门座式起重机起升及变幅机构的设计（毕业论文）

本科毕业设计(论文)资料题目名称：门座式起重机起升及变幅机构的设计机械工专业：机械设计制造及其自动化在门座式起重机的设计过程中，首先综合介绍了门座式起重机的特点、分类、结构的门座式起重机的变幅机构设计分为臂架设计Inthedesignprocessportalcrane,youarefirstcomprehensivedescribesthecharacteristicsofthehoist,classification,structure,anditscurrentstatusandprospects.Next,determinetheoverallscheme,drawadiagramofthePortalStarterofinstitutions,andonindividualexecutivebodyofthemainargumentsareevaluated·Animportantpartofthecraneliftingmechanismdesign,itwasimportanttodeterminetheappropriatetonnageofhook,wirerope,reelsizecalculationandmotor,speedreducers,brakes,etc.Thelastofthehoistmechanismdesignintoarmanddrivemechanismdesign,theboomistheoptimizationofmethodstodo,thefindingsthroughMatlabsoftware.Keywords:Portalcrane,hoistmechanism,mechanism,optimaldesign 1.1.3门座式起重机的现状及发展趋势 21.2设计任务与设计要求 21.2.1设计任务 2 2 42.1起重机总体机构的确定 42.2起重机执行机构的确定 52.2.1起升机构 52.2.2变蝠机构 2.2.3同转机构 62.2.4行走机构 6 62.3.1起重量 62.3.2起升高度 62.3.3幅度 72.3.4工作速度 72.3.5工作类型 2.3.6轨距 82.3.7轮压 82.3.8外形尺寸 8 93.1卷绕系统 9 3.3钢丝绳的计算 3.4卷筒的计算 3.4.1卷筒的直径 3.4.2卷筒的长度 3.4.3卷筒的壁厚及校核 3.5电动机的选择 3.6减速器的选择 3.8制动器的选择 3.9.1起动时间的验算 3.10发电机的发热验算 4.1臂架系统的设计计算 4.1.1门座式起重机变幅机构优化模型 4.1.2优化模型的简化 4.1.2.1设计变量 4.1.2.2H标函数 4.1.2.3约束条件 244.1.4算法与结论 4.2变幅驱动机构 4.2.1变幅机构的己知参数 4.2.2传动效率 4.2.3螺杆等效作用力 4.2.4电动机功率的确定 致谢 附录 门座式起重机是一种重要而又具有代表性的旋转类型运动式起重机，他因具有能让运输车顺利通过的门架结构而得名。门形座架的4条腿构成4个“门洞”,可供铁路车门座起重机有各种分类方法，根据结构型式的不同，可分为不同的类型。以门架的结构型式为主要标志，门座起重机可以分为全门座起重机和半门座起重机。以工部旋转部分相对下部运行部分旋转的支承装置的结构型式为主要标志，门座起重机可以分为转柱式门座起重机、定柱式门座起重机、大轴承式门座起重机、转盘式们座式起重机。根据用途和使用场合的不同，门座起重机可以分为港口用门座起重机、造船用门座起重机和建筑用门座起重机。门座式起重机一般通过电缆卷筒或地沟滑触线供电，采用电力直接驱动，只有半电力供应无法解决时才考虑采用蒸汽发电或柴油发电等复合驱动装置。用半门座起重机，随着码头宽度的加大，门座和半门座起重机并列发展，并普遍采用俯仰臂架和水平变幅系统。第二次毗界大战后，港用门座起重机迅速发展为便于多台起重并采用了减小码头掩盖面的门座结构。在发展过程中，门座起重机还逐步推广应用到作很大，有的企业己经收到了显著的效果，市场占有率进一步提高。我国门座式起重机产我国起重机工业有很大的发展潜力，前景很好，但同时我国起重行业H前存在的儿广的货物举升设备。其结构包括壁架系统、人字架、旋转平台、司机室等，同时还装有基本参数：起重量Q=80t,起升高度H=55m(其中轨上45m,轨下10m),起升速图2-1起重机简图和沿俩个水平方向的运动，必须设置相应的工作机构。门座式起重机一般设有起升机特征是变幅频繁，变幅速度对装卸生产率有直接影响，变幅阻力较大(带栽变幅)。在臂绍自重平衡；为使臂架装置的总重心的高度在变幅过程中不变或变化较小，采用臂架平衡系统。起重机的一部分(一般指工车部分或旋转部分)相对于另一部分(一般指下车部分或非旋转部分)作相对的旋转运动称为回转。为实现起重机的回转运动而设置的机构称为回转回转机构包括支承装置和驱动机构两部分。旋转支承装置为起重机旋转部分提供稳固的支承，并将来口旋转部分的压力传递给门架。驱动机构则用来驱动旋转部分相对于门架实现回转。旋转机构的作用是绕起重机的垂直轴线在水平平面内沿圆弧弧线运移物品，当旋转与变幅配合动作时，起重机的服务范囤将是一个以最小和最大幅度为内外半径的因环面。2.2.4行走机构运行机构的作用是用来改变门座起重机的工作位置，从而达到在水平方向移动物品或改变起重机工作范闲的H的。门座起重机是有轨远行式赵重机，它貝能沿着专门铺设根据零部件的功用，远行机构的组成可以分为运行支承装置、远行驱动装置和运行安全装置三部分。门座起重机的基木参数有起重量、起升高度、幅度、工作速度、工作类型、轨距、轮压、外形尺寸等。这些参数是表征门座起重机性能的主要指标，也是进行起重机设计工作的技术依据。2.3.1起重量(Q)门座起重机的起重量(额定起重量)是指起重机容许起吊的最大贷物重量和取物装置(吊钩装置除外)的重量之和。起重量的单位是吨(t)。门座起重机起重量的标准系列如下表表2-1门座式起重机起重量系列T本次设计的起重量为80吨2.3.2起升高度(H)门座起重机的起升高度一船是指从运行轨道面向工到取物装置的工极限位置之间本次设计起升高度H=502.3.3幅度(R)门座起重视的幅度是指从起重机旋转中心线到取物装置悬吊点之间的距离。单位是米(m)。当起重臂外伸处于最远极限位置时，从起重机旋转中心到取物装置悬吊点之间的距离称为最大幅度；当起重臂内收处于最近极限位置时，从起重机旋转中心到取物装置悬吊点之问的距离称为最小幅度。变幅速度是指取物装置从最人幅度到最小幅度沿水平方向移动的平均速度。分(m/min)o2.3.5工作类型根据机构接电持续率JC%=25%,起重量为80t,本次设计的门座式起重机的工作类型为门座起重机的轨距是指起重机两条运行轨道轴线之间的距离。单位是米(M)。基本参数如下表表2-2基本参数起重量0起升高度1【幅度起升速度变幅速度起升机构是起重机最主要的机构，用以实现重物的升降运动。它是有电动机、卷筒、钢丝绳、滑轮组、减速器、制动器和吊钩组成。滑轮是用来改变钢丝绳的受力方向的，可以作为导向滑轮，更多地用来组成滑轮组，它是起重机起升机构的重要组成部分。卷筒在起升机构中用来卷绕钢丝绳，它将电动机的回转运动转换为重物升降或水平的直线运动。制动器在起升机构中是不可缺少的用摩擦消耗运动部分的动能，以一定的减速度使机构停止下来：3落重制动器与重力平衡，重物以恒定的速度下降。减速器可以用来改变转速，获得精准的转速，以达到减速的H的。图3-1起升机构示意图1-减速器；2-制动器；3-联轴器兼制动轮；4-电动机；卷简与物品么问通达挠性件构成联系，挠性件依次通过各卷绕构件(滑轮和卷筒),形成卷维系统。卷绕装置将卷简的旋转运动转换成物品的直线运动，并且还改变运动的方向图3-2卷绕系统简图吊钩是起重机中应用最广的取物装置，通常与滑轮组的动滑轮组合成吊钩组，与起升机构的挠性构件连接在一起。这里采用T字形截面的锻造单钩。材料DG20优质低碳钢(锻造吊钩专用材料)。图3-3吊钩3.3钢丝绳的计算钢丝绳是由许多抗拉强度为160~200公斤/毫米$的高强钢丝编绕而成。根据不同的使用F1的，其结构和编绕方式各不相同，有单绕、双重绕、三重绕等型式。为解决钢丝绳的选用问题，须先计算出钢丝绳所受的最大静载拉力，即吊载额定重量时卷上卷筒的钢丝绳的拉力S。同时卷上卷筒的钢丝绳数H为2,4踹住=2x7焉75估"I咖表1·1滑轮及滑轮组的效率滑轮效率滑轮组效率倍率m2345滚动根据轻型起重机钢丝绳安全系数E=5,则钢丝绳的破断拉力[S[S]=AS=5X11.47X10?=57350^根据钢丝绳的破断拉力选用钢丝绳，按KB270-64选用钢丝绳兀-/-6x19+1-32.53.4卷筒计算卷筒用以收放钢丝绳，把原动机的驱动力传递给钢丝绳，并将原动机的回转运动变为直线运动。按照卷筒的外形可分为圆柱形和圆锥形。按照钢丝绳在卷筒上的卷绕的层这里采用圆柱形单层绕卷筒。单层绕卷筒表而通常切有螺旋形绳槽。绳槽节距比钢丝绳的直径稍大，绳槽半径也比钢丝绳的半径稍大，这样既增加了钢丝绳与卷筒的接触而积，又可防止相邻钢丝绳的摩擦，从血提高钢丝绳的使用寿命。3.4.1卷筒的直径卷筒的直径为D>ee₂d=25x1x32.5=812.5mm因为卷筒的标准直径为：300mm>400mm、500mm、650mm>700mm、800mm>取卷筒直径D=1000/77/27。3.4.2卷筒的长度钢丝绳直径d=32.5mm,卷筒上钢绳绳圈节距f=d+(2～3)mm=35mm,当起升高度为H及采用倍率m的滑轮组时，直径为D的卷筒上应有绳槽圈数为：yHm人—;r(Z)+d)十》3.14x(32.5+1000)十0一心在总圈数Z中加了5圈，其中3圈是钢丝绳的固定圈，此外还考虑2圈的安全圈。安全圈在机构吊载之前就已绕上，此后也始终不放，安全圈对固定钢丝绳的压板螺钉起l₂=3Qmml₃=140mmL=Zj+Zg+Z₃=2520+30+140=2690mm3.4.3卷筒的壁厚及校核bp=^=U50kYcm²卷筒壁厚5=0.02D+(4～8)=0.02x1000+5=25.式中：CF—卷筒壁压缩应力S一…钢丝绳拉力因此，此卷筒的尺寸设计合理。Vg=mV=4x9=36m/min和应的卷筒转速电力传动的起升机构，由直流电动机或交流电动机用过减速器带动起升卷筒。直流电动机传动的机械特性适合起升机构工作要求，调速性能好，但直流电源的获得较为困难。在大型口行式的工程起重机工通常采用内燃机——直流发电机组成或直流可控硅传动。交流电机由于能直接口电网取得电流、结构简单、机组重量轻、体积小，故在电力传动的起升机构上被广泛采用。为简化计算，下面所作的功率、力矩等计算，是机构的静力计算，即是假定机构稳定运转时不出现动力现象的状况出发来讨论的，因而它是有条件的，也就是说，可以将机构的受裁状况和应力状态转化为相对平衡稳定的。以速度V=9m/min起升物品，电动机的静式中：%——起升机构传动总效率“0=/1!2!3!4!5”2——在滑轮组与卷筒之间的导向滑轮的效率”4——开式齿轮传动效率当计算时取”3=0-98,”4=°·95,“5=°·94,则有n)二二0-975x0.98³x0.98x0.95x0.94=0.8根据机构的静功率，就可以选用相应的JC%值的电动机。鉴于电动机都具有一定的过载能力，所以可按电动机产晶H录表选用小于并接近静功率的电动机。查电动机技术参数表，选用YZR200L-8型屯动机一台。电动机的参数是：当JC=25%时，Pv=15kW,g=712r/min,77=0.86电动机过载能力的校核：式中：H考虑电床降、转矩允许的系数，绕线异步电动机取2.1m电动机的台数力电动机转矩的允许过载值因此，该电动机的过载能力满足要求，电动机选择合理。3.6减速器的选择起升机构采用的减速器通常有以下几种：圆柱齿轮减速器、蜗轮减速器、行星齿轮根据卷筒和电动机的转速，可求出总传动比取动载系数《=1·3,减速器的功率为：*(1+f)1-12耳=x(1+1.3)x1.12x15=19.32W根据总传动比及功率选用QJS型减速器，其同步转速《=750r/min,许用功率[P]=19·4kW其中心距ax=500mm,允许最大转矩[门=42500N·加允许最大径向载荷[F]=60kNFmax=[S]=51S50kN<[F]人亦=[S]x乎=57850x警=28925N^m<[T]因此，该减速器的轴端最人径向力和减速器的输出轴端的短暂最3.7静力矩的计算起升静力矩为M广烤=3.8制动器的选择起升机构制动力矩必须大于由货物产生的静力矩，使货物处于悬吊状态时具有足够制动力矩Mzi>K₁M₁=U5x63.6=111.3N·m中级工作类型制动器的安全系数K^=1-75选用MW200-160型电磁式制动器。,其容许制动力矩M=160^0·加，3.9起、制动时间验算3.9.1起动时间的验算机构起动时，机构做加速运动，起升速度由零在极短的时间变到最大，这一极短的时间就是起动时间。起动时问为2S=右[0.975呼+掬xK(GD:+GD;)]由于M妙=(1.5～1.8)M《=1.5x201-2=301-8N·r式中Mgp—电动机的平均起动力矩Me—电动机额定力矩另取K=1.15,得起动时间为占口975呼+探起动平均加速度为制动时，制动器制动力矩促使机构减速，由原来起升速度减到速度为零，这一段时间就是制动时间。制动时问为Jh=右[0.975牛%+护K(GD;+GDI)]制动平均减速度3.10电动机的发热验算=12J5kW<Pn=15kW查表知中级工作类型稳态负载平均系数G₂=0.8因此，电动机不会产生过热现第四章变幅机构的设计计算变幅系统是门座起重机最重要的组成部分。一般来说，选定了变幅系统也就决定了门座起重机的基本形式。变幅系统的优劣还决定性地影响整个门座起重机的使用性能、变幅机构的设计主要包括俩个部分：臂架系统的设计计算和变幅驱动机构的设计计门座式起重机的变幅机构多种多样，臂架也有很多不同，下图为臂架结构简图：门座起重机平面连杆变幅机构运动简图如图4-2、4-3所示。图4-3夹角计算简图DX=[R,r:L,Lxo:Yo.cf=[xx₂,x₃,x₄,xs,x₆,xf对平而连杆变幅机构，可将变幅过程中的最大落差视为H标函数，即[x+Lcos(p-xọ-2cos(0+0)r+ly+Lsincp-yo-lsin(^+())]-r²=0式中坐标儿。4.1.2优化模型的简化图4-4简化后的平面连杆变幅机构图中S^ax——象鼻梁端点的最大行程s罰——象鼻梁端点的最小行程t——人字架顶点D较点的水平距离b人字架顶点D较点的垂直距离——象鼻梁端点矩x轴的距离图4-5最大行程时臂架与象鼻梁的状态图下图为象鼻梁与狡点B的位置示意图：J图4-6象鼻梁与较点B的位置示意图此外，最大幅度时臂架、象鼻梁与水平线夹角的下线匕罰和%in端长度L和I比值的选取实际设计时都有经验取值范围：fn=40°~50°&罰/=(0.35-0.5)1=8°~30°/=(0.35-0.5)1由图4-6可求出象鼻梁端点E的坐标表达式：以及象鼻梁前后八—Fo+Lsin&min注意式中(4—5)、(4-6)中Smin、Smax、S均取负值。由图(4-4),取设计变量：加=[兀1,兀2,兀3,兀4,兀s]显然，该设计变量的选择使7维的平面连杆变幅机构轨迹、尺寸综合优化问题缩减为5维优化问题。为了求解方便，将FI标函数分为两层，其中内层主要用来确定，外层则用来确定内层：对每一组给定的匕^,比mJ利用式(4-5)和式(4-8)选定拉杆长度门即根据求出的臂架长度R选取适半的t,h值，然后将臂架摆角匕作为循环变量为正整数),求出(N-2)个r值及相应的Ar=(:狀一Tmin),找出使A厂Tmin时的T和h。式中，(兀，儿)为C点的坐标(见图4-6),并有yc=Rsma+1sm3故H标函数为：Fa/)=min(:aX—/^)(X,—OC为正整数),求出N个y值及相应的y=(儿ax-儿祜),找出使Avmin时的一组设计参数。40⁰<久in<50°8⁰<臨n<30。0.3L<j<0.5L4.1.3算法与结论利用木文算法以象鼻梁前端点E在变幅过程中的落差值最小为户标，机变幅机构进行优化设计。H标函数functionf=myfunl(x)f=max(x(6))-min(x(6));将该文件保存为optiml.m约束条件amx二75*pi/2;Smx=65:smn=31;c(1)=x(1)-50*pi/180;c(2)=40*pi/180-x(1);c(3)=x(2)-25*pi/180;c(4)=10*pi/180-x(2);c(5)=x(3)-0.c(6)=0.35*x(8)-x(3);c(7)=x(4)-0.24*x(7);c(8)=0.2*x(7)-x(4);c(9)=x(5)-0.4*x(7);c(10)=0.3*x(7)-x(5);c(II)=x(9)-amx;c(12)=x(1)-x(9ceq(1)=(-smx^tan(x(1))-HO)/((cos(x(2))*tan(x(1)))+sin(x(2)))-x(8);ceq(4)=asin((x(7)*sin(x(9))-HO)/x(8))-x(10);ceq(5)=-x(7)*cos(x(9))+x(3)*cos(x(10))-x(11);ceq(6)=x(7)*sin(x(9))+x(3)*sin(x(10))—x(12);x(6)=sqrt((x(ll)-x(4))2+(x(12)-x(5))2);调用函数[x]=fmincon(@optiml,xO,[],[],[],[],H标函数f=max(x(2))-min(x(1));c(1)=x(3)-amx;c(2)=amn-x(3);ceq(1)=-R*cos(x(3))-L*cos(sd)-x(1);ceq(2)=R*sin(x(3))-L*sin(sd)-x(2);[x]=fmincon(@optim2,xO,[],[],[],[,[],[],@optim2c)其中x0对应的是内层计算的结果。变幅机构参数优化计算结果LR1thr22°以上结果经过井恩-塔克条件验算，所得到的点为极值点。4.2变幅驱动机构的选择要分为推杆式(螺杆式、齿条式、液压推杆式)、扇形齿轮式和曲柄连杆式等。变幅速度是指臂架或象鼻粱头部滑轮的水平移动速度，劈架摆动时，变幅速度是变化的，设计时预先给定的变幅速度通常部是指在臂架全幅摆动时间5内的变幅速度平均值V式中x、“min-------分别表示最大和最小幅度3.液压变幅机构5.扇形齿轮变幅机构用滚珠螺杆来代替一般的传动螺杆，则传动效率可以得到显著提高。4.2.1变幅机构的已知参数式中起重量及工作幅度80t31-42m63t31-47m变幅速r4.2.2传动效率螺母转S～0.064S——螺杆导程完成全程变幅时，螺杆的实际工作行程可以得I=5.32m全程变幅时间可以从变幅速度算得4小由此得螺杆速度儿=0.0339m/s螺纹中径d=204mm圆周速度螺杆轴向移动速度v=0.0339m/5=A/0.3386²+0.0339²=0.3403m/s根据相对滑动速度，查得摩擦角p=44