

起
升型号

ZD112-4ZD121-4ZD122-4ZD131-4ZD132-4ZD141-4ZD151-4功率(KW)0.40.81.534.57.513转速(r/min)13801400

运行

型号AOZ5024ZDY111-4ZDY112-4ZDY121-4

功率(KW)0.060.20.40.80.8×2

转速(r/min)1380　　
    1.2　设计中的缺陷
　　电动葫芦使用中，电机轴发生断裂，减速器箱体发生断裂，尤其是起升高度H=30m的电动葫芦，其中间轴在离心力作用下发生严重弯曲塑性变形，轴从花键中脱落，轮胎联轴器损坏。第三级齿轮设计的耐久性和静强度不合格，磨损严重以至不能传递运动或造成载荷坠落事故。空心轴设计不合格发生扭断。而由导绳器的失效、开关触点粘连和限位开关失灵等造成的事故也时有发生。减速器箱体设计刚性不足和齿轮的倾斜角(β=8°06′34″)加工误差造成啮合性能不好，产生噪声。证明产品设计质量可靠性差。

　　1.3　改变电动葫芦的工作级别
　　CD/MD电动葫芦的工作级别按照《起重机设计规范》(GB 381183)(以下简称“规范”)整改为M3(L2中，T3，1 600h)。这仅仅能做到零件设计计算上的“合格”，而改变不了使用的现实状况和所发生的事故。电动葫芦的起升机构总使用寿命为8a，每个工作日平均运行使用0.79h，如果载荷状态是中等，吊钩平均行程是4m，每天工作8h，起升速度8m/min，那么每小时平均工作循环次数仅为5.9次。除去小型水库闸门、设备安装或检修用途外，该系列电动葫芦无法满足绝大多数用户的使用要求。

  1.4　零部件通用程度差
　　CD/MD型电动葫芦设计时，起升机构组成的4个部件——起升用锥形转子制动电动机、减速器、卷筒装置和吊钩装置，均是单独设计，自成体系，上下左右互不关连。8个吨位、8套减速器、8种型号电动机、8套卷筒装置等。
　　综上所述，为了满足用户使用中对功能多样性、参数多样性及安全可靠性的要求，目前生产的电动葫芦CD/MD型及其变结构的C/M型电动葫芦必须进行换代设计。

　　2　电动葫芦起升机构部件模块化设计

　　模块化产品是指由一组特定的模块(具有一定功能和结合要素)在一定范围内组成多种不同功能或相同功能不同性能的产品。它是具有很强的适应性和灵活性的变型产品。模块化开发的基本原则是以少变应多变，用少量模块组合成多种产品，以优质、高效、低成本满足用户多样化、多层次的需求。
　　电动葫芦开发一是要从“质量第一”竞争策略向“快速响应市场”的竞争策略转移；二是从“适应型质量”向“满意型质量”转移，应用CAD技术和虚拟制造技术(VM)快捷地设计新产品。虚拟制造技术可以保证模块部件布局设计、零部件运动合理性，保证运动干涉、零件强度、刚度以及零件仿真、验证设计的正确性。避免零件制成后在装配时才发现配合性和装配性错误，或是产品在使用时发现零件设计中的错误。

  　2.1　起升机构模块的确定
　　电动葫芦起升机构的电动机、减速器和卷筒装置三个部件的排列有平行轴(图2a)和同轴两种排列方式。同轴又分为b，c两种排列。目前国外多家公司用图2c的排列方式。电动机输出轴端是齿轮，它与减速器齿轮啮合。减速器输出轴花键直接与卷筒连接。其优点如下。

图2　起升机构部件排列图
1.电动机　2.减速器　3.卷筒装置

　　(1)图2c的排列方式更有利于模块化设计。把三个部件作为三个独立的模块，每一模块设计可以满足多性能参数的要求。
　　(2)减少了零部件。不用减速器第一级传动小齿轮轴，由电动机轴端齿轮代替；不用轮胎联轴器和由起升高度决定长度的中间轴；省去了加工工序多的空心轴而改用实心轴。
　　(3)用户可以选择任意起升高度的电动葫芦，它不再受连接传动的中间轴的限制。
　　(4)减速器用斜齿轮传动，在载荷方向不变、齿轮传动属脉动循环的情况下，对电动机除产生一个弹簧制动的轴向力以外，还有一个载荷产生制动的轴向力。当斜齿轮倾斜角一定时，轴向力大小与载荷成正比，起吊载荷越大，该轴向力也越大，产生的制动力矩也越大；反之亦然。它可以减小制动弹簧的轴向力，对制动瞬间的冲击减小，电动机轴受扭转的冲击也将减小，尤其表现在起吊轻载荷时，提高了电机轴的安全性。
　　作者设计了电动葫芦起升机构减速器、卷筒装置的模块。用现有ZD型5个机座号的电动机，设计4个减速器和4个卷筒装置模块，使起重量规格不仅覆盖了表1的所有起重量数目，从0.1t到25t共25个起重量规格。如果再用2台电动葫芦组合成双卷筒电动葫芦，还会增加32t、40t和50t三个规格。这样就比原系列增加了整整20个起重量规格。而每一个起重量可有3个工作级别(M3，M5，M6)、6个以上的起升速度规格可供用户选择。
　　2.2　确定电动机制动弹簧轴向力
　　按图2c设计电动葫芦起升机构时，ZD型电动机应作结构性改变，见图3。电动机轴端斜齿轮由载荷产生的轴向力应等于绕上卷筒的钢丝绳拉力在电动机轴端斜齿轮产生的轴向力减去所有传动斜齿轮啮合面间摩擦力的轴向分力。轴向力N按下式计算：

　　　　　　　　　　　　　　(1)

式中：PQ为起重量(N)，满载起重量为PQmax；PG为吊钩装置重力(N)；m为滑轮组倍率；i为减速器传动比；D0为卷筒计算直径(m)；d1为电动机轴端斜齿轮分度圆直径(m)；η为传动效率；β为电动机轴端斜齿轮倾斜角(°)。

图3　锥形转子制动电动机

　　式中用传动效率η表征斜齿轮啮合面间摩擦力的轴向分力，在计算时是趋于安全的。在设计时，取电动机轴端斜齿轮的倾斜角方向，产生的轴向力应该是增加制动力矩的。
　　制动电动机轴需要静制动力矩Mjz按式(2)计算

　　　　　　　　　　　　　　(2)

制动器的制动力矩Mz按式(3)计算

　　　　　　　　　　　　　　(3)

式中：Nd为制动状态时弹簧的轴向压力(N)；μ为制动轮与制动环的制动面间的摩擦因数；Dz为锥形制动片的平均直径(m)；α为锥形制动片斜面与水平的夹角(°)。
　　制动状态弹簧的最大轴向压力Nd按式(4)计算

　　　　　　　　　　(4)

式中：n为制动安全因数，按“规范”4.2.1.3选取。
　　此处要说明一点，由弹簧轴向力产生的制动力矩必须大于或等于1.1Mjz。
　　比较图1和图3电动机的结构可知，图1中的风扇制动轮到制动弹簧间的电动机轴段是受拉力，此段发生断轴，载荷迅速坠地发生事故，而图3中的制动轮到制动弹簧间的电动机轴段是受压力，再加上载荷在电动机轴端产生的轴向压力，万一发生断轴，由于轴材料和热处理的原因，轴断口尤如锯齿形“花键”，它不会发生载荷迅猛坠地事故。
　　2.3　起升减速器模块设计
　　起升机构减速器是传动的核心设计。设计时用“规范”给定的载荷计算条件，载荷计算因数，耐久性计算和静强度计算因数在不同工作级别的差别，以及安全因数计算时因数的差别等规律，用1个起重量、1种工作级别、1种滑轮组倍率、2种起升速度配套选用的2台功率不同的电动机设计出一台优化后的基型减速器模块。例如减速器齿轮设计的计算载荷，“规范”规定承受惯性载荷较小的零件，疲劳计算基本载荷取起升载荷与动载因数ψ6的乘积产生的力矩，其它零件取计算零件承受电动机额定力矩的1.3～1.4倍；而零件静强度计算的工作最大载荷，前者零件取起升载荷上ψ2的乘积产生的力矩，而后者载荷取电动机额定力矩的2.0～2.5倍。设计时取因数的最大值和电动机额定力矩的最大值。
　　减速器模块设计按下列原则进行，图4是减速器结构图。

图4　起升减速器

　　(1)减速器三级硬齿面齿轮传动；
　　(2)配套用的ZD型起升电动机轴端齿轮的模数和齿数不变，便于电动机厂生产配套；
　　(3)最后一级大齿轮的分度圆直径应大于或等于卷筒计算直径；
　　(4)改变第二级齿轮传动比，以满足1台减速器模块配套2台功率不同的电动机，获得12个起重量规格、3种工作级别、24种起升速度供用户选取；
　　(5)齿轮轮齿接触疲劳极限σH lim和弯曲疲劳极限σF lim取平均中值。齿面接触耐久性安全因数SH≥1；弯曲疲劳强度安全因数SF≈1.2。

　　3　模块化设计电动葫芦起升机构主参数系列

　　起升机构划分为4个基型模块设计，起重量是0.32t、2t、5t和10t；滑轮组倍率m=2；工作级别M5(L2中，T5、6 300h)。设计4个减速器、卷筒装置模块。列举作者按图2c设计完成的10t基型模块，其主参数列于表2。基型模块设计完成后，按R10优先数系确定起重量，通过改型设计；再用FC40%的电动机组合将滑轮组倍率改变为m=1和m=4；再用双卷筒组合成双卷筒电动葫芦。其主参数分别列于表3,表4和表5中。三个表中的主参数均是由1个减速器模块和1个卷筒装置模块设计得到的。共有13个起重量规格，其中12.5t和25t均有2种工作级别和6种起升速度可供选择，设计仍保留了双电动机微速装置，起升速度之比值为1∶10；并且运用ZDD1∶4的双速电机，可供用户选择的起升速度范围相当宽。

表2　基型起升机构设计的主参数起重量
(t)电动机*工作
级别滑轮组
倍　率起升速度
(m/min)减速器
速　比卷筒直径
(mm)型　号功率(kW)转速(r/min)FC10ZD151413140025%M5m=26.7141.52430ZD152418.51094.726

*本文电动机的基本参数全部摘自《湖北咸宁起重电机有限责任公司》产品说明书

表3　滑轮组倍率m=2起升机构改型设计的主参数

起重量(t)电动机

工作
级别

滑轮组
倍率

起升速度
(m/min)

减速器
速比

卷筒直径
(mm)型号功率(KW)转速(r/min)FC12.5

ZD151-413140025%M3m=25.4174.07430ZD152-418.58.4112.968ZDX51-411142140%M67.5128.73ZDX62-618.59201252.1686.3ZDX51-41114219107.94ZDX62-618.592014.542.710

表4　滑轮组倍率m=1，4起升机构改型设计主参数滑轮组倍率m=1m=4起重量(t)6.3543.225201612.5起升速度(m/min)11171320152418292.74.23.353.764.57.2工作级别M3M5M6M3M5M6

表5　双卷筒电动葫芦主参数滑轮组倍率m=2m=4起重量(t)25201612.550403225起升速度(m/min)5.48.46.7107.512914.52.74.23.353.764.57.2工作级别M3M5M6M3M5M6　　
    模块化产品是用少量的模块组合成多种不同功能或相同功能不同性能的产品。在选择电动葫芦模块时，一定要根据起重量利用率曲线确定最少的基型，同时注意两个相邻基型的起重量间隔。这是因为按基型起重量设计的模块有3种工作级别，改型得到的起重量仅有M3和M6两种工作级别，此外，本文设计的模块是用现有的ZD型电动机系列设计的，如果按GB 75587《电机基本技术要求》完善ZD型电动机系列设计，增加FC15%、FC40%和双速电动机，那么对电动葫芦模块化设计更有利、主参数也更趋合理。

选自《机械设计与制造工程》