关于起重机械缓冲器和端部止挡设计计算案例

关于起重机械缓冲器和端部止挡设计计算案例

刘俊 林镜双

广东省特种设备检测研究院东莞检测院

缓冲装置（以下简称缓冲器）和端部止挡（以下简称止挡）是起重机械的必不可少的安全保护和防护装置，缓冲器可以减少剧烈碰撞对起重机械金属结构、机构设备或电气元件造成其他不良影响，同时增加提高操作人员的舒适感及承受能力；止挡装置可机械限制起重机械运行行程。检验规范和国家标准在轨道上运行的起重机的运行机构、起重小车的运行机构及起重机的变幅机构等均应装设缓冲器或缓沖装置。缓冲器或缓冲装置可以安装在起重机上或轨道端部止挡装置上。轨道端部止挡装置应牢固可靠，防止起重机脱轨。有螺杆和齿条等的变幅驱动机构，还应在变幅齿条和变幅螺杆的末端装设端部止挡防脱装置，以防止臂架在低位置发生坠落。

1存在问题

正常工作状态下轨道式起重机大车运行机构将要到达轨道行程终点时,经过行程限位开关断开运行机构的动力。起重机在制动状态下由于惯性作用继续向前滑行，经一段制动距离后止停，一般在止停之前起重机械、大车缓冲器与大车止档之间会以小于额定运行速度碰撞, 缓冲器吸收碰撞动能, 起重机械平稳停止。

在实际使用过程中，缓冲器型号规格选取（较小）与起重机械整机不相匹配，起重机械端部止挡连接强度设计过低，当起重机械行程限位开关损坏，起重机械以额定运行速度碰撞止挡时，将导致缓冲碰撞力过大，止挡被撞坏，起重机械冲出轨道。故应在计算缓冲碰撞力，选取缓冲器时应考虑止挡装置的结构设计与连接强度计算，特别是碰撞速度的选取要区分对待。

2设计方法与设计流程

2.1缓冲器

缓冲器应按碰撞动能及最大碰撞力，并考虑缓冲行程来选用，允许的最大减速度为4m/s²。宜采用聚氨缓冲器或JB/T 7017、JB/T 8110.1、JB/T 8110.2中规定的缓冲器^[1]。

最大碰撞力是碰撞载荷，属于起重机械特殊载荷之一。为提高起重机械碰撞安全冗余度，一般简化为缓冲器吸收全部的碰撞动能。选择起重机械缓冲器应根据使用场合、冲击载荷的类型及特点，客户要求最优选取。其一般过程为求出缓冲容量，确定缓冲行程，得出缓冲力。

2.1.1缓冲器的缓冲容量

假定起重机械运行机构速度代替碰撞速度，使起重机械运行动能稍微放大；忽略运行阻力和车轮踏面的制动力所消耗的动能，使缓冲器全部吸收起重机械运行动能。

(1)

式中： —— 起重机械的碰撞质量，单位（kg）；

——起重机械的碰撞初始速度，单位（m/s）；

——起重机械的碰撞结束速度，单位（m/s）；

——均匀承受碰撞缓冲力的缓冲器数量；

——起重机械所选单个缓冲器的缓冲容量，单位kN·m；

——起重机械的缓冲器在碰撞后缓冲过程中所受的平均缓冲力，单位（N）。

——起重机械所选缓冲器的缓冲行程，单位（m）；

C——起重机械所选缓冲器的缓冲系数，缓冲系数可参照表1选取。

表 1 缓冲系数C

2.1.2缓冲器缓冲行程

(2)

依据起重机端部止挡功能防止起重机脱轨的要求，起重机械的碰撞结束速度 ，简化为：

(3)

依据GB/T 3811-2008《起重机设计规范》规定，缓冲器应按碰撞动能及最大碰撞力，并考虑缓冲行程来选用，允许的最大减速度为 4 m/s²。

2.1.3缓冲器的缓冲力

依据缓冲容量，参考最小缓冲行程，选用缓冲力大小合适的缓冲器。缓冲器具体的选型没有强制性规定，起重机制造厂家根据产品的要求选有合适的缓冲器。

3端部止挡

为保障止挡安装时牢固可靠，一般在设计时预留安全系数，安全系数越大，则止挡设计的越安全。考虑影响止挡缓冲碰撞力大小的因素时，取其最不利工况。求取最大缓冲碰撞力时，只考虑缓冲器所吸收的动能，其他运行阻力与起重机械结构均不考虑。即碰撞为刚性碰撞，碰撞动能由缓冲器吸收：

(4)

式中 ——最大缓冲碰撞力，单位N；

——碰撞质量，单位kg，对于挠性悬挂系统取起重机整机自重与10%额定起重机量之和；对于刚性悬挂系统取起重机整机自重与额定起重机量之和；

——同式1，可取起重机械大车额定运行速度；

——同式1；

——同式1。

运用动量守恒定律求取止挡缓冲碰撞力，存在碰撞时间不易确定的问题，但可以作为判断依据。依据止挡功能在碰撞结束后 ，公式2简化得：

(5)

式中 、 ——同式2；

——碰撞减速度，单位 ；

依据GB/T 3811-2008《起重机设计规范》规定：“缓冲器应按碰撞动能及最大碰撞力，并考虑缓冲行程来选用，允许的最大减速度为4 m/s²”，起重机最大缓冲碰撞力在碰撞质量不变的情况下，最大不能超过4倍碰撞质量。

4设计案例

某沿海地区新安装一台露天通用门式起重机，型号规格ME32-35/3A6，额定起重量32t，起升高度14.5m，起重机整机自重103t，桥架自重49t，小车自重10t，支腿自重18t，下横梁及大车运行机构自重18 t，其它桥架附着物自重8t，大车运行机构速度40m/min，小车运行机构速度40m/min。

依据式（1）大车运行机构缓冲器容量为：

kN·m

一般选用聚氨酯缓冲器，依据式（3）大车运行机构缓冲器缓冲距离最小为：

初选取法兰盘型聚氨酯缓冲器JHQ-C-18

表格 1选取法兰盘型聚氨酯缓冲器参数

依据式(4)求取端部止挡最大缓冲碰撞力

kN

依据式（5）求取端部止挡最大缓冲碰撞力

kN

因 ，故再次选取法兰盘型聚氨酯缓冲器JHQ-C-30

表格 2选取法兰盘型聚氨酯缓冲器参数

依据式(4)求取最大缓冲碰撞力

kN

因 ，故选取法兰盘型聚氨酯缓冲器JHQ-C-30

本实例选择金属结构形式，整体示意图如下所示。

Figure 2 止挡装置结构示意图

车档所承受的最大撞击力即为单侧缓冲器所承受的最大缓冲力： kN

车档所承受的最大倾覆力矩：

最右侧一排螺栓所承受的最大轴向拉力为：

考虑螺栓受力的不均匀性，取安全系数为2，则最右侧单个螺栓所承受的最大工作拉力：

由车档不滑移条件，则螺栓的预紧力F预应满足：

（其中μS摩擦系数，取0.35，Z为螺栓个数，取8）

则

选金属垫片时，螺栓的相对刚度：

螺栓的总拉力：

选取螺栓所需的小直径：

所选螺栓为M36，8.8S，螺母M36，8H。

2. GB 6067.1-2010《起重机械安全规程第1部分：总则》