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摘 要
龙门式起重机是一种重要的物料搬运设备，广泛应用于厂矿、车站、港口、电站等生产领域中。随着经济的发展，它不仅在国民经济中占有重要的位置，而且在社会生产和生活的领域的应用也不断扩大。国内各生产企业都在各自所属的领域内扩展产品种类及优化产品性能，采用一些先进的技术来开发自己的产品或通过引进国外先进技术来提高产品质量。
本文首先简要介绍了课题的研究背景和意义，以及龙门起重机的发展趋势与结构分类;然后列出了450t-38m龙门起重机设计的基本的参数，完成450t-38m龙门起重机总体的设计;计算了该龙门起重机受到的静载荷、动载荷、风载荷、偏斜运行时的水平侧向力、碰撞力等等;计算了龙门起重机的轮压，校核了起重机的稳定性、正常工作状态和非正常工作状态的防风抗滑安全性。以及对龙门式起重机的金属结构设计和计算,对龙门式起重机的小车起升机构和行走机构进行了设计与计算,对龙门式起重机的大车行走机构进行了设计与计算。
关键词：起重机；结构设计；起升机构；行走机构；
Abstract
Gantry crane is important lifting equipment and widely used in mines, railway stations, ports, power plants and manufacturing fields.They play an important role in the development of the society and their possible applications are expanding over the years. Domestic manufaeturers in their respeetive areas expand produet range and optimize Product Performanee，by introducting advaneed teehnology to develop their own Products or the foreign advanced teehnology to improve Product quality.
Firstly，the background and significance of this research were introdueed，and the development and the structural classification of the gantry crane are diseussed briefly in the paper,The 450t-38m gantry crane was designed with its basic Parameters;The static load，dynamic load，wind load，horizontal side force，collision force were computed，and stability and safty cheeked.The metal structure of gantry was designed and calculates.hoisting mechanism and walking mechanism of the car were designed and calculates; walking mechanism of the cart was designed and calculates,
Key words: Crane; Structural design；hoisting mechanism; walking mechanism；
目 录
摘 要I
AbstractI
目 录1
第1章 绪论1
1.1起重运输机械的概述1
1.1.1起重运输机械的作用1
1.1.2起重运输机械的工作特点2
1.2起重运输机械的发展趋势3
1.2.1国内起重机的发展方向5
1.2.2国外起重机的发展方向6
1.2.3国内外起重机现状的比较7
1.3课题的研究意义7
1.4本课题研究的主要内容8
第2章 龙门起重机结构分类和工作原理9
2.1龙门起重机的分类9
2.2龙门起重机的结构9
2.3龙门起重机的主要形式10
2.4龙门起重机的选型11
2.5龙门起重机的基本参数12
2.6龙门起重机的工作类型13
2.7龙门起重机的使用材料14
2.7.1使用材料的种类14
2.7.2使用材料的要求15
2.8本章小结15
第3章 龙门起重机总体设计16
3.1总体设计参数16
3.2金属结构设计计算17
3.2.1基本设计参数17
3.2.2载荷17
3.2.3抗倾覆稳定性18
3.3金属结构的截面几何特性19
3.4主梁强度计算20
3.4支腿强度计算21
3.5本章小结24
第4章 小车的起升机构和行走机构设计和计算25
4.1小车的起升机构设计和计算25
4.1.1钢丝绳选择25
4.1.2卷筒26
4.1.3电动机的选择26
4.1.4减速器的选择27
4.1.5制动器的选择28
4.1.6机构起动时间计算28
4.2小车的行走机构设计和计算29
4.2.1小车运行机构的基本参数29
4.2.2运行静阻力29
4.2.3电动机的选择与计算30
4.2.4减速器的选择与计算30
4.2.5连轴器的选择31
4.2.6制动器的选择32
4.2.7小车车轮的强度计算32
4.3本章小结33
第5章 大车行走机构设计计算34
5.1大车运行机构的基本参数34
5.2运行静阻力34
5.3电动机的选择与计算35
5.4减速器的选择35
5.5缓冲器的选择35
5.6车轮与轨道36
5.7本章小结36
结 论37
参考文献38
致 谢40
第1章 绪论
1.1起重运输机械的概述
1.1.1起重运输机械的作用
起重运输机械是起升、搬运和输送物料及产品的机具，是国民生产各部门提高劳动生产率、生产过程机械化不可缺少的大型机械设备，如图1.1所示。起重运输机械对于提高工程机械各生产部门的机械化，缩短生产周期和降低生产成本，起着非常重要的作用。
起重运输机械是现代工业生产不可缺少的设备，被广泛的应用于各种物料的起重、运输、装卸、安装和人员输送等作业中，从而大大减轻了体力劳动强度，提高了劳动生产率，是保证施工生产质量和效益的关键起重设备。有些起重运输机械还能在生产过程中进行某些特殊的工艺操作，使生产过程实现机械化和自动化。在工厂、矿山、车站、港口、建筑工地、水电站、仓库等各生产部门中，都得到广泛地应用。在现代化钢铁企业中，起重运输机械更是不可缺少的。近年来，由于工业技术的不断发展，生产水平不断提高，起重运输机械的作用已超出作为辅助设备的范围，进而直接应用于生产工艺过程中，成为生产流水作业线上的主体设备组成部分。因此，世界各国都在不断改进起重运输机械产品的性能，提高运转速度和生产能力，提高自动化水平，制造方便可靠、新型、高效能的起重机和运输机来满足生产的需要[1]。
图1.1 龙门式起重机
随着现代科学技术的飞跃发展，在国民经济各部门和基本建设中，新结构、新工艺、新技术、新材料的不断应用。一些大、中型构件、桥梁等设备的垂直运输及在高难度建筑上的安装就位等工作，没有起重机设备是很难完成的。
我国在发明和使用起重运输机械方面，历史是最悠久的。早在奴隶社会的商朝时期，由于农业灌溉上的需要，以创造了用于汲水的起重工具，这是由杠杆和取物装置构成的简单起重装置。早在古代我国劳动人民就发明了辘护以汲取更深的井水，辘护是由支架、卷筒、绳索和曲柄等简单元件组成的，成为现代绞车的原始雏形。在公元200年左右出现了用于汲水和排水的翻车。翻车的发明，从工作原理上说，是一个很大的飞跃，它从间歇动作发展为连续动作，与现代的刮板运输机极为相似[2]。
随着我国生产制造业的发展和进步，起重运输机械制造业也得到了很大的发展和应用，起重运输机械领域也从无到有、由小到大的逐步发展起来，一批起重运输机械的科研机构和生产加工逐步建立，设计一、研制力量日趋壮大。不仅产品的种类基本齐全，而且有了自己的系列和标准。不仅能生产小型轻巧的起重机械，而且也能生产吨位很大的、技术较先进的大型起重机。但是，与世界先进水平比较，无论在产品的种类、数量方面，还是机械性能、质量等方面都存在着较大的差距。为尽快赶超世界先进水平，我们应该在独立自主的原则下，认真学习国外先进技术[3]。
1.1.2起重运输机械的工作特点
起重机是以间歇、重复的工作方式，通过起重吊钩或其他吊具起升、下降，或升降与运移物料的机械设备。他在搬运物料时，经历上料、运送、卸料及返回原处的过程，工作范围较大。
起重机械通常具有庞大和比较复杂的机构，能完成一个起升运动、一个或几个水平运动。所吊运的重物多种多样，载荷是变化的。有的重物重达几百吨甚至上千吨，有的物体长达几十米，形状很不规则。大多数起重机械需要在较大的范围内运行，有的需要设轨道和车轮，有的要安装轮胎或履带在地面上行走(如汽车吊、履带吊等)，还有的需要在钢丝绳上行走(如客运、货运架空索道)，活动空间较大，一旦造成事故影响面积也较大[4]。
有些起重机械，需要直接载运人员在轨道、平台、或钢丝绳上做升降运动(如电梯、升降平台等)，其可靠性直接影响人身安全。
起重机械的工作特点如下：
1.吊物一般具有很大的质量和很高的势能
被搬运的物料个大体重(一般物料均几吨以上)、种类繁多、形态各异(包括成件、故料、液体、固液混合等物料)，起重搬运过程是重物在高空中的悬吊运动。
2.起重作业是多种运动的组合
起重机的金属机构、传动机构和控制装置等机构组成多维运动，大量结构复杂、运动各异的金属结构给作业安全带来了潜在的危险。速度多变的可动零部件，形成起重机械的危险点多且分散的特点，给安全防护增加难度。
3.作业范围大
金属结构横跨车间或作业场地，高居其他设备、设施和施工人群之上。起重机带载可以部分或整体在较大范围内移动运行，使危险的影响范围加大。
4.多人配合的群体作业
起重作业的程序是地面司索工捆绑吊物、挂钩;起重司机操作起重机将物料吊起，按地面指挥，通过空间运行，将吊物放到指定位置摘钩、卸料。每一次吊运循环，都必须是多人合作完成，无论哪个环节出问题，都有可能发生意外。
5.作业条件复杂多变
在车间内，地面设备多，人员集中;在室外，受气候、气象条件和场地限制的影响，特别是流动式起重机还涉及到地形和周围环境等多因素的影响。
6.暴露的、活动的零部件较多
在起重作业现场，大量机构与作业人员直接接触(如吊钩，钢丝绳等)，容易对人身安全造成伤害。
总之，重物在空间的吊运、起重机的多机构组合运动、庞大金属机构整机移动性，以及大范围、多环节的群体运作，使起重作业的安全问题尤为突出[1]。
1.2起重运输机械的发展趋势
从20世纪后期开始，国际上龙式起重机的生产向大型化、多功能化、专用化和自动化的方向发展[5]。
①重点产品大型化，高速化和专用化
由于工业生产规模不断扩大，生产效率日益提高，以及产品生产过程中物料装卸搬运费用所占比例逐渐增加，促使大型或高速起重机的需求量不断增长，起重量越来越大，工作速度越来越高，并对能耗和可靠性提出更高的要求。起重机已成为自动化生产流程中的重要环节。起重机不但要容易操作，容易维护，而且安全性要好，可靠性要高，要求具有优异的耐久性、无故障性、维修性和使用经济性。
②系列产品模块化、组合化和标准化
用模块化设计代替传统的整机设计方法，将起重机上功能基本相同的构件、部件和零件制成有多种用途，有相同联接要素以及可互换的标准模块，通过不同模块的相互组合，形成不同类型和规格的起重机。对起重机进行改进，只需针对某几个模块。设计新型起重机，只需选用不同模块重新进行组合。目前，德国、英国、法国、美国和日本的著名起重机公司都已采用起重机模块化设计，并取得了显著的效益。德国德马格公司的标准起重机系列改用模块化设计后，比单件设计的设计费用下降12％，生产成本下降45％，经济效益十分可观。所有部件都可实现大规模生产，再根据用户的不同需求和具体物料搬运路线在短时间内将各种部件组合搭配即成。
③通用产品小型化、轻型化和多样化
有相当批量的起重机是在通用的场合使用，工作并不很繁重。这类起重机批量大、用途广，考虑综合效益，要求起重机尽量降低外形高度，简化结构，减小自重和轮压，也可命名整个建筑物高度下降，建筑结构轻型化，降低造价。德国德马格公司经过几十年的开发和创新，已形成了一个轻型组合式的标准起重机系列。起重量1-80吨，工作级别A1-A7，整个系列由工字形和箱型单梁、悬挂箱形单梁、角形小车箱形单梁和箱形双梁等多个品种组成。主梁与端梁相接以及起重小车的布置有多种型式，可适合不同建筑物及不同起吊高度的要求。根据用户需要每种规格起重机都有三种单速及三种双速供任意选择，还可以选用变频调速。操纵方式有地面手电门自行移动、手电门随小车移动、手电门固定、无线遥控、司机室固定、司机室随小车移动、司机室自行移动等七种选择。大车及小车的供电有电缆小车导电、DVS系统两种方式。如此多的选择项，通过不同的组合，可搭配成百上千种起重机，充分满足用户不同的需求。这种起重机的另一最大优点是轻型化，自重轻、轮压轻、外形尺寸高度小，可大大降低厂房建筑物的建造成3本，同时也可减小起重机的运行功率和运行成本。与通用产品相比较，起重量10t，跨度22.5m，通用双梁桥式起重机自重24t，起重机轨面以上高度1876mm，起重机宽度5980mm；德马格起重机的自重只有8.7t，重量轻了176％，起重机轨面以上高度920mm，降低了104％，起重机宽度2980mm，外形尺寸减少了100%。
④产品性能自动化、智能化和数字化
起重机的更新和发展，在很大程度上取决于电气传动与控制的改进。将机械技术和电子技术相结合，将先进的计算机技术、微电子技术、电力电子技术、光缆技术、液压技术、模糊控制技术应用到机械的驱动和控制系统，实现起重机的自动化和智能化。大型高效起重机新一代电气控制装置已发展为全电子数字化控制系统。主要由全数字化控制驱动装置、可编程序控制器、故障诊断及数据管理系统、数字化操纵给定检测等设备组成。变压变频调速、射频数据通讯、故障自诊监控、吊具防摇的模糊控制、激光查找起吊物重心、近场感应防碰撞技术、现场总线、载波通讯及控制、无接触供电及三维条形码技术等将广泛得到应用。使起重机具有更高的柔性，以适合多批次少批量的柔性生产模式，提高单机综合自动化水平。重点开发以微处理机为核心的高性能电气传动装置，使起重机具有优良的调速和静动特性，可进行操作的自动控制、自动显示与记录，起重机运行的自动保护与自动检测，特殊场合的远距离遥控等，以适应自动化生产的需要。
⑤产品组合成套化、集成化和柔性化
在起重机单机自动化的基础上，通过计算机把各种起重运输机械组成一个物料搬运集成系统，通过中央控制室的控制，与生产设备有机结合，与生产系统协调配合。这类起重机自动化程度高，具有信息处理功能，可将传感器检测出来的各种信息实施存储、运算、逻辑判断、变换等处理加工，进而向执行机构发出控制指令。这类起重机还具有较好的信息输入输出接口，实现信息全部、准确、可靠地在整个物料搬运集成系统中的传输。起重机通过系统集成，能形成不同机种的最佳匹配和组合，取长补短，发挥最佳效用。目前重点发展的有工厂生产搬运自动化系统，柔性加工制造系统，商业货物配送集散系统，集装箱装卸搬运系统，交通运输和邮电部门行包货物的自动分拣与搬运系统等[11]。
基于以上起重机的发展特点和国内外集装箱码头的现状，世界上绝大多数大型的集装箱港口都采用跨运车、轮胎式龙门起重机和轨道式龙门起重机系统。相比于跨运车，龙门起重机因其较高的堆场利用率而受到大型集装箱码头的欢迎，特别是亚洲集装箱码头，据Cargo System统计，在2004-2009年交货定单中，中国堆场龙门起重机订单占世界总订单的34%，而通用型中大型门式起重机的需求量日益剧增。因此对中大型门式起重机优化设计、轻量化设计研究已经成为该领域的热点问题[14-16]。
1.2.1国内起重机的发展方向
1.改进起重机械的结构，减轻自重
目前国内起重机己经开始采用计算机优化设计，以此提高整机的技术性能和减轻自重，并在此前提下采用新结构。如5~50t通用桥式起重机中采用半偏轨的主梁结构，与正轨箱形梁相比，可减少或取消主梁中的小加筋板，取消短加筋板，减少结构重量，节省加工时间。
2.充分吸收利用国外先进技术
目前，我国起重机行业已经明显落后于西方工业化国家。充分吸收和利用国外先及技术，可以明显缩短设计周期，提高技术质量，降低生产成本。如起重机大车运行机构采用了德国Denlang公司的“三合一”驱动装置，吊挂与端梁内侧，使其不受主梁下挠和振动的影响，提高了运行机构的性能与寿命，并使结构紧凑，外观美观，安装与维修方便。
3.向大型化方向发展
由于国家对能源工业的重视和资助，建造了许多大中型水电站，发电机组越来越大。特别是长江三峡工程的建设对大型起重机的需要量迅速上升。三峡工程左岸电站主厂房安装了两台1200/125t桥式起重机，配备了2000t大型塔式起重机。可以预计大吨位高性能的起重机需要量是非常大的，前景广阔。
1.2.2国外起重机的发展方向
1.简化设备结构，减轻自重，降低生产成本
芬兰Kone公司生产的起重机就是一个典型的例子。其中起升结构减速器的外壳与小车架一端梁合二为一，定滑轮组与卷筒组连为一体，同时，绞车运行机构采用三合一驱动装置，这样一来整机自重大幅度减轻。国内生产的75/20t、31.5m跨度起重机自重94t，而Kone公司生产的80/20t、29.4m跨度起重机自重只有60t[3]。
2.更新零部件，提高整机性能
法国Patain公司采用窄偏轨箱形梁做主梁，其高、宽比为4~3.5左右，大筋板间距为梁高的2倍，不用小筋板。主梁与梁端的连接采用搭接方式，使垂直力直接作用于两端上盖板，由此可降低端梁的高度，便于运输[10]。
3.设备大型化
随着世界经济的发展，起重机械设备的体积和重量越来越趋于大型化，其重量和调运幅度也有所增加，为节省生产和使用费用，其服务场地和使用范围也随之增大。例如新加坡裕廊船厂要求岸边的修船门坐起重机能为两条大油轮服务，其吊运幅度为105m，而且70m幅度是能吊起100t；我国三峡工程中使用的1200t桥式起重机就对调速要求很高，为三维坐标动态控制，如图1.2所示。
图1.2 三峡工程中的1200t桥式起重机
4.机械化运输系统的组合应用
国外一些大厂为了提高生产率，降低生产成本，把起重机械有机地组合在一起，构成先进的机械化运输系统。德国Demang公司在飞机制造厂中采用了一套先进的单轨或悬挂式运输系统，大大简化了运输环节。将所运物品装入专用集装箱内(有单轨系统的轨道)由码头运至工厂，厂内的单轨系统与集装箱内的轨道对接，物品进入厂房，并由单轨运输系统按计算机的指令入库或进入工位，实现门对门的运输[17]。
1.2.3国内外起重机现状的比较
现在，我国工程机械行业发展已经有了很好的基础，产品门类，生产规模，大、中、小企业构架和发展环境都比较好，但同国际先进的工程机械制造厂一家相比差距还比较大，主要表现在产品的可靠性、使用寿命、绿色工程设计、高新技术的创新应用以及管理模式上。相对而言，我国自主开发能力还比较薄弱，有自主知识产权的产品还比较少，新产品的关键技术大部分还依赖于引进国外技术；另一方面对国外先进技术的消化、吸收、创新不足。其次，对市场反应速度慢，产品更新周期长。而美国一些机械企业1990年已经做到了三个“3”，即产品的生命周期为3年，产品的试制周期为3个月，产品的设计周期为3个星期。我国工程机械的规格还有空缺。以上事实证明：中国工程机械市场虽然可保持持续增长的势头，但中国工程机械行业的技术发展仍然任重道远。
随着我国生产和制造业的发展和进步，起重运输机械制造业也得到了很大的发展和应用，起重运输机械领域也从无到有、从小到大逐步发展起来，一批起重运输机械的科研机构和生产工厂也逐步建立，设计、研制力量日趋壮大。不仅产品的种类基本齐全，而且有了自己的系列和标准。不仅能生产小型轻巧的起重机械，而且也能生产吨位很大的、技术较先进的大型起重机[3]。但是，与世界先进水平比较，无论在产品的品种、数量方面，还是机械的性能、质量方面都存在着较大的差距。我们应该在独立自主的基础上，积极学习国外先进技术，赶超世界先进水平。
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