摘要：目前起重机的工作机构主要采用电机与减速系统相结合的方式，减速传动装置依然是起重机械设计中的重要环节。随着变频技术越来越多的应用在起重机械上，变频调速与减速装置构成了新的传动系统。本文就变频调速技术在起重机械上的应用，对起重机的传动系统作了详细论述，并通过仿真计算分析了其动载特性。
关键词：起重机；传动系统；变频调速；动载特性
引言：
文章对起重机工作机构传动系统进行了分析与建模，运用MATLAB中的Simulink技术模块对其做了系统仿真，得出了在变频调速工况下工作机构起动时系统的动载特性。由分析可知，起重机空载起动的系统动载系数要远小于带载启动的系统动载系数，变频调速技术的低频起动能够有效的降低起重机工作机构的起升初速度，进而降低系统动载系数。因此可以得出，变频调速技术在起重机械领域的应用可以有效地减小工作机构的动载系数，提高整机寿命。文章所得出的结论可为变频技术在起重机械领域的进一步推广应用提供一定参考价值。
一、起重机传动系统相关内容简析
（一）起重机传动系统
起重机工作时，驱动系统并不能直接将动力传递给起升、运行、回转等机构。常用的传动装置包括齿轮传动，即齿轮减速器，其中又包括普通的二级齿轮减速器、行星齿轮减速器等等。齿轮传动是起重机最常用的传动形式，也是目前绝大多数起重机使用的减速形式。电机输出轴经浮动轴与齿轮减速器的输入端相连，起重机的起升卷筒与传动装置的输出端由联轴器相连。起重机传动方式在起重机实际应用中，传动系统包括很多种传递方式，而其普遍采用闭式传动和开式传动。第一，闭式传动，为了提高传动效率并且节约能耗，一般在卷筒和电动机之间采用圆柱齿轮减速器。蜗轮减速器的传动效率低，经常受到地理条件的限制，因此应用较少。第二，开式传动，这种构造形式适用于机械运动速度较低的情况，由于开式齿轮传动适用于圆周丝堵较低的工况，因此将其放在靠近卷筒的最后一级传动中。起重机的各种传动方案之间虽然有所区别，但是每一种传动方案所用的零部件基本上一致，开式传动和闭式传动各方案的区别在于：减速器高速轴与电动机之间是通过高速浮动轴连接还是直接通过联轴器连接；在低速级、减速器低速轴端与卷筒的连接方式可以分为通过联轴器直接连接和增加开式齿轮的方式。
（二）传动装置轻量化技术
首先，谐波齿轮传动技术，又称为谐波齿轮传动技术，是波发生器在按一定变形规律产生周期性移动弹性变形波的作用下，通过柔性构件弹性变形运动与刚性构件相互作用来实现传动的新型机构，它具有传动比大、体积小、重量轻、传动精度高和回差小等优点。谐波齿轮传动结构一般分为：刚轮、柔轮和波发生器，通常采用机械滚动轴承的波发生器，其结构就是将薄壁滚珠轴承安装在凸轮的外缘，通过凸轮和滚珠的相互作用实现外圈衬环的弹性变形，输入端采用凸轮，通过内孔与输入轴相连。将波发生器装入柔轮内时，在工作过程中柔轮将产生弹性变形，而波发生器旋转一周，柔轮上某点发生弹性变形的循环次数称为谐波齿轮的波数。另外，无齿轮传动技术，国际上从20世纪30年代初便开始被研究，由于无齿轮传动相比传统齿轮传动省略了减速器，从而简化了传动系统，其体积、重量得到大幅度减少，通过利用PLC变频器等自动控制系统对电机进行控制，实现大转矩、低转速的特征，但由于电机技术开发难度大，此项技术尚未进行实际应用，但该技术颠覆了起重机传统的设计理念，消除了传统起重机长期存在的噪声大、效率低、断齿、断轴等问题，因此无齿传动技术为未来起重机重要发展方向。
二、传动系统载荷分析
起重机机构的零件大多是传动部件，如浮动轴、轴承、齿轮、联轴器等。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在起重机工作过程中，这些部件的载荷与驱动系统的工作特性以及它们本身的制造精度有关，其中电机的类型和不同工况下的工作状态对传动系统的载荷有着极大的影响。本文以起重调速电机为对象，以电机的额定转矩为基础进行分析。首先分析传动系统的刚性动载特性，然后在此基础上分析传动系统的弹性动载特性。
（一）传动系统的刚性动载特性
变频调速电机由于在电机之前加油变频器，电机的转速可以通过调节电机的输入频率实现电动机的调速，达到实际工作中需要的转速。变频调速电机在起动时可以实现等加速度起动，与普通的三相异步电机相比，起动更加平稳，刚性动载荷较小，在计算时更为简便。由刚体动力学的观点可知，电动机的全部起动转矩除克服静阻转矩外，全部用来加速各个转动惯量，系统各部分转动惯量与其角加速度的乘积之和在数值上等于系统的驱动转矩。如果知道各转动件的转速并计算出其转动惯量，那么就能得到各部分的转矩，然后将其换算到计算轴上，就能得到系统的总转矩。这就是分析系统刚性载荷特性的理论依据。
（二）传动系统的弹性动载特性
在研究起重机传动系统的弹性动载特性时，以某桥式起重机的参数为例。其小车采用YZR160M2-6电机，额定功率P=7.5kW，额定转速N=945r/min，电机转子的转动惯量0.766kg•m2。联轴器选用CL2型齿轮联轴器和CL1型联轴器，转动惯量分别为0.05kg•m2和0.03kg•m2。制动器选用盘式制动，制动盘的转动惯量为0.12kg•m2。传动系统采用齿轮减速器，传动比i=40。起升机构卷筒直径315mm，卷筒的转动惯量为0.36kg•m2，吊钩重0.2t。为了较方便的得到传动系统的弹性动载特性，将低速轴的转动惯量转化到电机的高速轴上。由于齿轮减速器每个齿轮的转动惯量不易计算，在此按电机转子转动惯量的5%为计算值。将其中机构的传动件转化到电机轴上，分别表示为J1，J2，J3，……，再将其用无质量的轴连接起来。现在作出以下假设：电动机输出起动转矩Tt，经过各个传动轴后到达起升末端（起升重物），在末端有阻转矩Tr作用，则（Tt-Tr）就作用在这些转动惯量上。为了研究传动系统的振动，将传动系统简化为两质量单自由度系统。在此系统中，将转动惯量J当作普通振动模型中的质量m。在计算前，为了便于处理数据，将转动惯量统一换算到电机轴上。在计算中，以计算轴为起点，将转动惯量分为2个部分：靠近电机高速轴一侧的转动惯量之和记为JⅠ；靠近低速轴一侧的转动惯量之和记为JⅡ；然后将JⅠ与JⅡ用弹性系数为k的弹性轴连接起来，这便构成了两质量单自由度力学模型。
三、传动系统动载特性仿真分析
当电机选用变频调速方案时，Tt和Tr都取常数，在电机起动时，Tt可取电机额定转矩的1.7倍。建模分析中，取弹性轴的弹性系数k=10N，然后分以下几种情况分别讨论。起升机构空载起动时，吊钩滑轮松弛在地上，钢丝绳的质量忽略不计，这时电机接电直接起动。可知TR=0，接入电机转矩曲线信号，在MATLAB的Simulink模块中建立模型。运行建立好的系统模型，得到振动波形图，纵坐标为位移，横坐标为时间。其中，空载起动时，系统在刚开始的波动并不稳定，电机在完成起动达到稳定运行状态时系统的振动也趋于平稳。从显示器的放大中可以读出系统的最大振动位移为12.4m，由前面确定的弹性轴的弹性系数，可以算出传动系统的最大转矩[1]。
结论：
文章主要对基于变频调速的起重机传动系统动载特性方面展开了详细分析，希望能够给相关人士提供参考价值[2]。
参考文献：
[1]王梅生，许长山.变频调速对起重机整机设计的影响[J].起重运输机械，2018，（3）：58-60.
[2]韩守习，张大可.基于SIMULINK的起重机起升机构动态仿真[J].重庆建筑大学学报，2013，06：67-73.
论文作者:刘明明
论文发表刊物:《基层建设》2018年第31期
论文发表时间:2018/12/19
标签：起重机论文; 惯量论文; 电机论文; 齿轮论文; 转矩论文; 传动系统论文; 减速器论文; 《基层建设》2018年第31期论文;