水文吊箱电动绞车性能分析及设计方案探讨

1、水文吊箱电动绞车性能分析及设计方案 探讨孙世雷王贞珍李睿曹惮黄委三门峡库区水文水资源局 黄委水文局 黄委山东水文水资源局摘要：水文吊箱升降绞车要求性能稳定、重量轻、体积小、效率高、便于安装。对供电 方式、绞车结构、电动机、减速器等主件的进行了分析和优化，给出了具体的设 计方案、绞车结构形式及受力计算。该类型的电动绞车已在孙口站、利津站的两 处节能吊箱的研发设计屮得以验证，认为设计方案、计算方法正确，绞车结构合 理，是一款理想的吊箱专用绞车之一。关键词：绞车；结构；探讨；吊箱； 水文吊箱缆道是水文测验的重要设施，尤其适用于低水时期的流量和泥沙测验。 吊箱分人工手摇吊箱和电动升降吊箱。电动升降吊箱

2、由电动绞车驱动升降，减轻 了操作人员的体力劳动强度，提高了工作效率，正在被广泛应用。吊箱性能决定 了整个吊箱缆道性能的优劣，而电动绞车是电动吊箱内的核心部件，其性能的 优劣乂决定了电动吊箱的整体性能。因此，有必要对吊箱专用的电动绞车性能进 行分析和优化设计。1电动绞车性能分析1.1电动绞车的性能要求 1.1.1性能稳定电动绞车的性能直接影响吊箱的测验安全，更关系到测验人员的人身安全。因此, 在设计电动绞车时，必须充分考虑其稳定性能，确保电动绞车的性能稳定，安 全可靠，运转平稳。1.1. 2重量轻，体积小电动绞车安装在吊箱内，其重量越轻，吊箱升降越省电，是吊箱专用电动绞车 设计时重点考虑的因素之

3、一。电动绞车安装在吊箱内，体积越小，占用吊箱的空 间就越小，吊箱的有效活动空间就越大，有利于进行水文测验。1. 1.3效率高由于吊箱工作在室外，处于随时移动的状况，电源供给是一个重大难题，节能、 高效是电动绞车设计时考虑的重要因素之一。多数电动吊箱采用自带电瓶的工作 模式，而一般电瓶的电能有限，高效的电动绞车可以有效地弥补电能的不足。1.1.4绞车必须设置制动系统绞车本身要设置电磁制动装置。绞车停止运转时要自动施加制动力，防止吊箱因 重力而下滑;绞车得到运行指令时，绞车电机得到电能，当电机到达一定的转矩 时制动器取消制动力，防止吊箱因重力而下滑，以确保安全。1.2电动绞车特性分析1.2.1吊箱

4、供电方式分析吊箱升降所需电能的供电方式主要有两种:一是输电索供电方式;二是电瓶供电 方式。不同的供电方式有着不同的优缺点。输电索供电方式应用于电动吊箱发展初期。该类吊箱在取代手动操作初期极大地 减轻了测验人员的劳动强度，提高了工作效率，但也存在一些不足之处:一是要 架设低压输电线和避雷线，建设费用昂贵;二是由于多采用低压供电，工作电流 较大，输电索损失电能也非常大，造成吊箱的升降性能降低;三是输电索表层容 易因电刷的磨损导致表面导电层损坏，造成吊箱不能升降，影响测验工作。为了减少一次性投资，省去输电索，提高吊箱的稳定性，山东水文水资源局率 先尝试吊箱自带电瓶的供电方式，目前己经全部替代了输电索

5、供电方式。采用电 瓶为吊箱供电，不但省去了输电索、配套送变电设备，节约了资金，更重要的是 避免了大跨度缆道因压降造成的升降可靠性差的问题，提高了吊箱运行的可靠 性和安全性。1.2.2电动升降绞车结构绞车一般由动力部件、减速增力部件、制动器、绕索机构、输入机构等组成。不 同的绞车结构类型，分别适用于不同的测验条件要求。作为吊箱绞车有其自身的 要求，重点考虑使用重量轻、体积小、结构紧凑、效率高、节能、便于安装的绞 车。采用永磁直流无刷电机、摆线针轮减速机、失电电磁制动器、手动输入轮、输出 绕索轴为一体的绞车是吊箱升降最为理想的绞车之一。吊箱电动绞车主要包括电 机、减速机、制动器、绕索轴、输入轮、基

6、座六部分。1.2.3电动升降绞车主件性能分析电动绞车性能主要取决与电动机、减速机、制动器，现对电动机、减速机、制动 器的性能和选型分析如下：1.2.3. 1电动机目前市场上的电动机有普通直流电机、交流电动机和稀土永磁无刷直流电机。普 通直流电机乂包括他励、串励和复励三类，其各自的工作特性为：(1) 他励直流电机效率:空载损耗是不随负载电流变化的，当负载电流较小时效 率较低，输入的功率大部分消耗在空载损耗上;当负载电流增大吋效率也增大， 输入的功率大部分消耗在机械负载上;但当负载电流大到一定程度时铜损快速增 大此时效率又开始变小。(2) 串励直流电机效率:当负载电流较小时，转速较大，负载电流增加

7、，转速快 速下降，当负载电流趋于零时，电机转速趋于无穷大。因此串励电动机不可以空 载或在轻载下运行，电磁转矩与负载电流的平方成正比。(3) 复励直流电动机:如果是他励绕组磁势起主要作用，复励电动机的转速特性 就与他励电动机接近;如果是串励绕组磁势起主要作用，复励电动机的转速特性 就与串励电动机接近。交流电动机的基木特点是转子绕组不需与其他电源相连，其定子电流直接取自 交流电源;交流电动机的结构简单，制造、使用、维护方便，运行可靠性高，重 量轻，成本低。其局限性是，吊箱无交流电源，如果实现无级变速，低速启动， 正反转换频繁的吊箱使用，必须配置直流三相交流转换装置，提高了投资。稀土永磁无刷直流电机

8、具有传统直流电机的优点，能代替直流电机进行调速， 又取消了碳刷、滑环结构，优化了结构;可以进行低速大功率的运行，从而省去 减速机直接驱动大的负载;转矩特性良好，中、低速转矩都可以，且启动电流小; 能实现无级调速，过载能力强;能实现软启动软停，制动性能好;启动、停止、调 速、换向操作简单；电机本身没有励磁损耗和碳刷损耗，因此工作效率高;稳定性 好，适应性强，维修保养方便;工作过程中不会产生火花，噪音低，振动小，使 用寿命长;造价高，与普通直流电机、交流电机相比造价偏高。1. 2. 3. 2减速机减速机的种类多样、型号丰富，常见的种类有齿轮减速机、行星齿轮减速机、蜗 轮蜗杆减速机、摆线针轮减速机等

9、:齿轮减速机具有体积小、重量轻、传递转矩 大、起动平稳、传动比分级精细等特点;行星齿轮减速机因为结构原因，单级减 速最小为3,最大一般不超过10,相对其他减速机，行星减速机具有高刚性， 高精度，高传动效率，高的扭矩/体积比等特点;蜗轮蜗杆减速机的主要特点是 具有反向自锁功能，可以有较大的减速比，但是一般体积较大，传动效率不高, 精度不高;摆线针轮减速机具有高速比和高效率的特点，单级传动就能达到1:87的减速比，效率在90%以上。该型减速机采用了行星传动原理，输入轴输出 轴在同一轴心线上，使其机型获得尽可能小的尺寸，并且具有运转平稳、噪声 低、摆线针齿啮合齿数较多，重叠系数人以及具有机件平衡的机

10、理，使振动和嗓 声限制在最小程度。1. 2. 3. 3制动器电磁制动器为分通电式电磁制动器及断电式电磁制动器，通电式电磁制动器是 要接通电流后方可工作，而失电式电磁制动器断电后制动。失电式电磁制动器特 点:体积小、安装方便简单、响应速度快、无空载力矩、环保无噪音等。1. 2. 3. 4 结论通过对电动绞车主件性能的分析认为:从性能方而、重量功率比、操作难易程度、 安全性能、性价比等诸因素综合考虑，稀土永磁无刷直流电机是吊箱专用绞车首 选动力;综合考虑各种因素，摆线针轮减速机是吊箱绞车较为理想的减速部件； 吊箱电动绞车制动部件使用失电式电磁制动器。2电动绞车设计2.1吊箱电动绞车结构吊箱基本参数

11、包括吊箱升降速度范围v,单位:m/min;吊箱荷载g,单位:n。由于 水文吊箱所用绞车的特殊性，没有通用的商用绞车可以直接使用，需自行研制。吊箱电动绞车一般采用电机、减速机、制动器、绕线轮四位一体结构的动力系统。 其中“输入轮”是为人工升降吊箱而设置，属吊箱的应急升降备用系统。当电机 或控制电路岀现故障，或电源岀现故障时，可通过摇柄等机构把人工手摇动力 传递给吊箱，应急提升或下落吊箱，完成吊箱的人工升降。2. 2绞车动力计算2. 2. 1减速机的选择所需参数：电机转速 单位r/min;绕索轴直径d,单位mm;吊索直径d,单位rrnn;吊箱升降速度范围v,单位:m/min;减速机减速比计算:其中

12、：v2-输ll1轴转速，单位r/mino减速比i=vl:v2减速机输出转矩计算其中:g-吊箱荷载，单位:n;t-输出转矩，单位:n- mo根据i、t选择减速机型号，所选减速机减速比应等于或约等于计算值i,输出 轴允许力矩应等于或大于计算值to2. 2.2电机的选择其屮:p-电机所需功率，单位kw;w-电机转速,已知量，单位r/min; n -电机、 减速机总效率;i-减速比。根据p和vl选择电动机型号，所选功率应上计算值p的2倍固，电机转速应等 于或约等于vl。2. 2. 3制动器选择制动力矩计算制动器与电动机为同轴，制动力等效于作用在减速机的输入轴上。其中t厂制动力矩，单位nm。根据儿选择制动器，所选制动器制动力矩应大于计算值a, 般取t1的1.5倍。2. 2.4吊箱升降电动绞车主要参数电动绞车设计完毕应标注其主要技术指标，应包括参数如下:绞车最大线速度:v,单位m/min;绞车最大拉力:g,单位n;绞车额定输入功率:p,单位kw;绞车额定输入电流:a,单位安培；电磁制动力矩:t1,单位n m;手动输入力矩:t2,单位nnu3结语本文对水文吊箱专用绞车的性能进行了分析，阐述了专用绞车的特殊性，并对