起重机力矩算法：上旋转电磁挂梁起重机回转机构电动机计算
起重机力矩算法：上旋转电磁挂梁起重机回转机构电动机计算上旋转电磁挂梁起重机的小车及吊具如图1 所示。下部小车上布置有小车运行机构，可以实现小车在桥架轨道上的往复直线运动，上部小车通过回转机构与下部小车相连接，可以相对于下部小车在水平面上做回转运动，起升机构布置在上部小车上，电磁挂梁跟随上部小车一起回转，从而实现所吊物品的旋转。1 机构简介中图分类号：TH215 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）17-0062-030 引言电磁挂梁起重机是一种通过吊具挂梁下电磁铁吸取并搬运物品的桥式起重机，主要用于钢板、钢坯、棒材捆等尺寸较长物品的吊运；旋转电磁挂梁起重机通过吊具或小车的旋转实现所吊物品在吊运过程中水平方向上旋转一定角度。吊具可旋转的被称为下旋转电磁挂梁起重机，小车可旋转的则被称为上旋转电磁挂梁起重机。上旋转电磁挂梁起重机小车一般为上下两层结构，两层小车之间通过回转机构相连接，回转机构采用车轮和环轨或滚动轴承式回转支承。车
高立程
太原重工技术中心 太原 030024
摘 要：上旋转电磁挂梁起重机的回转机构可采用滚动轴承式回转支承，文中简要介绍了采用此回转机构的起重机小车及吊具，提出了回转机构电动机的计算方法，并探讨了这种方法在实际应用中发现的问题及解决措施。
关键词：上旋转电磁挂梁起重机；回转支承式回转机构；电动机计算
中图分类号：TH215 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）17-0062-03
0 引言
电磁挂梁起重机是一种通过吊具挂梁下电磁铁吸取并搬运物品的桥式起重机，主要用于钢板、钢坯、棒材捆等尺寸较长物品的吊运；旋转电磁挂梁起重机通过吊具或小车的旋转实现所吊物品在吊运过程中水平方向上旋转一定角度。吊具可旋转的被称为下旋转电磁挂梁起重机，小车可旋转的则被称为上旋转电磁挂梁起重机。上旋转电磁挂梁起重机小车一般为上下两层结构，两层小车之间通过回转机构相连接，回转机构采用车轮和环轨或滚动轴承式回转支承。车轮环轨式回转机构应用较多，计算方法较成熟，而回转支承式回转机构多应用于工程机械，在桥式起重机上应用较少，各类标准、设计手册及教材关于回转机构的计算方法也更适用于工程机械，在用于桥式起重机回转机构计算时多有不便，故主要讨论上旋转电磁挂梁起重机回转支承式回转机构电动机的计算。
1 机构简介
上旋转电磁挂梁起重机的小车及吊具如图1 所示。下部小车上布置有小车运行机构，可以实现小车在桥架轨道上的往复直线运动，上部小车通过回转机构与下部小车相连接，可以相对于下部小车在水平面上做回转运动，起升机构布置在上部小车上，电磁挂梁跟随上部小车一起回转，从而实现所吊物品的旋转。
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上部小车 2. 回转机构 3. 下部小车 4. 电磁挂梁5. 电磁盘 6. 所吊物品
图1 小车及吊具图
回转机构主要由三合一减速电机、回转支承、小齿轮等组成，如图2 所示。回转支承的外圈为外齿圈结构，用螺栓固定到上部小车架下方，内圈则用螺栓固定到下部小车架上。三合一减速电机通过小齿轮将动力传输到回转支承的外齿圈上，内圈固定不动，外齿圈便相对于内圈做回转运动，从而带动整个上部小车旋转。如果空间允许，三合一减速电机也可由电动机、减速器、制动器及联轴器组成的常规驱动机构代替，但无论采用哪种驱动机构，电动机功率的计算方法是基本一致的。
1. 三合一减速电机 2. 下部小车架 3. 小齿轮4. 回转支承 5. 上部小车架
图2 回转机构
2 回转机构电动机功率计算
根据GB/T 3811 － 2008《起重机设计规范》，回转机构电动机功率的计算主要考虑回转摩擦阻力矩、风阻力矩和坡道阻力矩，但这种算法主要针对室外运行的工程机械，对于一般在室内运行的电磁挂梁起重机，可以不考虑风阻力矩和坡道阻力矩。同时，由于上部小车自身、电磁挂梁、电磁铁以及所吊物品对回转中心均有较大的转动惯量，其绕回转中心旋转过程中会产生较大的惯性阻力矩，这应该是电动机功率计算过程中应重点考虑的因素，故电动机的等效功率
式中：Pe 为电动机等效功率；Mm 为摩擦阻力矩；Mg 为惯性阻力矩；N 为小车回转速度；η 为机构传动效率，对于电磁挂梁起重机，一般采用减速器和开式齿轮传动，可取η=0.8 ～ 0.85；λas 为电动机平均起动转矩标么值，即平均起动转矩与基准接电持续率时的额定转矩之比，对于交流电动机可取λas=1.5～1.6 ；1.1～1.3为系数，考虑回转机构传动部分（包括电动机转子、联轴器和制动轮等）的转动惯量的影响，将惯性阻力矩加大的系数。N 为回转速度，一般为用户提出，故计算电动机等效功率的主要未知量为摩擦阻力矩Mm 和惯性阻力矩Mg。
采用滚动轴承式回转支承的回转机构，摩擦阻力矩可以由回转支承制造商提供，也可按式（2）计算
式中：ω 为回转阻力系数，ω ＝ 0.01（滚球式），ω ＝ 0.012（滚柱式）；D 为回转支承滚道中心直径；ΣF 为全部滚球或滚柱所受总压力。
式中：Fa 为回转支承所受的总垂直力（轴向力），Fr 为回转支承所受的总水平力（径向力），γ 为滚动体的压力角，可按45°计算。
式中：mq 为起重机的额定起升质量；mc 为上部小车的质量，也就是回转支承以上部分的小车质量；ml 为电磁挂梁的质量；md 为全部电磁盘的总质量；g 为重力加速度，取g ＝ 9.81 m/s2。
式中：v 为起重机运行速度；tq 为起重机的运行起动时间，一般取5 ～ 10 s，也可按GB/T 3811 － 2008《起重机设计规范》中表13 选取，此处不再赘述。惯性阻力矩为
式中 ：Jq 为所吊物品对小车回转中心线的转动惯量；Jc 为上部小车对小车回转中心线的转动惯量；Jl 为电磁挂梁对小车回转中心线的转动惯量；Jd 为全部电磁盘对小车回转中心线的转动惯量之和；t 为回转起动时间，取t = 3 ～ 5 s。
所吊物品一般可近似看做长方体或圆柱体，上部小车一般可近似看做圆盘，电磁挂梁一般可近似看做长方体，然后用相应的转动惯量公式分别计算出Jq、Jc、Jl，这里不再赘述。
电磁盘一般为长方体或圆柱体，可以用相应的转动惯量公式计算每个电磁盘对其自身中心线的转动惯量Jd1、Jd2、……、Jdi，这个中心线要与小车回转中心线平行。同时，电磁盘是挂在电磁挂梁下，一般以一定距离对称布置，如图1 所示，则全部电磁盘对小车回转中心线的转动惯量之和为
式中：Jdi 为第i 个电磁盘对其自身中心线的转动惯量， mdi 为第i 个电磁盘的质量，li 为第i 个电磁盘中心线与小车回转中心线的距离，N 为电磁盘的数量。根据GB/T3811—2008《起重机设计规范》，所选电动机的功率应满足
式中：Pn 为所选电动机在CZ 值和实际接电持续率JC 值下的功率；K 为考虑环境温度和海拔因素的功率修正系数，可按GB/T 3811 － 2008《起重机设计规范》图15 选取；G 为稳态负载平均系数，可按GB/T 3811—2008《起重机设计规范》附录P 中表P.1 选取。
3 回转机构电动机校验
回转机构电动机过载校验公式为
对工作频繁的回转机构，为避免电动机过热损坏，应进行发热校验。
4 应用
在一些实际应用中，采用此方法计算出的电机功率偏小，这是由于滚动轴承式回转支承对底座的刚度要求非常高，而对于采用箱形梁框架结构的小车架来说，按常规经验设计很难满足回转支承的刚度要求。在刚度不足的情况下，小车架的变形会引起回转支承内外圈的变形，进而挤压滚动体与内外圈之间的间隙，增大了回转摩擦阻力矩，刚度严重不足时还会使回转支承转动异响或不灵活甚至无法转动，给人以电动机功率不足的感觉。为了使上旋转电磁挂梁起重机满足使用要求，可采取提高小车架刚度；提高回转支承的刚度，增大滚动体及其与内外圈之间的间隙；在所计算出的电动机功率基础上增大一档来选择电动机等措施。
实践证明，采取这些措施之后，上旋转电磁挂梁起重机可以较好地满足使用要求。
5 结语
各类标准、设计手册及教材关于回转机构电动机的计算方法通用性较强，且更适用于工程机械，在用于上旋转电磁挂梁起重机时多有不便，故根据实际工作中的设计经验，对上旋转电磁挂梁起重机回转机构电动机的计算方法进行了探讨，并根据实际应用情况，提出了上旋转电磁挂梁起重机设计中的一些改进措施。由于回转机构的设计受多方面因素影响，要获取更精确的回转机构电动机功率值，还需做更进一步的深入研究。
参考文献
[1] GB/T 3811—2008 起重机设计规范[S].
[2] 张质文，王金诺，程文明，等. 起重机设计手册[M]. 北京：中国铁道出版社，2013.
[3] 高立程. 上旋转桥式起重机的两种典型回转机构[J]. 山西冶金，2019，42(3)：66，67，70.
