桥式起重机设计论文-毕业论文.doc

济南大学毕业设计

摘 要
起重机是减轻笨重体力劳动、提高作业效率、实现安全生产的起重运输设备。在国民经济各部门的物质生产流通中，起重机作为关键的工艺设备或重要的辅助设备机械，应用十分广泛。因其与实际生产生活结合比较紧密，是机械、仪表、电气、人机工程等多学科的融合，特别适合作为毕业设计课题，用来检验毕业生的知识结构和强化专业基础。
本次设计过程严格按照起重机械的设计规范，讲究设计方法和设计顺序，整合大学期间所学过的相关知识，同时积极学习利用新的知识来解决所面对的问题，极大地的提高了设计效率。本次设计成功地完成了毕业设计任务书上所要求的全部内容，同时，根据实际情况对部分要求做了拓展，比如，在资料收集任务中，参阅量远远超过任务要求；再如，运用三维软件Pro/E模拟整机装配，检验了设计成果的合理性。成果的产生正是一个个过程积累的结果，正是一个得鱼更得渔的过程，经过本次设计，切实提高了设计者分析问题、解决问题的能力，深化了对专业知识的理解。
结论，此次设计充分考虑了设备模块化设计的优势，将大车车轮组和小车车轮组定为一个模块，将大车架端梁和小车架端梁定为一个模块，简化了设计过程，节约了设计时间。同时，较为详细地介绍了起重机械设计过程中的常用和通用方法，对类似产品的设计起到了一定的指导作用。
关键词：多学科、规范、模拟装配、模块化

ABSTRACT
Cranes are one of hoisting and transport equipments which are used to reduce heavy manual labor, to improve operation efficiency and realize safety in production.Cranes as key processing equipment and important auxiliary equipment are being widely used in real production.Because of its closely incorporation with life and production practice,and it has closely units with machinery, instrument, electrical, man-machine engineering .esc,so it is especially suitable as a graduation design task to examine graduates' knowledge structure and to strengthen professional basis knowledge.
This design process is in strict accordance with the hoisting machinery design specifications,stress design process and design orders integrate learned relevant knowledge in the university.At the same time ,active learning and applying new knowledge to solve new problems,which improve the design efficiency immensely. This design successfully completed the all requested content in the graduation design task book ,in addition,according practise situation,I expend some design task. For example,in data collection missions ,my amount of work exceeds mission requirement.And so on, I used 3d software(Pro/E) to simulatefor the installation process,which test the rationality of the design results.After this design,my ability of analysing and solving problems is improved vastly.deepening the understanding of professional knowledge and so on.
In conclusion,this design fully considers the advantage of equipment of modular design.Will cart wheel group and small wheel group as a module,big frame girders and small frame girders as a module ,simplifying the design process.salving design time.In addition,this design introduces detailedly universal meathods in hoisting machinery design process,this will play important role in guiding the design of the similar products.

Key words：multidisciplinary.criterions .simulation assemble.modularization

目 录
摘要..................................................................I
ABSTRACT…………….……………………..……………............................................II II
1 前言……….…………………………………………….….…………….....................1
1.1 起重机械的用途及工作特点.......………….………….………..........................1
1.2 起重机械的发展简史….......…………….………….………..............................1
1.3 起重机械的组成和种类………………….…....……..………...........................2
1.3.1 桥式起重机的分类和用途.…….…….…....……...................................3

2 吊钩桥式起重机的设计任务…..….…………………………...............................…..4

3 桥式起重机的设计算
3.1 主要技术参数.……….………………...……………….....................................5
3.2 主起升机构..........................................................................................................5
3.2.1 主起升机构..............................................................................................5
3.2.2 主起升电动机..........................................................................................6
3.2.3 主起升减速器...........................................................................................8
3.2.4 主起升制动器...........................................................................................8
3.2.5 主起升机构载荷......................................................................................10
3.2.6 主卷筒设计..............................................................................................11
3.3 副起升机构设计
3.3.1 副起升机构..............................................................................................13
3.3.2 副起升电动机..........................................................................................15
3.3.3 副起升减速器..........................................................................................16
3.3.4 副起升制动器..........................................................................................16
3.3.5 副起升机构载荷......................................................................................17
3.3.6 副卷筒设计..............................................................................................20

4 小车行走机构................................................................................................................21
4.1 轮压计算.............................................................................................................21
4.2 车轮组选择.........................................................................................................23
4.3 电动机选择.........................................................................................................24
4.4 减速器选择.........................................................................................................24
4.5 制动器选择.........................................................................................................25
4.6 机构载荷计算.....................................................................................................27

5 大车行走机构........................................................................................... ....................28
5.1 轮压计算.............................................................................................................28
5.2 车轮组选择.........................................................................................................30
5.3 电动机选择.........................................................................................................31
5.4 减速器选择.........................................................................................................32
5.5 制动器选择.........................................................................................................33
5.6 机构载荷计算.....................................................................................................33

6 桥架计算
6.1 主梁结构数据.....................................................................................................34
6.2 有限元分析模型.................................................................................................36
6.3 分布载荷.............................................................................................................36
6.4 工况及载荷组合.................................................................................................36
6.5 静刚度和强度计算结果.....................................................................................37
6.6 强度计算讨论.....................................................................................................37

7 整机检验
7.1抗倾覆稳定性计算..............................................................................................38
7.2 总体稳定性计算.................................................................................................39

8结论......................……….………….……………………..….……...…....................... 40
参考文献......................…………….…………………..….…..……………….……...….41
致谢......................………………….……………………..…….…………...…………....42

42

1 前言
1.1 起重机械的用途及工作特点
起重机械主要用于装卸和搬运物料，是现代化生产的重要设备。它不仅广泛应用于工厂、矿山、港口、车站、建筑工地、电站等生产领域，而且也应用到人们的生活领域。使用起重运输机械，能减轻工人劳动强度，降低装卸费用，减少货物的破损，提高劳动生产率，实现生产过程机械化和自动化不可缺少的机械设备。
　　起重机械是以间歇、重复工作方式，通过起重吊钩或其它吊具的起升、下降，或升降与运移重物的机械设备。其工作特点具有周期性。在每一工作循环中，它的主要机构作一次正向及反向运动，每次循环包括物品的装载及卸载，搬运物品的工作行程和卸载后的空钩回程，前后两次装载之间还有包括辅助准备时间在内的短暂停歇。
1.2 起重机械的发展简史
中国古代灌溉农田用的桔?是臂架型起重机的雏形。14世纪，西欧出现了人力和畜力驱动的转动臂架型起重机。19世纪前期，出现了桥式起重机；起重机的重要磨损件如轴、齿轮和吊具等开始采用金属材料制造，并开始采用水力驱动。19世纪后期，蒸汽驱动的起重机逐渐取代了水力驱动的起重机。20世纪20年代开始，由于电气工业和内燃机工业迅速发展，以电动机或内燃机为动力装置的各种起重机基本形成。
1.3起重机械的组成和种类
起重机械是一种作循环、间歇运动的机械。一个工作循环包括：取物装置从取物地把物品提起，然后水平移动到指定地点降下物品，接着进行反向运动，使取物装置返回原位，以便进行下一次循环。
　　通常，起重机械由起升机构(使物品上下运动)、运行机构(使起重机械移动)、变幅机构和回转机构(使物品作水平移动)，起重机是一种作循环、间歇运动的机械。一个工作循环包括：取物装置从取物地把物品提起，然后水平移动到指定地点降下物品，接着进行反向运动，使取物装置返回原位，以便进行下一次循环。
　　通常，起重机械由起升机构(使物品上下运动)、运行机构(使起重机械移动)、变幅机构和回转机构(使物品作水平移动)，再加上金属机构，动力装置，操纵控制及必要的辅助装置组合而成。
　　根据其构造和性能的不同，一般可分为轻小型起重设备、桥式类型起重机械和臂架类型起重机三大类。轻小型起重设备如：千斤顶、葫芦、卷扬机等。桥架类型起重机械如梁式起重机、龙门起重机等。臂架类型起重机如固定式回转起重机、塔式起重机、汽车起重机、轮胎、履带起重机等。
1.3.1桥式起重机的分类和用途
桥式起重机可分为普通桥式起重机、简易梁桥式起重机和冶金专用桥式起重机三种。
普通桥式起重机一般由起重小车、桥架运行机构、桥架金属结构组成。起重小车又由起升机构、小车运行机构和小车架三部分组成。起升机构包括电动机、制动器、减速器、卷筒和滑轮组。电动机通过减速器，带动卷筒转动，使钢丝绳绕上卷筒或从卷筒放下，以升降重物。小车架是支托和安装起升机构和小车运行机构等部件的机架，通常为焊接结构。 起重机运行机构的驱动方式可分为两大类：一类为集中驱动，即用一台电动机带动长传动轴驱动两边的主动车轮；另一类为分别驱动、即两边的主动车轮各用一台电动机驱动。中、小型桥式起重机较多采用制动器、减速器和电动机组合成一体的“三合一”驱动方式，大起重量的普通桥式起重机为便于安装和调整，驱动装置常采用万向联轴器。起重机运行机构一般只用四个主动和从动车轮，如果起重量很大，常用增加车轮的办法来降低轮压。当车轮超过四个时，必须采用铰接均衡车架装置，使起重机的载荷均匀地分布在各车轮上。桥架的金属结构由主梁和端梁组成，分为单主梁桥架和双梁桥架两类。单主梁桥架由单根主梁和位于跨度两边的端梁组成，双梁桥架由两根主梁和端梁组成。主梁与端梁刚性连接，端梁两端装有车轮，用以支承桥架在高架上运行。主梁上焊有轨道，供起重小车运行。桥架主梁的结构类型较多比较典型的有箱形结构、四桁架结构和空腹桁架结构。 箱形结构又可分为正轨箱形双梁、偏轨箱形双梁、偏轨箱形单主梁等几种。正轨箱形双梁是广泛采用的一种基本形式，主梁由上、下翼缘板和两侧的垂直腹板组成，小车钢轨布置在上翼缘板的中心线上，它的结构简单，制造方便，适于成批生产，但自重较大。 偏轨箱形双梁和偏轨箱形单主梁的截面都是由上、下翼缘板和不等厚的主副腹板组成，小车钢轨布置在主腹板上方，箱体内的短加劲板可以省去，其中偏轨箱形单主梁是由一根宽翼缘箱形主梁代替两根主梁，自重较小，但制造较复杂。四桁架式结构由四片平面桁架组合成封闭型空间结构，在上水平桁架表面一般铺有走台板，自重轻，刚度大，但与其他结构相比，外形尺寸大，制造较复杂，疲劳强度较低，已较少生产。空腹桁架结构类似偏轨箱形主梁，由四片钢板组成一封闭结构，除主腹板为实腹工字形梁外，其余三片钢板上按照设计要求切割成许多窗口，形成一个无斜杆的空腹桁架，在上、下水平桁架表面铺有走台板，起重机运行机构及电气设备装在桥架内部，自重较轻，整体刚度大，这在中国是较为广泛采用的一种型式。 普通桥式起重机主要采用电力驱动，一般是在司机室内操纵，也有远距离控制的。起重量可达五百吨，跨度可达60米。 　　简易梁桥式起重机又称梁式起重机，其结构组成与普通桥式起重机类似，起重量、跨度和工作速度均较小。桥架主梁是由工字钢或其他型钢和板钢组成的简单截面梁，用手拉葫芦或电动葫芦配上简易小车作为起重小车，小车一般在工字梁的下翼缘上运行。桥架可以沿高架上的轨道运行，也可沿悬吊在高架下面的轨道运行，这种起重机称为悬挂梁式起重机。 冶金专用桥式起重机在钢铁生产过程中可参与特定的工艺操作，其基本结构与普通桥式起重机相似，但在起重小车上还装有特殊的工作机构或装置。
1.4桥式起重机的基本参数

1. 质量和载荷参数：起重量G，有效起重量Gp，额定起重量Gn，总起重量Gt，最大起重量Gmax，起重力矩M，起重倾覆力矩MA，起重机总质量Go ，轮压P
2. 起重机尺寸参数：幅度L，最大幅度Lmax，最小幅度Lmin，悬臂有效伸缩距l，起升高度H，下降深度h，起升范围D，起重臂长度Lb，起重机倾角
3. 运动速度参数：起升（下降）速度Vn，微速下降速度Vm，回转速度ω，起重机(大车)运行速度Vk，小车运行速度Vt，变幅速度Vr
4. 与起重机运行线路有关的参数：跨度S
5. 一般性能参数：工作级别，机构工作级别
跨度指桥式起重机运行轨道中心线之间的水平距离，单位为m，桥式起重机的小车运行轨道中心线之间的距离称为小车的轨距，地面有轨运行的臂架式起重机的运行轨道中心线之间的距离称为该起重机的轨距。
2吊钩桥式起重机设计任务书
2.1 设计参数
要求：最大额定起重量主钩Gz=25T，副钩Gf =5T，主钩起升速度7<Vzn,<8m/s,副钩起升速度18<Vfn<22m/s,大车运行速度80<Vk<90m/s,小车运行速度40<Vt<50m/s,宽度S=22.5m。
2.2 工作条件
工作制度A5，工作环境温度为-25℃～40℃范围内，室内工作，有线地面操作，设计整机寿命为20年

3.桥式起重机设计计算书
3.1. 主要技术参数
3.1.1. 主起升机构
起重量 25t（250kN）
起升速度 7.99m/min
起升高度 12m
工作级别 M5
3.1.2. 副起升机构
起重量 5t（50kN）
起升速度 20.25m/min
起升高度 14m
工作级别 M5
3.1.3. 小车行走机构
行走速度 44.6m/min
工作级别 M6
轮距 3.3m
轨距 3.4m
3.1.4. 大车行走机构
行走速度 83m/min
工作级别 M5
轴距 4.0m
轨距 2205m
3.2 机构计算
3.2.1.主起升机构
主起升机构为双吊点闭式传动，卷筒按螺旋绳槽、双联卷筒、单层缠绕设计。
钢丝绳
A. 钢丝绳最大拉力Smax：
==32860.8 (N)
式中，Q ——额定起升载荷，Q = 250000 N；
α —— 进入卷筒的钢丝绳分支数，对于双联卷筒，α = 2；
q —— 滑轮组倍率，q = 4；
ηh —— 滑轮组效率，ηh =0.97。
B. 钢丝绳最小直径d min：
=18 mm
式中，C —— 钢丝绳选择系数，C = 0.1；
C. 钢丝绳选择
按6×19W+FC-18.5-170-I -光-右交型钢丝绳，d = 18.5，σb = 1700MPa（钢丝绳公称抗拉强度）， 钢丝破断拉力总和S0= 219000N，
钢丝绳实际安全系数：
= 6.67> 5，通过。
钢丝绳型号为：
6×19W+FC-18.5-170-I -光-右交 GB1102-74
卷筒尺寸与转速
A. 卷筒直径
卷筒最小直径Dmin≥（e-1)d=19×18.5=351.5mm，
式中，e —— 筒绳直径比， e =20；
取D0=400mm（卷筒名义直径），
实际直径倍数es= = 21.6> 20，满足。
B. 卷筒长度
绳槽节距p = 20.5mm，绳槽半径r=10.0+0.2mm，绳槽顶峰高h= 6.0mm。
单边固定圈数：ngd = 2圈；
单边安全圈数：naq = 1.5圈；
单边工作圈数：
= 36.5圈
式中，H —— 起升高度，H=12m。
D —— 卷绕直径，D= D0＋d=0.4185m。
取ngz = 36.5圈；。
单边绳槽圈数：n = 40圈。
绳槽排列长度：Lgz = 40×20.5= 820mm；
卷筒长度：Ljt = 1800 mm。
C. 卷筒转速
卷筒转速：
= 23.74 (r/min)
式中，υ—— 起升速度，υ= 7.8m/min。
3.2.2.电动机
A. 机构效率
减速机效率：ηj = 0.95
卷筒效率：ηt = 0.98
机构效率：η = ηj ηt ηh = 0.95×0.98×0.97 = 0.9
B. 电动机静功率
电动机静功率：
= 36.8(kW)
选择电动机YZR250M1—8，S3，FC25%，Ne =42 kW，ne =716 r/min； S3，FC40%，N40 = 37kW，n40 =720 r/min，力矩Tn=3.13 (飞轮矩) GDd2 =7.0 kg·m2，(自重) Gd = 559 kg。
电动机额定力矩：
= 560.2 (N·m)
C. 在静功率下的电动机转速
在静功率下的电动机转速：
= 709.5(r/min)
式中，n0 ——电动机同步转速， n0= 750m/min；
n40 ——电动机在基准制S3，FC40%时的转速，
n40 = 720m/min；
N40 ——电动机在基准制S3，FC40%时的功率，N40= 37kW。
D.电动机过载验算
电动机必须满足下式：
= 33.5(kW)
式中，H —— 系数， 对于绕线电动机，H = 2.1；
m —— 电动机个数，对于一个吊点，m = 1；
N40 = 37kW，满足。
E.电动机发热验算
稳态平均功率：
= 40 < 42(kW_ 通过。
式中，G —— 稳态系数，对于本机， G = 0.8；
3.2.3. 速比与分配
A. 总传动比
= 29.89
B. 减速机
按QJR-D335-31.5-ⅢC减速机考虑，减速机实际传动比is= 30.63，减速机许用输出扭矩TIja = 12500N·m。 实际起升速度υs = 7.99m/min。
3.2.4. 制动器选择
制动器按1个计，计算制动力矩：
= 678.5(N·m)
式中，k —— 安全系数，k=1.75；
η' —— 制动时的机构效率，η'≈ η = 0.9；
选择制动器YWZ2－400/70，额定制动力矩Tzha = 1000 N·m，自重Gzh = 132kg。
3.2.5 起、制动时间验算
平均起动力矩：Ttm = 1.6Tn = 1.6×560.3= 896.48 N·m
机构空载启动的转动惯量：(高速轴之后的部分按5%计)
(kg.m2)
对于起升机构，启动时，阻力矩：Tr = 0。
启动时间：

= 0.678＋0.037=0.715(s)
式中，m —— 重物及吊具质量，m = 1.02×25000=255000kg；
启动加速度：
= 0.186 < 0.4(m/s2)
带载启动时，静力矩：
= 483.9 (N·m)
重物及吊具质量m，换算到高速轴上的转动惯量为：

= 0.5959(kg·m2)
带载启动时间：

=
= 2.29＋0.011=2.4 (s)
启动加速度：
= 0.055 < 0.4(m/s2) 通过。
带载制动时，静力矩：
= 391.96 (N·m)
制动时间：

=
= 1.65＋0.0014 =1.651 (s)
制动加速度：
= 0.08m/s2 < 0.4m/s2 通过。
3.2.6 起升机构计算载荷
平均起动力矩倍数：β=1.6；
系数= 0.699；
系数
式中，JⅠ——轴上计算处前段的转动惯量；
JⅡ——轴上计算处后段的转动惯量；
动载系数：
； ；
一类载荷(疲劳载荷)TⅠ= φ8Tn ( Nm )；
二类载荷(正常工作最大载荷)TⅡ= φ5φ8Tn = (2φ8-ξ)Tn ( Nm )；
机构(换算到高速轴上的)计算载荷系数见表1。
表1：起升机构计算载荷系数
项目
轴 段
JⅠ
JⅡ
α
φ8
φ5
φ5φ8
电动机轴
7.05
8.7
1.234
1.366
1.212
1.656
减速机高速轴
14.38
2.37
0.165
1.151
1.064
1.225
从上面表1可以看出，起升机构的一、二类载荷的动载系数都大于1，根据规范，分别用φ8、φ5φ8计算一、二类载荷。
在电动机轴段，
一类载荷TⅠ= φ8Tn =1.366×560.2 = 765.23 (N·m) ；
二类载荷TⅡ= φ5 φ8Tn =1.212×1.366×560.2= 927.46 (N·m)。
在减速机高速轴段
一类载荷TⅠ= φ8Tn =1.151×560.2=644.79(N·m) ；
二类载荷TⅡ=φ5 φ8Tn =1.064×1.151×560.2 =686.06 (N·m) 。
换算到减速机低速轴上的一类载荷：
TⅠj = 795.23×42×0.95 = 31729.6 N·m ；≈1，
可见，减速机满足。
换算到减速机低速轴上的二类载荷：
TⅡj = 927.46×42×0.95 = 37005.6 (N·m) ；
3.2.7 卷筒计算
A. 卷筒轴计算
卷筒轴尺寸与轴上载荷卷筒轴受力分析见下图；卷筒自重：Gjt = 2.0 KN

支反力
R左 = = = 139.4 (KN)
R右 = 127.5*1760/（1760+180）= 115.6(KN)
正号表示力的方向与图示力的方向相同。
C. 卷筒轴危险截面上的弯矩
由于卷筒轴自重影响很小，为简化计算，卷筒轴自重简化忽略不计，卷筒轴弯矩图见图4，显然，危险截面在上所示的弯矩最大的截面上。
M = 127.5*0.84=107.1 KN
D. 卷筒轴危险截面的抗弯量
= = 50240 (N/mm2)
E. 卷筒轴危险截面的弯曲应力
卷筒轴材料为45#钢，回火，HB187~217，屈服极限σs = 285 N/mm2 ,许用应力σa = 178 N/mm2 ,各截面上的应力：
== 2.13 (N/mm2)
< 178 N/mm2 = σa ； 强度满足。
3.2.8 卷筒的强度与稳定性
A. 卷筒的强度验算
由于卷筒长度Ljt= 1800 mm，卷筒卷绕直径D=418.5mm。
挤压应力：

式中，δjt —— 卷筒壁厚，δjt=15 mm；
A1 —— 应力减小系数，一般取A1=0.75；
A2 ——卷绕系数，A2=1.0；
卷筒用Q235制作，抗压极限σy = 736 N/mm2，许用挤压应力：

σy < σya ，强度满足。
B. 卷筒的稳定性验算
由于Ljt > 2D0，须作稳定性验算。
卷筒单位面积上所受的外压力：
=22.3(N/mm2)
卷筒的绳槽底径：D0 = 411.5mm，卷筒的内径：Dn = 370mm；
卷筒壁中部的半径：rp = 195.5mm；
== 0.83
= = 9.21
== 8.8
可见，< <
卷筒属于中长薄壁筒，其受压失稳的临界压力为：
= 31.2 （N/mm2）
由于：
= = 406.6 <736 （N/mm2） = σy，
则： = = 1.41 > 1.2，稳定性满足。
3.3.副起升机构
副起升机构为单吊点闭式传动，卷筒按螺旋绳槽、双