电动轮胎起重机运行机构设计

1/30电电动动轮轮胎胎起起重重机机运运行行机机构构设设计计电动轮胎起重机因其机动性好，操纵轻便，能很好地满足多用途装卸作业的需要，因而在港口，货场，车站得到了广泛地使用。而根据轮胎起重机的作业特点为其配备特制的专用底盘较一般装卸运输车辆底盘结构截然不同，其行驶工况和对其行驶机构的要求同其他轮式运行车辆亦有很大区别。本文根据作者从事轮胎起重机设计制造的经验，对轮胎起重机行驶机构的设计进行了总结和探讨。一一 行行驶驶机机构构的的典典型型构构成成、 、方方案案及及选选择择轮胎式起重机运行机构由传动系统，运行支承系统，转向系统和制动系统四部分组成。1 传传动动系系统统如图 1-1 为分别驱动方案，电机通过联轴节，减速器，链轮及链传动分别驱动左右驱动轮。该方案采用串激直流电机，利用电机转速可随外负载变化的特性实现起重机转向时左右轮的差速，同时在电气控制系统中通过电机的并联或串联运行以实现起重机高速、低速行驶或在坡度上爬坡行驶。该传动方案传动效率较低，存在开式传动环节，传动噪音大，传动元件磨损较快，机构布置所需空间较大，目前仅在小吨位轮胎起重机机上应用，在大吨位轮胎起重机中较少应用。图 1-12/30如图 1-2 为集中驱动方案，由电机通过联轴节、变速器、万向传动轴、驱动桥主减速器、差速器、车轮轮边减速器驱动车轮转动。在该方案中通过改变变速器的传动比可适应在不同工况路面上行驶。目前，变速器均采用专用设计，但通过合理匹配，也可选用其它工程机械已成系列并成熟的产品，如装载机变速器。集中驱动方案传动效率较高，机构布置紧凑，零部件通用化程度高，应于优先采用。图 1-2在目前电力传动轮胎起重机中，其驱动机大都采用直流串激电机，其特性曲线软，可带载起动及反转，能较好适应车辆工作需要，因而得到了广泛的应用。随着交流调速技术，电力拖动技术的发展和对环保，节能要求的不断提高，交流电机在电动轮胎起重机中也将会得到应用,通过变频调速、增加液力传动单元等措施，可较好的改善其牵引性能。2 运运行行支支承承系系统统轮胎起重机运行支承系统由车架、车桥、悬挂装置、车轮和轮胎组成。2.1 车车架架车架将起重机工作时作用于回转支承装置上的载荷传递给起重机支腿或轮胎再传递至地面。在起重机运行时，承受各构件的重力和行驶3/30驱动、制动系统传递的各种力、力矩。车架必须具有足够的强度，适当的抗弯刚度、抗扭刚度。图 1-3 及图 1-4 为两种常用结构型式。图 1-3 为大箱形梁结构。此种结构其抗扭刚度大，在地面很平时可有效减小或消除支腿抬腿现象。但由于采用封闭箱形结构，在支腿受力不均或地面不平时，结构中存在着很大扭转剪应力，特别是在与回转支承部位连接处，由于约束刚性较大，约束剪应力往往极大，易于此部位出现焊缝、焊缝母材开裂。此种结构形式应用已趋于少见。图 1-3图 1-4 为双梁结构，该种结构形式其抗扭刚度虽较箱形梁小，但其可较好适应地面不平和各支腿受力不均情况，结构中约束扭转剪应力较4/30图 1-4小，各部位、构件受力明确，结构能较好地与计算简化模型相符合，计算结果可很好的与实际测量值相吻合。现该结构已得到大量应用，新设计时应优先考虑。2.2 车车桥桥 一般采用双车桥，前桥为转向桥，后桥为驱动桥。对大吨位起重机为提高其通过性能通常采用多桥，前桥转向，中后桥驱动，其驱动桥为贯通式。对大吨位起重机，也有采用双前桥的，但为减小行驶转弯半径，一般采用多转向桥。确定车桥数目受轮轴许用载核的限制，同时还应考虑作业场所道路和桥梁标准的许用承载能力，特别是需经常在公路上行驶转场作业的起重机，其轴荷应符合我国公路技术标准中关于车辆轴荷规定（单桥13 吨，双桥 2X12 吨）。过去，起重机车桥一般根据车架结构和传动系统的要求进行特殊设计，车桥结构笨重，生产成本高，制造周期长。随着工程机械技术的不断进步与发展，现已有成系列的工程机械驱动桥及转向桥可供选用。在新设计时应优先采用外购成品桥。对大吨位轮胎起重机，现已有大负荷承栽能力的车桥可供选用，如作业场所，道路条件允许，应优先采用双桥，以减小整机尺寸。2.3 悬悬挂挂装装置置由于轮胎起重机运行速度一般较低，作业时又有带载行驶作业要求，故一般均采用刚性悬挂。其悬挂主要连接形式有如下两种。一是采用三支点方式，后桥采用两个支点同车架刚性连接，前桥通过中央水平铰同车架铰接，前桥可绕水平铰中心线上下摆动，在前桥两端采用限位装置限制其上下摆动角度。二是采用四支点方式，前、 （中）后桥均在车桥5/30两边通过刚性支点与车架连接。采用第一种连接方式，各车桥及车轮受力明确，能较好的适应不平道路，但车辆在侧坡上行驶时稳定性差，吊载行驶时需将前桥固定使其成为四点刚性支承。四支点连接方式，整机稳定性好，能较好地适应吊载行驶工况，然而在不平路面上行驶时各车桥及车轮受力不均，甚尔会出现一个或多个车轮腾空现象，但随着港口路面条件改善，该种连接方式已得到越来越广泛的应用。设计时，应根据起重机用途及将可能适应的作业场所选择采用何种悬挂连接方式。当起重机行驶速度大于 30 Km/h 时，则应采用弹性悬挂，在吊载作业时采用锁紧装置将弹性悬挂装置锁死使之成为刚性悬挂。常用的弹性悬挂有钢板弹簧悬挂，扭杆弹簧悬挂，空气弹簧悬挂，油气弹簧悬挂。国外轮胎起重机车桥同车架连接已有采用主动式油气悬挂装置的应用，其所有车轮都通过油气悬挂同车架连接，当车架位于最低位置时为刚性悬挂，车架升起时则为弹性悬挂。2.4 车车轮轮与与轮轮胎胎一般采用标准汽车车轮，充气橡胶轮胎或其它工程机械车轮与轮胎,如装载机,工程运输车等。因起重机自重较大，为提高轮胎承栽能力和适应起重吊栽行驶，应选用承栽能力大的高压轮胎。3 转转向向系系统统轮胎起重机均采用偏转车轮转向。司机室布置在整机上车时，均采用全液压动力转向操纵系统。该系统由油泵装置、全液压转向器、转向油缸及转向梯形机构组成。转向操纵系统通过全液压转向器的计量供油驱动转向油缸，推动转向梯形机构。转向油缸有单作用缸和双作用缸两种方式，普通单驱动油缸由于左右转向速度不一致，而采用贯通式单作用油缸结构又较复杂，故单作用油缸方式已较少采用，现已普遍采用双6/30驱动转向油缸方式。由于起重机轴荷大，其转向桥一般都采用双胎，轴向所需安装空间尺寸较大，同时为避免转向梯形机构梯形臂与轮胎轮辋产生干涉，并减小转向主销受力，在轮距确定的条件下也希望车轮纵向轴线至主销距离尽量小，故应最大限度加大主销间距，所以应采用内置式转向梯形机构。4 制制动动系系统统由行车制动和驻车制动两套系统组成。制动系统包括制动器和制动操纵装置，此两套系统应分别设独立的操纵装置，但其制动器可以共用。轮胎起重机一般采用气动驱动操纵装置，内涨蹄式制动器。制动方案一是通过后桥双腔作用气室，其前后腔分别由行车制动和驻车制动操纵系统控制，可实现行车制动和驻车制动。也有采用单作用气室实现行车制动，另外在电机输出轴上设中央制动器实现驻车制动。双腔作用气室因零件少，安装维护方便，现已得到越来越广泛应用。轮胎起重机机一般采用后桥车轮制动，大吨位起重机也有采用全轮制动的，具体设计时应根据实际需要确定。二二 传传动动系系统统的的设设计计计计算算 1 运运行行阻阻力力计计算算起重机行驶时受到道路滚动阻力、坡度阻力、风阻力及加速时的惯性力作用。1.1 滚滚动动阻阻力力 FfFf=mgfcos 2-1m 整机质量,kgg 重力加速度 , 9.8 m/s2。f 道路滚动阻力系数。7/30 道路坡度角。1.2 坡坡度度阻阻力力 FF=mgsin 2-21.3 风风阻阻力力 FwFw=KA0q 2-3 A0 起重机迎风面积, m2。K 风力系数。q 计算风压，N/m2。轮胎起重机虽然运行速度较低，但主要应用于海港货场等开阔多风作业区域，且自身迎风面积较大，故应考虑其运行时的风阻力。1.4 惯惯性性阻阻力力 FjFj=meqa 2-4meq =m+jeie2/rq2+ j1i12/rq2+ j2i22/rq2+jq/ rq2+ jc/ rc2=m=1+ jeie2/m rq2+ j1i12/m rq2+ j2i22/m rq2+jq/ m rq2+ jc/m rc2meq 电机、传动轴、其它传动件及车轮的转动惯量转换到驱动车轮轴上的等效质量,kg。 质量转换系数,初步计算时可取 =1.21.6。je 电机转子转动惯量,kgm2。j1、j2 变速器、传动轴、其它传动件转动惯量,kgm2。jq 、jc 驱、从动车轮转动惯量,kgm2。rq、rc 驱、从动车轮滚动半径, m。ie 、i1 、i2 电机、传动轴、其它传动件到驱动车轮的速比。a= 加速度，可取为 0.5-1.1 m/s2。小吨位取大值，大吨位取dtdv8/30小值。2 电电机机功功率率计计算算和和电电机机选选择择应分别按下述三种工况计算电机功率。工况：起重机在坚硬水平路面上克服类风荷，以设计最高车速匀速直线行驶，并保留一定的动力储备。工况：起重机在坚硬路面上克服类平均风荷，平均连续爬坡度为 2%，以设计平均车速匀速直线行驶。工况：起重机在不良路面上克服类风荷，以低速匀速爬上最大坡度。2.1 工工况况电电机机功功率率 P1P1= kW 2-1000max1vkF5K 考虑车辆加速的动力系数。与起重机起步加速度相关，可根据惯性阻力、滚动阻力、风阻力之和同滚动阻力、风阻力之和之比值确定，一般可取 K=2.53.0，要求起步加速快则取大值，反之取小值。F1=Ff+Fw NFf 平路上的滚动阻力, N。Fw 类风阻力, N。Vmax 设计最高车速,m/s。 电机力矩过载倍数，对直流串励电机取电机二倍额定电流时对应力矩同电机额定力比值，=2.02.25。他励和复励电机，=1.52.0。对交流笼形电机，=1.62.2。对交流绕线电机, =1.52.0。对交流电机，因当发电机组容量较小时，还应考虑电压损9/30失，上述系数应乘以 0.72。 电机转速适应系数，=nN/nM ,nN,nM 分别为电机额定功率转速和最大转矩时转速。对直流串励电机取 =1.151.3, 对他励电机和交流电机取 =11.1。对复励电机应根据他（并）、串励绕组安匝数比例确定。 传动系统效率, 对机械传动取 =0.85-0.9, 对液力机械传动取 =0.75-0.85。2.2 工工况况电电机机功功率率 PP= kW 2-6100011pvFF=Ff+F+0.7FW NVP 设计平均车速，一般可取为最高运行速度的 0.7 倍，m/s。计算坡度阻力时按平均坡度 2%计算。2.3 工工况况电电机机功功率率 P P= kW 2-1000min111vF7F=Ff+Fmax+FW NVmin 设计低速运行车速, m/s。2.4 电电机机选选择择及及验验算算电机额定功率按 S2-60 分钟工作制标定，对其它工作制电机，可按电机技术参数表和其它换算规则进行换算。按工况计算功率选择电机以保证具有适当的起步加速能力，按工况核算电机发热和工况计算功率核算电机过载能力。电机额定功率 PeP1 和 PeP ,并使 PeP/10/303 传传动动系系统统传传动动比比的的确确定定按车辆最高运行速度确定高速档传动比，根据最大爬坡度及低速运行