2.港口起重运输机械电气传动

第一节

概 述

电气传动的任务是保证机械能够满足生产工艺要求和正常有效地工作。因此，电气工程师必须清楚机械对传动的要求，熟悉机械的构造和工作原理，这是电气传动设计最起码、最重要的前提。

用于装卸作业的港口机械，最大的特点就是速度高，操作频繁。除运输机械和个别的机构为长期、短期载荷外，基本都是重复短期工作制。随着机械效率的提高，某些机械的接电持续率也相应地大幅度增加。

位能载荷、摩擦阻力与风阻力，是起重运输机械的三种主要载荷。港口机械的载荷及操作完全是随机状态，传动计算需要考虑多种因素，因此具体到每个传动系统，载荷必须合理地进行组合。

有些机构要求传动电动机能够在四象限运转，所以在选择电动机的类型和容量时，要结合电动机调速方案一并考虑。

第二节

机构传动的力学参数和机械特性是机械对电气传动要求的具体的量的体现，是设计的原始依据。

一、起升机构 （一）性能参数

性能参数包括取物装置的种类、额定起升载荷FQN、取物装置自重载荷

GON、起升速度hm/s、传动机构总效率2港口机械机构传动的力学参数与机械特性

、卷筒直径Dm、传动系统传动

比i、电动机轴上转动件飞轮矩总和GD1Nm2。

（二）机械特性

起升机构的外载荷是重力，无论货载的运动方向如何，对电动机而言，其外 载转矩的方向不变。计及正、反向传动效率，在同一货载下，折算至电动机轴上的外载转矩有不同的数值。

二、水平运动机构

（一）性能参数

性能参数有机械类型及具体机构、额定运行速度m/s、总传动比i、系统 总的传动效率、电动机轴上转动件飞轮矩总和GD12Nm2及静阻转矩

MsNm。

（二）机械特性

水平运动机构包括二类：重心无垂直位移和重心有垂直位移，必须按具体的 机构传动简图仔细区分。

水平运动机构的机械特性比较复杂。阻力主要是摩擦阻力、坡道阻力、风阻力、水平阻力及垂直方向阻力。不同的机械，阻力的组合与各种阻力所占比例大不相同，没有规律可循，必须具体机构具体分析。

三、回转机构 （一）性能参数

性能参数包括机械类型及机构传动图、额定回转速度nHr/min、总传动比

i、系统总传动效率、电动机轴上转动件飞轮矩总和GD12Nm2及静阻转

矩MsNm。 （二）机械特性

回转机构阻力主要是摩擦阻力、坡道阻力和风阻力。其中风阻力约占全部阻 力的70%以上。随着回转角度的变化，承风面非线性改变，风载也随之改变，而且转向变化时，风载与坡道阻力的方向也因之变号，所以回转机构的机构特性最复杂，随机性极大。

第三节

传动系统中，各级的转矩与飞轮矩的折算原则都是遵循能量守恒定律。 一、不同转速轴上的转矩折算

M1M2/i (2-2-1)

式中：M1——转速为n1轴上的折算转矩，Nm； M2——转速为n2轴上的转矩，Nm；

i——in1/n2，转速为n1轴与n2轴的传动比。

传动机构转矩与飞轮矩的折算

如果由负载边向原动边折算，则应计及相应的传动效率。

二、不同转速轴上的飞轮矩折算

GD12GD22/i2 (2-2-2)

式中：GD12——折算至转速n1轴上的飞轮矩，Nm2；

GD22——转速为n2轴上的飞轮矩，Nm2；

i ——in1/n2，转速为n1轴与n2轴的传动比。

第四节

电动机轴上动转矩的计算

MdGDs3752dndt (2-2-3)

式中： Md——电动机轴上所需的加速动态转矩，Nm；

GDs2——折算至电动机轴上的传动系统总飞轮矩，Nm2；

dndt——系统角加速度要求的转速变化率，r/mins。

表2-2-1与表2-2-2分别给出了港口机械常用机型两种运动的加速度推荐值。

起升加速度 表2-2-1

机 型 岸边集装箱起重机 港口门座起重机 港口门式起重机 取物装置 吊 具 吊 钩 加速度值m/s 0.6~0.8 0.4~0.6 0.6~0.8 2机 型 港口门座起重机 桥式抓斗卸船机 取物装置 抓 斗 加速度值m/s 0.8~1.0 1.0~2.0 2

平移加速度 表2-2-2

运行速度 240 m/min 0.80~ 加速度m/s2 240 200 180 150 120 100 60 40 25 0.50~ 0.67 0.44~ 0.58 0.42~ 0.56 0.39~ 0.52 0.35~ 0.47 0.32~ 0.43 20.25~ 0.33 0.12~ 0.19 0.10~ 0.16 1.00 注：桥式抓斗卸船机的小车运行机构，允许加速度达到a1.5m/s2。

2传动系统总飞轮矩GDs只要按高速轴上所有转动件的飞轮矩之和GD1估算即可，通常惯量大的系统取大值。

GDs2=（1.1~1.2）GD12 （2-2-4）

第五节

起重机机构传动操作频度

常用港口起重机械的机构传动操作频度见表2-2-3。装船机与输送机械的主要机构均为连续工作制，辅助机构为短期间歇工作。

起重机机构传动操作频度表 表2-2-3

机构 机 型 取物 装置 起升 接电持续率 每小时接通次数 300 450 450 450 300 开闭 接电持续率 每小时接通次数 300 450 450 450 — 变幅或俯仰 接 电 持 续 率 每小时接通次数 300 300 450 — — 回转 接电持续率 每小时接通次数 300 300 150 — — 小车运行 接电持续率 每小时接通次数 — — — 300 300 大车运行 接电持续率 每 小 时 接 通 次 数 150 150 150 150 150 门座起重机 吊 钩 抓 斗 40% 60% 80% 60% 60% 40% 60% 80% 60% — 25% 40% 60% — — 25% 40% 25% — — — — — 60% 60% 15% 15% 15% 25% 25% 带斗门座起重机 桥式抓斗卸船机 岸边集装箱起重机 轮胎式集装箱门式抓 斗 抓 斗 吊 具 吊 具 起重机 岸边电磁起重机 浮式起重机 电磁吸盘 60% 450 — — — — — — 40% 300 60% 450 60% 300 300 — 60% — 300 — 40% — 300 — 40% — 300 60% — 300 — 40% — 300 — 吊钩、抓斗 60%

第六节

计算之前，必须知道机构传动简图和主要的机构参数，以便计算折算至电动机轴上的外载转矩、电动机的调速比、接电持续率JC、每小时接通次数Z，以及为满足调速要求采用的供电方式与控制方式。

电动机外载的计算可参照相应的机械篇章，或直接采用机械设计的计算结果，但是必须注意加入电气方面应该计及的问题。

一、长期负载电动机的容量计算

港口机械连续工作的电动机也较多，但并不存在负载恒定的状态。电动机

电动机的容量计算

负载是随时间随机变化的，因此必须综合考虑两种情况：(一)计算出满足电动机允许发热要求的等效功率Pe；(二)确定满足电动机允许过载要求的功率Pm。

电动机的容量应大于、等于二者中较大的数值。 二、短期负载电动机的容量计算

一般电动机的发热时间常数，小型机约为15min~30min，中型机约 60min~90min，大型电动机约120min~150min。所以短期负载电动机的容量计算就归结在发热允许条件下的过载能力计算，即在电动机样本中选择与所需电动机的工作时间相近的工作制，使其满足机械要求。

三、重复短期负载电动机的容量计算

港口机械多数机构为重复短期工作制。这种负载基本上是变化的，且工作制 不正好是标准值，因此必须做两步计算。

先按机构负载图计算出等效发热的功率Pe，再将等效发热功率Pe由实际的工作制折算至电动机标准的工作制下的功率Ps。

对于大量使用的交流电动机，可按下式进行折算：

Ps22Pe3JC1JC21 （2-2-5）

式中：Ps——接电持续率为JC2时的功率，kW；

Pe——实际工作的接电持续率JC1时电动机的等效发热功率，kW；

JC2——相应的电动机标准接电持续率。

实际计算时应取与实际工作制JC1相近的电动机标准工作制JC2，以减小误差。

对于直流电动机，计算相对简单。因为励磁功率已知，变耗计算也很方便，只要取得电动机的设计数据或产品出厂证明书即可。

四、可调电气传动电动机的容量计算

可调电气传动意指两个方面：一是明确指定机构的调速范围，一是对应不 同的机构负载有不同的运行速度，或二者兼有。对于港口机械，典型的是多起重量的起升机构。现以这种起升机构为例，说明计算注意事项，其余机构类推。

可调传动的计算，必须结合调速传动控制方案一道考虑，因此首先要确定采用的传动调速方案。恒转矩调速系统，只要计算最大外载、最高转速即可。在几

种不同的起重量与其运行速度组合的功率中，取其最大者作为电动机的计算容量；具有恒转矩与恒功率调速的系统，必须兼顾电动机的过载能力与调速范围。当二者矛盾较大时，应从机械方面着手协调解决。因为调速系统机电为一体，有机电如何分割才合理的问题要解决。

现以一实例说明问题的考虑方法。某机的起升机构参数如下： 正常工作：额定起升载荷FQ=250kN 额定起升速度h=65m/min 空载起升速度o=100m/min 安装工作：总起升载荷Gm=650 kN 需起升速度m=30m/min 就一套起升机构讲，其起升载荷比为

KGGm/FQ650/2502.6 速度比为

Ko/m100/303.33

如此大的调速范围，若采用弱磁调速也无法达到三倍以上速度比，且过载能力也做不到KG这么大。

为兼顾二者，只能虚拟一个额定工作状态。假设G1=550kN，1=45m/min为该机构的人为额定工作点，卷筒的直径取为D=1.25m，根据容量计算，选用四台ZZJ814电动机传动。电动机总额定功率PH4112kW，电动机额定转速

nH=500r/min。减速器速比应为

DnH/13.141.25500/4543.63

取机构的总传动效率=0.85，当起升Gm时，电动机的静阻转矩

MsGmD/(2i)=6.510

5

1.25/(243.630.85)=1.10104(Nm)

电动机额定转矩

MH9550PHnH95504485008.5610(Nm)3

电动机的静载过载倍数

KsmMs/MH1.10104/8.561031.29 计及此时的动载系数取为1.40，则电动机总的过载倍数即为

Km1.40Ksm1.401.291.81

这对于直流电动机是很安全的。

此时的调速，弱磁后o=100m/min，电动机额定转速对应的机构速度为

1=45m/min，所以

K1o/1100/452.22

对于直流电动机同样是很容易做到的。机构如此配置是合理的。在起升载荷低于G1时为弱磁调速，依靠电动机励磁调节，完全能够满足在起升载荷

FQ=250kN时有H=65m/min的速度，在起升载荷低于160kN，即所谓空载时，

起升速度可达到o=100m/min。

图2－2－1 起升机构工作特性 在起升载荷大于G1时为调压调速。如果减速器足够，充分利用设备，机构运行速度可以保持额定值。因为这段是恒转矩调速，而且控制保证具有恒定加速度，动载不变，工作特性见图2－2－1中虚线段。如果怕减速器发热等，此段就采用调压调速，将电动机电枢电压下调30%，使其达到30m/min的速度，符合任务书要求。

这种传动的电动机不是越大越好。做得不好，大也无用。因此，必须仔细比较机构的机械参数，调整到以最小的电动机容量满足性能要求。

五、多电动机驱动的机构电动机的容量计算

某些机构，由于所用电动机的型谱问题、联轴器等机械零部件的标准系列 问题或者工艺特殊要求等问题，需要以多台电动机驱动。其中，以电动机轴刚性联结的双电动机驱动为最多。这里，只对这种双机驱动进行讨论，两台电动机同

做电动运转。

双电动机驱动有明显的优点。一是机构动力自然存在着50%的备用量，可在一机故障的特殊情况下以另一电动机做些应急处理；一是两台电动机的飞轮矩

GD2之和小于同等容量的单台电动机。

双电动机驱动容量计算的最重要问题，是弄清楚每台电动机的负载情况，现

代控制技术可保证负载的最佳分配，保证两台电动机同时起动、同时加减速、同时停止。因此，对于轴刚性联结的两台电动机，在任何情况下，都必须采用两台型号相同的电动机，而且最好是同一厂家的同一批产品，保证两机的机械特性最大可能的一致。

交流电动机的同步转速是相同的，两台电动机的输出转矩与其额定转差率成正比。直流电动机不但机械特性刚度不同，理想空载转速也不同，问题比较复杂，需要通过控制系统保证稳定，缩小差异。这里是在有良好的控制性能的前提下，讨论电动机的容量计算问题。

现代的交、直流传动，电动机的容量应取为计算容量。

第七节

一、电动机类型的确定

电气传动的任务是保证机械能够满足生产工艺要求，正常有效地工作。因此，设计的技术条件是选择电动机类型的基础。

从技术经济观点着眼，三相交流异步电动机为最佳，因为其电源方便，简单可靠，货源多，价格低廉，维修容易。

如果有几种类型的电动机都满足设计任务书的要求，就要通过技术经济比较，从中选择一个具有最好经济指标的类型。

对于在长期负载下运转，无需调速和经常起动、制动、逆转的机械，应该采用三相交流异步电动机。除非要求起动转矩较大或提供强力的电气制动转矩，或其他的控制要求才采用绕线转子电动机外，尽量辅以机械措施，采用鼠笼型异步电动机。

当调速范围1：3以下又必须具有较好的速度调节平滑性，或频繁起、制动，多数场合应当采用三相交流绕线转子异步电动机。

电动机选择

对于多电动机驱动的运行机构，可采用三相交流变频电动机，共用1台变频器驱动。

对于调速范围大、自动化要求高的频繁操作系统，应优先选用交流变频调速。 由于港口机械的负载特性和操作原因，直流串激与复激电动机是不用的，只用直流他激电动机。

二、电动机防护等级的选择

电动机的防护等级由使用环境决定。通常在正常条件下使用的室内电动机，防护等级不低于IP23，在较脏环境中使用的室内电动机，防护等级不低于IP44。直接放于室外使用的电动机，防护等级不得低于IP55。如果电动机已根据特殊作用环境进行了适当的防护，则允许电动机只符合较低的防护等级。

一般讲，应该改善房间、罩壳的气密、水密、隔热、通风性能，采用一般防护等级较低的电动机既经济，又方便订货，容易维修。

三、电动机型号及容量选择

港口机械中，除长期负载的电动机，如输送机、泵类用Y系列电动机外，其余全部采用起重、冶金系列电动机。

就目前国内电机产品而言，交流电动机的专用系列是YZR和YZ，直流电动机的专用系列是ZZJ800。变频电动机，由于国家尚无统一标准，各个厂家自行命定型谱，现有型号YP和YZP。

如第六节所述，长期负载的电动机容量PH应大于负载计算中满足电动机发热允许的功率Pe和满足电动机过载允许的功率Pm。

短时负载的电动机ZZJ800有60min定额和30min定额。其中30min是在串励情况下，港口机械中不作用。有些机构短时运转，但远远少于60min，可在顾及电动机允许的过载条件下，仔细计算发热功率再选取电动机。

YZ与YZR电动机的短时工作制定额为30min和60min。可按实际负载选用接近的一个定额，使其负载功率小于电动机相应的额定功率。

港口机械的重复短期工作制，实际上是S4或S5工作制。

ZZJ800直流电动机在结构上有自冷和风冷两种。短时工作制和30%工作制是自冷，长期工作制是风冷。因为一般起重运输机械采用直流电动机的机械工作制都大于30%，所以都采用风冷型电动机，即长期工作制。只要使电动机的额定功率大于、等于计算的负载功率即可，无需再考虑具体的接电持续率。

YZR交流电动机样本给出了每小时等效起动次数150次/时、300次/时、600次/时三种操作状态下各相应的接电持续率下的电动机功率。可以根据实际机构的操作频度，在与电动机操作条件相同的条件下，选取电动机的功率大于、等于计算功率，没有必要再进行复杂的损耗计算。

变频调速电动机，宜选用他冷式电机。另外，由于不同型号变频电机的转矩特性差别较大，应特别注意电机的转矩校核。

自然，电动机的转速要满足机械要求。 四、电动机发热较验

电动机选好后，必须进行发热校验，确保日后使用不发生损坏。

电动机发热计算很繁杂，而且需要很多数据。实际上工程设计无法做好，因此采用间接方法。

电动机损耗由定耗与变耗二部分组成。变耗是影响电动机温升的主要热量，与电流的二次方成正比。对于直流电动机，在额定励磁下，电动机转矩与电枢电流成正比，因此转矩直接反映了电流的大小。对于交流电动机，情况较复杂。但在电压不变、功率因数不变的条件下，转矩也近似地表示了电流的大小。所以，实际计算中，往往通过转矩的计算来校核发热。按所计算的传动机构的转矩载荷图，计算出一个假定在一次操作循环里连续作用的等效平均转矩Mmed。图2-2-2是一个机构载荷图的示例。按此载荷图，可通过式（2-2-6）计算其等效平均转矩Mmed。计算中，机构间歇的静止时间不予考虑。

图2－2－2 Mmf(t)载荷图

MmedM1t1M2t2Mitit1t2ti222 （2-2-6）

平均等效功率

MnPmedmed9550 （2-2-7）

式中：Pmed——平均等效功率；kW；

n——电动机转速，r/min。

所选电动机的功率必须大于或等于与相应的接电持续率和起动等级对应的平均等效功率。

实际上，机构的载荷图事先难以做出或得到。为方便用户，电机制造厂将不同工作状态下的电动机功率用表列出。所以，只要根据载荷计算的结果选择一个相同工作状态的电动机，使其功率大于、等于载荷计算的功率即可，电动机发热验算就无需再进行。电动机选择过程已经考虑了热计算。

电动机容量校验应注意以下问题：

（一）操作循环时间不超过10min。如果循环时间大于10min，但较接近，可在选择电动机容量时适当放大裕度。如果负载的波动不大，变化平稳，即使循环时间很长，仍可按循环时间不大于10min的情况处理。反之，循环时间长于10min，并且负载波动很大，就只有按实际情况去详细计算。港口机械这种情况基本没有。

（二） 环境温度要低于40C，否则要用冶金型。

（三）运行中电动机的散热条件不会恶化。如自冷却电动机的长期低速运 转，就要定量分析。

（四）电动机的固定损耗不变。如交流电动机的供电电压、频率变化，定 耗就要重新计算。

（五）电动机在弱磁状态，转矩计算要相应改变。

（六）电动机发热计算如果以功率P进行，则必须在电动机转速不变的前 提下，否则要按转速比折算。

（七）鼠笼型交流电动机的起动损耗很大，所以其每小时起动次数决不能大 于制造厂的允许值，否则就要降低容量使用。

五、电动机过载校验

实际应用中，电动机的过载能力是必需的。由于调速要求等原因，容量大的 电动机不一定能满足过载要求，因此必须对过载进行校验。

电动机的过载能力随电动机类型而定。交流电动机的转矩与电压的平方成正比，直流电动机转矩与电枢电流成正比，所以计算时，交流就要计及电压降影响，直流不计入。

鼠笼式电动机一般只校核起动转矩，最大转矩要高于起动转矩。 交流绕线电动机、交流变频电动机与直流电动机需校核最大转矩。 鼠笼电动机的最小起动转矩MAmin必须满足

MAmin1.4Msmax （2-2-8） 绕线交流电机的最大转矩Mmax必须满足

Mmax1.8Msmax （2-2-9） 交流变频电动机与直流电动机的最大转矩Mmax必须满足

Mmax1.4Msmax （2-2-10） 上面各式中的Msmax是机构折算至电动机轴上的最大静载转矩。