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1、我国桥式起重机桥架和大车运行机构的沿革及其展望前言本文介绍建国以来中小型系列桥式起重机桥架结构型式的改革以及大车运行机构改进的概况。其中有失败的经验教训,也有点滴的收获,可供今后研究、设计和制造桥式起重机的科技人员参考,希望尽量避免重走弯路。我国桥式起重机最早是从苏联 引进技术资料,在摸索了5吨、1 0吨小起重 量桥式起重机的生产经验后,逐步扩大到15/3吨、20/5吨、30/5吨和50/10吨,成为中小型桥式起重机系列。早期的起重机桥架结构全采用焊接的实腹板箱形结构双梁,大车运行机构采用的是集中驱动,基本上和苏联的产品相似。5 0年代后期,我们已经积累了一些制造桥式起重机的经验,同时掌握了一
2、定的设计能力。当时我国的钢产量较少,而制造起重机耗用的钢材量 极其可观,在桥式起重机上如何减轻桥架自重便成为当时科研、设计和制造单位研究改进桥式起重机的共同课题。在5 0年代后期和6 0年代初期,桥式起重机桥架 曾经出现过蒙皮结构、拉索式结构、三角形析架结构、开式单腹板结构、偏轨箱形结构、单主梁结构、空腹结构等多种新颖的结构。在大车运行机构方面,也把笨重的集中驱动改为几种不同结构形式的分别驱动。这些新型桥架结构和大车运行机构都不是照抄国外的,而是我国的科技人员在厂、校、院、所合作的情况下,既吸收了国外的先进技术,又结合我国的国情,具有一定的独创性地自行设计和试制的。一、桥式起互机桥架结构(1)
3、旅皮结构蒙皮结构是仿照飞机的薄壳结构原理,在双三角形框架结构的外层 蒙一层很薄的钢板(见 图1),其断面是两个对称的直角三角形,每个直角三角形框 架的三个断面分别称为垂直析架断面,水平析架断面和斜析架断面。垂直析架的断面由两个T型钢组成上下弦杆,水平和斜析架的两个断面都是由一定间隔的角钢组成,图中的粗黑线部分表示蒙在主梁断面外层的薄钢板。这三个断面上都只有用角钢焊接的竖杆,没有斜杆,因此蒙皮实际_L起到像斜杆的作 用。19 5 9年设计制成的起重量3 0/5吨、跨度2 8.5m的蒙皮结构桥架采用的蒙皮厚度为1.5m m,这是限于当时的焊接工艺水平,根据设计计算,钢板厚度用1 ml n就够了。它
4、的自重与同规格箱形结构桥架相比减轻约 6 0%,除了铝合金结构 以外,这种 结构的桥架可 以说是最轻的了。这 台桥吊在上海起重运输机械厂的金属结构车间使用至 今已2 2年。蒙皮结构的自重显著减轻是它的优点,但由于蒙皮太薄,焊接时容易变形,运输途中易于碰损,又经不起长年氧化腐蚀,这些都是它的致命伤。起重机的箱形主梁由于考虑这一类的不利因素,一般推荐用厚度不小于6 m m的钢板作为腹板。因此蒙皮结构起重机在我国只作了唯一的一台科研性的桥式起重机。(2)拉索式结构在土建方面常常采用预应力混凝土梁,使之能承受较大的弯曲应力。拉素式结构桥架就是利用这一原理设计的。箱形结构主梁受载弯曲后,上盖板承受压应力
5、,下盖板承受拉应 力,如果在主梁尚未受载以前,预先使上盖板作用有拉应力,下盖板作用有压应力,则受载以后上下盖板的应力可以相互抵消一部份,这就能使同样断面的箱形梁起吊大得多的荷重。6 0年代初期,曾将这一原理应用在一台起重量5吨,跨度为1 6.5m的箱形结构双梁桥吊上。在两根主梁两端靠近端梁的下部,另外焊接出两个支柱,各拉一根钢丝绳(见图2),在没有受载以前,首先用液压千斤顶把钢丝绳收紧,其预紧力的大小,可以接近于承载后的上下盖板所产生的弯曲应力减去其许用弯曲应力之值。这样,如将起重量5吨的箱形断面桥架当作1 0吨的桥架使用,比一般1 0吨桥架的 自重可减轻4 0%左右。这仅仅是预应 力梁在桥式
6、起重机上的一种尝试。在上海起重运输机械厂的结构车间使用了两年以后,由于钢丝绳中预拉力逐渐变化(一般总是因钢丝绳略有伸长而使预拉力减小)经常需要调节钢丝绳中的预拉力,以保证主梁上下盖板之间的弯曲应力不致超出许用值,这是一件很麻烦的工作,再加上它的应 力侧定与维护都还存在一定的困难,因此拉素式结构也只是一次试探。(3)三角形析架结构三角形析架结构是由四析架结构发展而来的,三角形的三片平面析架受力情况 比较清楚。1 960年我国设计试制成第一台1。吨x19.5 m的三角形析架桥式起重机,除了端梁仍采用实腹板箱形断面结构形式外,整个桥架采用的是焊接翼缘和型钢杆件(见图3)。垂直平面析架承受的载荷较大,
7、当时由于上下弦杆没有轧制成型的型钢可供选用,只能用钢板焊成T字形和口字形的异形构件。由我厂试制成的第一台三角形析架桥吊经过强度和刚度测试,完全达到了设计的预期效果;在使用考验中,也证实这种结构形式的桥架能满足原箱形双梁桥吊所具有的各项性能。这种桥架的自重显著地减轻了,与箱形结构相比,减轻的幅度在1 5.3%4 2.3%之 间,尤其是起重量小而跨度大的减 轻 自重 更为显著。三角形析架结构的特点,还表现在户外作业时迎风面积小,又由于桥架的很多杆件汇交于节点处,节点的阻尼对桥架的动力刚度是有利的。三角形析架桥吊问世以后,引起了广泛的重视,认为它对于节约钢材确实具有重大的意义。196 1年 曾经完成
8、55 0/10吨三角形断面析架的桥式起重机的系列设计,大连起重机厂、洛阳矿山机器厂等厂都进行了小批量制造,并经一机部命名为中国式起重机,取代了原抄袭苏联的老箱形结构桥式起重机。但在此550/1 0吨桥吊系列中,跨度l o.sm和1 3.5 m的没有采用三角形断面析架结构,因为主梁与端梁联接处不能保证足够的刚度,所以主析架在与端梁联接处的两节采用 了四析架的结构形式。又鉴于在小跨度的I o.s m和13.5 m主梁除去两端联接部分的四析架,中间留下的三角形断面析架就没有几节了,因此这两个小跨度的主梁改图竺图3用了开式单腹板结构(参见下节)。在全国起重机厂推广三角形析架桥吊约有两年多时间,实践证明
9、这种结构虽然可 以显著节约钢材,但也存在着不足 的一面。例如它的焊接工艺性差,在运输过程中杆件容易碰损变形。因为这种桥架是由型钢焊成的,除了上下弦杆的四条焊缝可采用自动焊以外,其余杆件都是用手工焊接,劳动强度高,工作量大,不适宜于成批大量生产;在搬运过程中,它的杆件经常局部弯曲变形,严重时整个桥架发生变形,甚至不能使用,制造厂常常要派人前往修复。由于有这两大缺点无法解决,于是在试用两年多以后,全国重新恢复了箱形结构双梁桥吊的生产。(4)开式单应板结构上面已经提到,开式单腹板结构是用来弥补三角形析架在小跨度(1 0.5和1 3.5m)范围内的 一种结构形式,但国外也曾在大起重量方面采用过。它的主
10、析架是用钢板焊成的工字形实腹板梁(见图4),图4走台和走台栏杆分别起到水平析架和辅助析架的作用。这种桥架的自重 一般比箱形的可减轻3.4%18.8%,但在大吨位小跨度的情况下减轻 自重的优点很不突出。在我国由于开式单腹板曾经与三角形析架桥吊同属一个系列,在三角形析架停止生产以后,鉴于开式单腹板结构的焊接工艺性和运输条件又都不如箱形好,也就停止了生产。(5)单主梁结构我国第一台5吨x1 6.5米的单主梁起重机于1 963年在我厂试制成功。单主梁结构采用的是箱形断面(图5),根据小车车轮的 方 向,又分为水平轮式和反滚轮式。试制的一台采用的是反滚轮式,小车垂直轮轨道设置在主腹板的上盖板上方,反滚轮
11、轨道设:置在副腹板侧。很明显,在载荷作用下,主梁除承受垂直的弯曲力矩外,还要承受因偏心载荷所产生的约束扭转。因单主梁采用的是宽翼缘,梁高也比一般的箱形双梁高,所以它具有较好的抗扭性。这台5吨x16.5米的单主梁经测定,它的扭转角还不到3 0 分。由于 这种结构,能显著地减轻 自重,又有类似箱形双梁的焊接工艺性,当时认为它很有发展前途。特别是我国的一些老厂房,随着生产能力的提高和产品的大型化,原有的起重机往往满足不 了新的要求,需要寻找一条保持原有厂房基础而能提高起吊能力的道路。单主梁的自重轻,轮压轻,正好符合这种要求。它的自重比箱形双梁结构桥架约轻2 0.8%3 9.8%,大吨位的减轻量稍小些
12、。后来,我国有几个主要生产起重机的工厂都生产过单主梁桥式起重机,太原重机厂制造过起重量达8 0吨的大型单主梁起重机。19 6 6年我国设计完成了单主梁桥式起重机系列。当时单主梁桥式起重机在国外也很流行,例如英国J.H,卡勒梭斯公司有小吨位(15吨)和大吨位(12 5吨)的两个单主梁系列。日本的石川岛播磨公司及日立 制作所有1 530/5吨和1 05。八。吨的两个系列,都是在 6 0 年代发展起来的。单主梁也存在一些不 足之处和 一些不同的看法,首先用户对单主梁小车悬空状态的安全感产生怀疑,而且它维修也不方便,开始时甩喇.火火火丫丫丫丫 户一般不要单主梁而要双梁桥吊。另一方面,单主梁的梁高比双梁
13、高,小车在两端的终点位置也比双梁远,影响了厂房内的作业面积,平均减小1 0%以上。但单主梁结构对室外的龙门吊 有显著的优越性,因为单主梁龙门吊两端支.姗部分的小车通过性远较双梁龙门吊好。因此.单主梁龙门吊已在国内广泛使用。(6)空腹结构空腹结构常用于箱形结构双梁桥式起重机,通常采用偏轨的形式。为了充分发挥副腹板材料的作用,又能减轻自重,多数是只将副腹板挖成空腹结构。太原重机厂用这种结构制造过多台10 0吨以上的桥式起重机,获得了满意的结果。19 78年为解决5703厂吊装大型客机的需要,在巨型厂房内安装了一台起重量 为15/3吨、跨度为6 0.4m的超长跨度桥式起重机,主梁采用 了全空腹结构(
14、见图6)。根据目前所掌握的资料,如此长跨度的桥吊,在梁的上下盖板、左右腹板都采用空腹结构是一次新的尝试。它最先采用的主梁方案是实腹板偏轨箱形梁,通过模型试验,实腹板结构梁振动的衰减时间竟长达10 0秒以上。如果采用析架结构,振动的衰减时间可能得到满足,但它要用到高达4m的细长杆件,那是不宜于采用的。全空腹结构桥吊经过二年来的使用,证明这一结构形式是可行的。在主梁需要承受较大弯曲力矩的情况下,譬如说起重量达10 0吨以上,或者起重量不大而跨度很大,都使主梁承受较大的弯曲力矩,如果采用实腹板梁无法满足要求,选用空腹结构是适宜的。(7)箱形结构箱形结构桥吊是国内外采用得最多的一种结构形式。根据轨道放
15、置的位置,又有正轨和偏轨箱形之分。前者的小车轨道设置在主梁上盖板的中心线上,后者设置在对着主腹板的上盖板上。另外还出现一种设置在偏离主腹板一定距离的所谓半偏轨箱形结构。目前我国起重机厂生产的55 0/1。吨桥式起重机都采用正轨箱形结构。箱形结构具有很紧凑的外形,可使厂房内部的作业面积得到充分利用。这种结构并具有最佳的工艺性,可采用自动焊接,其变形比翼缘宽、梁高大的单主图6梁结构更易控制。1 9 7 3年曾对原生产的550/1 0吨箱形梁重新进行过核算,调整了梁 的宽高比。根据经验,中小型起重机的主梁结构只要能满足静刚度的要求,一般都能满足强度要求。550/10吨箱形双梁的静挠度控制在(1/1
16、0001/9。)LK范围内,小值用于重级工作制,大值用于中级工作制。整顿后的箱形桥架比原仿苏联的箱形桥架自重平均减轻达8.6 5%,可见原来的箱形断面材料没有充分利用。由于箱形结构的外形紧凑,与现代建筑物很协调,制造工艺性好,又不像单主梁或偏轨梁那样在主腹板一侧要焊上小筋板,两侧设置的走台对维修又带来方便,因此箱形结构似乎仍然 比其他断面形式的梁更为方便适用。除上述的一些桥架结构外,我国起重机行业的各个部门还对其他结构型式进行过设计和摸索,例如椭圆形主梁结构、曲板梁结构、单腹板混合结构等,都为我国桥式起重机桥架结构的改进提供了可贵的经验。二、大车运行机构最初生产的箱形桥式起重机的大车运行机构都
17、采用集中驱动的形式,就是在大梁一侧走台的中央装置电动机,经减速器减速,再经支承在走台上的轴承座通向两端与大车走轮轴相联。跨度大的用两台靠近走轮的减速器,其高速轴通 向走台中央与电动机的双出轴相联,这是大家熟知的驱动形式。它有很多的零部件,布满了整个走台,自重大,安装复杂,维修不方便,成本也高。在5 0 年代后期,我国大部份生产厂把集中驱动改为分别驱动,到6 0年代和7 0年代又试用过同轴线三合 一、立装式三合 一等分别驱动的结构形式,都具有一定的特点。(1)甚本型分别驭动机构最常见的分别驱动机构是在传动侧走台左右两端,各置一套单独的电动机和减速器,经减速器低速轴与走轮轴相联。5 0年代的后期就
18、用这一驱动形式代替了集中驱动。它的零部件少,自重轻,分组性好,便于维修,大大简化了传动机构。有人认为两套传动机构分别驱动两个走轮,由于速度有差别,可能会引起大车跑偏。但集中驱动也存在着大车跑偏的问题,它是通过轮缘与轨道的卡轨阻力,并把走轮车成锥形踏面,使大车在运行过程中得到调整复位。分别驱动同样会遇到走轮卡轨,这时两侧分别驱动的电动机因外界的阻力不同,导致两侧走轮的转动速度重新调整,而使大车的跑偏获得复位。在大车运行过程中,走轮跑偏的原因与卡轨的阻力、当卷扬车在不同位置时引起的轮压变化、以及电动机的功率如何分配等的关系问题,都还有待进一步的探讨。在长期实践中证明,分别驱动的形式是完全成熟的。分
19、别驱动较之集中驱动平均减轻自重在3 6%以上。桥式起重机的大车运行机构采用这种传动形式已有2 0 多年的时间,至今还在普遍沿 用。(2)同轴线三合一驭动机构将制动器、电动机和减速器三个部件组装于同一轴线,用法兰盘套装在端梁上,并与走轮轴相联(见图7),俗称三合一。1975年上海起重运输机械厂试制了一台用带有制动器的电动机和摆线针轮减速器组成的三合一,用于小吨位起重机的大车运行机构。三合一机构的优点在于它的组装性好,可以在室内安装后再装到大车上去,不像墓本型分别驱动,几乎全在露天装配,劳动强度大,装配条件恶劣。同时,三合一机构完全脱离了走台,不受走台变形的影响。试用结果,由于带制动器的电动机制动
20、性能不佳,调节范围不大,尚待进一步 改进。另外,由于选用的是现成的摆线针轮减速器,在大车起、制动时,摆线针轮减速器中的行星齿轮柱销经常受到正反方向的冲击载荷,使柱销松动脱出,磨损壳体。后来,起重运输机械研究所也进行了三合 一的研制工作,并于19 8 0年在广西梧州起重机厂对三合一进行了样机的鉴定。三合一机构在改进和提高的基础上是很有前途的。(3)立装式三合一驻动机构立装式三合一只是在机构的布置上有所不同,其原理与同轴线三合一是相同 的。减速器可 以采用两级渐开线圆往齿轮,低速级出轴与走轮轴相连,减速器为立式布置,带有制动器的电动机套装在高速级上。上端用一铰接支承,使三合一机构处在垂直位置(图8
21、)。这一机构的优点是减速器内的齿轮采用的是渐开线齿形,一般机械工厂都能自己更换齿轮。三、我国桥式起皿机桥架和大车运行机构的展望(1)桥式起,机桥架目前我国生产的桥式起重机仍以箱形双梁为基础。从欧美各国及日本生产桥式起重机的现状来看,也是以正轨和偏轨箱形双梁桥架为主。例如日本的日立制作所、石川 岛播磨等厂,主梁采用箱形窄高断面,高跨比H/Lx二 1八21八5,高宽比H/B=35。主梁静挠度 为。/230 0一l/1350)xL。自振频率为3.87Hz。n n n n n门门门魂魂l l l l l l l l ll l l l l l l一U但是也有很多的工厂采用偏轨和半偏轨箱形结构。例如法国的
22、泊登工厂采用偏轨箱形梁,其高宽比H/B二3.54,大筋板间距2倍于梁高,不用小筋板。西德的狄马克公司和MAN公司均 以生产偏轨箱形梁为主。西德MAN公司生产冶金工厂用的桥吊,采用了偏轨箱形宽翼缘结构主梁,高跨比H/LK=l/一几l八5,高宽比H/B二1.2 41.4,静挠度为(1/2 0001八400)L:,自振频率为3.4Hz。半偏轨箱形结构主梁也被很多国家采用,例如美国的克利夫兰起重机及工程公司生产的5l。/2。吨桥吊系列中,6 3吨以上的采用半偏轨箱形结构。日本则有BX一D系列,起 重量为3 2 0 吨,其 偏 轨距e=1/4 B(即所谓1/4偏轨)。此外还有英国的赫伯脱玛丽斯公司、美国
23、的P&H公司、荷兰的Ko ne公司等,也都生产偏轨和半偏轨箱形结构桥吊。另外,西德De琅ag公司、法国Fenwiek公司、意大利Gu tte r公司等还对主梁和端 梁采用一r升高式螺栓联接。我国生产桥式起重机的桥架,过去过多地着眼于减轻桥架的自重 以节约钢材,当然在小起重量而使用又不频繁的地方,需要设计轻巧灵活的桥吊,例如可 以采用一些电动葫芦小车的桥 吊。但在很多工厂都感到桥架的刚度不够富裕,特别是在冶金工 厂以及一些重级工作制的使用场所,主梁产生下挠,传动侧走台过份软弱,其变形直接影响驱动机构的装配组合精度,导致机械部分过早损坏。如果一台安放在生产流水线上的起重 设备发生故障而停车修理,这
24、段生产线停下来所 遭受的损失是很大的,有时甚至超过一台桥吊的代价。因此单纯为了节约钢材而减轻桥架自重是不可取的。在工作情况十分繁忙的场合,保证桥架有足够的刚度,从长远的经济性来讲是合算的。偏轨箱形结构确实具有一定的优点,在加宽翼缘以后,节省了走 台,使主梁所有杆件都参加受力,从而充分发挥了材料的利用率。在中小起重机系列设计里,常用的腹板最小厚度为6 二m,如果偏轨箱形结构的 主副腹板都用同样厚度的钢板,就不能充分发挥材料的作用。同时偏轨箱形梁的主腹板外侧需焊接很多小三角筋板,它们只能用手工焊接,容易选成腹板局部变形。半偏轨箱形结构的优点是可 以省略主腹板外的小三角筋板,主梁所受约束扭转力矩也小
25、于全偏轨梁,上盖板与主、副腹板的焊缝便可以不用双面焊。因此 当腹板厚度不超过6mm,也就是小起重量时,采用正轨箱形结构桥架较为适宜;当腹板厚度超过6mm或者是大起重量的,采用半偏轨箱形结构桥架是可取的。主梁与端梁采用高强度螺栓联接这一 形式很有发展前途,因为它对节约场地,改善装配条件,便于运输等方面,都具有很大优点。(2)大牟运行机构大车运行机构采用分别驱动的形式已经是无可争辩的了。上述墓本型分别驱动机构是安装在走台上的,这种布置的最大缺点是主梁在受载后的弹性变形会影响走台的变形,走台的变形又影响驱动机构的错位,使驱动机构零部件损坏,特别是联接部分的零部件,如联轴节的早期磨损。如何使驱动机构脱
26、离走台的影响,一直是寻找大车运行机构新方案的主题。各种形式的三合一机构便是由此产生的。英国、日本、法国、芬兰等中小型起重机上都已普遍采用了三合一,有垂直式的,也有水平式的,西德狄马克公司已作为标准部件广泛采用。根据我国中小型桥式起重机上采用三合一机构的经验,一般认为用于小起重量的桥吊上优点很多,同时也为主端梁分装创造了条件。但用于大起重量时,同轴线三合一机构的悬臂太长,重量也较大,立装式三合一机构的减速器部分体积也不小,它没有同轴线三合一机构紧凑,故在大起重量时采用基本型分别驱动较为适宜。但采用基本型分别驱动必须使驱动机构的基础尽量坚 固,最好将电动机、制动器和减速器装配在刚性足够的底座上,防
27、止由于走台的弹性变形影响驱动机构的装配精度。这样,余下的只是驱动机构与走轮轴相联的关键部件联轴节了,基本型分别驱动大车运行机构.晰中,晰.申.晰晰.申晰中.卜侧卜喇卜中咖晰咖晰晰中中中帝,晰咖嘴二。忿。立。人釜,号碗 JMT一1型 铁路装卸机牵引调速 系 统-一护舍苦矛立万矛卜中二蜘二咖内容提要本文介绍JMT一1型铁路装却机牵引调速系统的结构和工作 原理,并若重对可控硅 析波器电路进 行 阐述,通过数学分析的方 法得到描述 该新波器电路一个周期工 作过 程的数学表达式,为新波器参数的爱佳选择提供了计井的理论基袖.JMT一l调速 系统是根据铁路装卸机必须中U,为速度反馈电压,U为主令电压,U、重
28、载起动、低速走行的要求而研制的。它是配为控制电压。整个系统包括两 大部分:(l)合交流异步绕线型电机的一种脉冲调阻调速系主电路部分由电动机、三相桥式整流器、转子统。其主要技术参数如下:电阻、可控硅斩波器构成,(2)控制电路部1.电动机为 4 5KW以 下z JRZ、z JR系分由触发器、测速反馈、过载保护环节、稳压列电机,电源构成。电气原理如图卜l一.22.工作电压为38 0V,2.调邃原理3.可控硅斩波器工作制为定频调宽制,交流异步电动机的输出转矩M。,临界转4.可控硅斩波器工作频率为5 0赫;差率Sk、最大转矩M.由以下公式确定5可控硅斩波器导通比“一奇一“。5-。.95,(:为主可控硅导
29、通周期,T为斩波器工作周期)6.调速比为10:1。JMT一1调速系统经1 0 00小时工业性试验后,表明系统能够平滑调速,机械特性符合运行要求。这种调速系统具有电路结构简单,性能稳定,便于安装,操作与维修方便,造价便宜等优点。M。=3mU士2厅f、(r:+r;/s)之+(x:+x:0)r2S(1一2一1)S二丁;=冬吕甲,于.=井=于Fr丈+(x:+x扁);(1一2一2)电机整流器斩波器一、调速系统工作原理1.系统结构粉粉粉粉一仁长长 舟舟电阻JMT一1系统的原理方框图如图1一卜1。图图1一1一1JMr一1系统原理方框图、知,、昭.卜、。,、,卜啼弓、盖弓、唱心、,卜,翻,、,、含,啼,、咯弓、唱心、知,唱心、含,、咯弓、又知,、。哈、,、唱碑 卜 昭,、,卜、召碑卜、,卜。,、昭沪卜、含,甲盖弓、啼,、唱叫卜嚼叫卜、,卜、,护:代卜、备叮、唱洲卜唱,、,、常用齿形联轴节,这种联轴节 的容许偏角仅心.30,不足以补偿走台的变形,因此 大车运行机构中的齿形联轴节常常是最易磨损的部件。这一部件如改 用万向铰联轴节,驱动机构与走轮轴之间的联系就能得到满意的效果。当然随着我国工 业的 发展,本文论述的桥式起重机桥架和大车运行机构必然还会有更多更先进的形式在以后陆续出现。