械毕业设计（论文）-门座起重机变幅机构水平位移补偿设计与优化【全套图纸】 .doc

华东交通大学毕业设计前言门座起重机的介绍门座起重机是港口应用最广泛的起重设备。它对减轻劳动强度，节省人力，降低成本，提高装卸质量，加快中转速度，实现港口机械化起着十分重要的作用。门座起重机金属结构通常由臂架系统、转台与转柱、人字架及门架组成。以门架的结构型式为主标志，门座起重机是一台旋转起重机，装在一个门形座架上，门座内通过一条或数条铁轨。门座起重机多用于港口或造船装卸货物之用。设计时采用了各种方法以达到臂架自重平衡与货物水平位移，从而使变幅功率减至最少。全套图纸，加153893706变幅机构的类型变幅机构按工作性质分为非工作性变幅和工作性变幅；按机构运动形式分为运行小车式变幅和臂架摆动式变幅；按臂架变幅性能分为普通臂架变幅和平衡臂架变幅。非工作性变幅机构只在起重机空载时改变幅度，调整取物装置的作业位置。其特点是变幅次数少，变幅时间对起重机生产效率影响小，一般采用较低的变幅速度。工作性变幅机构用于带载条件下变幅，变幅过程是起重机工作循环的主要环节的情况。变幅时间对起重机的生产率有直接影响，一般采用较高的变幅速度(吊具水平位移速度为)。为降低驱动功率，改善操作性能，工作性变幅机构常采用多种方法实现吊重水平位移和臂架自重平衡。运行小车式变幅机构用于水平臂架的起重机，依靠小车沿臂架玄杆运行以改变起重机幅度。运行小车有自行式和绳索牵引式两种。绳索牵引式小车自重较轻，可减小整机结构自重，应用广泛。臂架摆动式变幅机构是通过臂架在垂直平面内绕其铰轴摆动改变幅度。伸缩臂式起重机臂架既可摆动，也可伸缩，既能增加起升高度，也能改变起重机幅度。普通臂架变幅机构变幅时会同时引起臂架重心和物品重心升降，耗费额外驱动功率，适用于非工作性变幅，在偶尔带载变幅时也可应用。平衡臂架变幅机构采用各种补偿方法和臂架平衡系统，使变幅过程中物品重心沿水平线或近似水平线移动，臂架及其平衡系统的合成重心高度基本吧 变，从而节省驱动功率，适用于工作性变幅。平衡臂架变幅机构平衡臂架（工作性）变幅机构按载重水平移动型式的不同可归纳为绳索补偿型和组合臂架型。绳索补偿型的特点是物品在变幅过程中引起的升降依靠起升绳绕绳系统及时放出或收进一定长度的起升绳来补偿，从而使物品在变幅过程中沿水平线或接近水平线的轨迹移动。绳索补偿型有多种方案，常用的补偿滑轮组和补偿滑轮两种。补偿滑轮组图1补偿滑轮组工作原理图图（1）表示利用补偿滑轮组使物品水平变幅的工作原理，它的特点是在起升绳系统中增加一个补偿滑轮组，当臂架从位置到位置时，物品和取物装置一方面随着臂架端点升高而升高，另一方面又由于补偿滑轮组长度缩短，放出钢丝绳，增加悬挂长度而下降。如果在变幅过程中各个位置上，由于臂架端点上升而引起的物品升高值大致等于因补偿滑轮组缩短而引起的物品下降值，则物品将近似水平线移动。采用滑轮组补偿时，实现水平变幅应满足的条件 （1）式中 起升滑轮组的倍率（通常）; 补偿滑轮组的倍率（通常）。这种补偿法的主要优点是构造简单，臂架受力情况比较有利，容易获得较小的幅度。缺点是起升绳的长度大磨损快，小幅度时物品摆动角度大，用于大起重量起重机有一定困难。基于此选择：起升滑轮组的倍率 补偿滑轮组的倍率 1变幅机构驱动形式与基本参数的确定1.1驱动型式与安全装置的选择变幅机构可直接作用于臂架，也可作用于对重杠杆或补偿滑轮杠杆等。臂架装置和变幅机构应尽可能做到变幅速度均匀，选用齿条变幅机构型式如图1.1所示。臂架直接由齿条推动，齿条由与之啮合的小齿轮驱动，齿条搁在滚轮上并被夹在摆动的导向架里移动。大尺寸的齿条常做成针齿条的形式，其制造和维修简单，普通齿条则啮合间隙小，对缓和动力载荷有好处。为达到紧凑，驱动小齿轮的齿数应尽量取得小。查相关文献以及经验数据最后取驱动轮的模数为：，齿数，有效长度为：。图1.1齿条变幅机构为了减缓变幅起动和制动时的冲击，并消除振动。此外，变幅机构承受的载荷其符号常是改变的，这些载荷是由物品摆动、变幅时物品产生加速度、起重机旋转离心力、风力作用、物品及自重未平衡力矩等所引起，为适应载荷的变化特性，常在机构与臂架之间的连接构件上装设弹簧或橡胶的缓冲与减振装置。1.2补偿滑轮组定滑轮夹套位置的确定根据工作需要和构造布置确定臂架长度，最大幅度，最小幅度，臂架铰点，起升滑轮组倍率和补偿滑轮组倍率。在幅度为，臂架对水平线的夹角宜取；时，臂架对水平线的夹角宜取为。用图解法确定补偿滑轮组定滑轮夹套的装设位置（图1.2中a点）。以一定比例先作出两个臂架的位置和，这两个位置一选择离和的距离各为时较为合适。在臂架端点以一定比例作出物品自重载荷和补偿滑轮组对臂架的作用力，使他们的合力、通过臂架铰点。由此，找出在图示、位置上，补偿滑轮组应有的轴线a和a，两者的交点就是所求的补偿点a的位置。一般a点的位置大约在点的上方稍偏前的地方。1.2 补偿点a的图解确定所设计的变幅机构为带额头的变幅机构，但根据以往的经验可以以同样的作图法取类似计算。作图法（见手工3#图纸）得到的初步计算结果为：的高度为，离回转中心距离为经校验此高度合适。（最优结果为matlab软件优化后所得，在此取近似计算不会影响设计的精度。）2变幅机构的设计计算 2.1正常工作时的变幅力图2.1为普通臂架钢丝绳滑轮组变幅机构计算简图。图2.1普通臂架钢丝绳滑轮组变幅机构简图门座起重机是带载变幅的，带载变幅不是起重机正常工作循环的组成环节，但实际作业中，带载变幅有时是难于避免的。因此，在计算普通闭架的变幅力时，应该考虑带载变幅的情况。正常工作时的变幅力（变幅滑轮组拉力）一般以变幅和回转两机构同时工作，机构均作稳定运动的工况计算。按正常工作时的 变幅力确定机构功率。查文献1公式（264） （21）式中 变幅滑轮组拉力； 物品和吊具重力；臂架自重；作用在臂架重心处的风力； 变幅滑轮组中心线至铰点o的垂直距离；起升滑轮组拉力至铰点o的 垂直距离；转台回转速度（）；幅度；臂架仰角；吊重钢丝绳的偏摆角，一般取。功率计算时， 。 （22）取查文献1，公式（4712） （23）式中 回转速度； 制动时间； 梁重心力回转重心距离查文献1，取， 取 则 2.2最大变幅力的计算按最大变幅力验算机构零件。最大变幅力按下列几种情况计算。最大变幅力可能在稳定回转时起升物品、变幅机构带载启动、臂架安装时产生。2.2.1稳定回转时起升物品；查文献1公式（265） （24）式中 起升载荷动载系数，2.22按变幅机构带载启动时的变幅力查文献1公式（266） （25）式中 动载系数，；取2.2.3臂架安装时，从地面拉起臂架，此时最大变幅力为：查文献1公式（267） （26）式中 1.2考虑臂架惯性和 其他超载因素； 臂架与变幅滑轮组中心线之间的夹角。 经计算得最大变幅力在稳定回转物品时产生为 3变幅机构参数的计算3.1钢丝绳的选择根据钢丝绳的特性与种类对钢丝绳进行初选。考虑到工作强度及工作环境对钢丝绳的要求必须是强度高、韧性好、耐磨损、防腐蚀、反复弯曲和扭转的次数较多。因为线接触绳在同样破断拉力的情况下选用线接触绳，可以采用较小的直径，相应地可采用较小的滑轮和卷筒直径，从而使整个机构的尺寸得以减小，故选用线接触绳。线接触绳有以下几种外粗型、粗细型和填充型。根据这几种绳的优缺点选用粗细型又称瓦林吞型（型）,外层采用粗细两种钢丝，粗钢丝位于内层钢丝的沟槽中，细钢丝位于粗钢丝之间，断面充填系数较高，挠性好，承载力大。由于门座起重机在港口工作露天、潮湿很容易受到腐蚀所以表面选用镀锌处理。考虑到钢丝绳在滑轮组中多次卷挠，所以绳芯选用有机芯，有润滑作用。查文献1公式（268） （31）式中 取（25）（26）（27）中最大值； 变幅滑轮组倍率； 导向滑轮效率； 变幅滑轮组效率。 按及钢丝绳选择系数c确定变幅钢丝绳直径。c值间文献1第三章表（312）.变幅机构工作级别为式中 按钢丝绳选择系数选择钢丝绳直径。查文献1公式（313） （32）式中 所选钢丝绳整绳的破断拉力； 钢丝绳最大静拉力（）； 安全系数，按表（312）；选 查文献2，表（819）最小钢丝绳破断拉力总和=钢丝绳最小破断拉力 即 （33）选定钢丝绳型号为：3.2卷筒的设计计算卷筒组是起升机构和牵引机构中卷绕钢丝绳的部件。常用卷筒组类型有齿轮联接盘式、周边大齿轮式、短轴式和内装行星齿轮式。齿轮联接盘式卷筒组为封闭式传动，分组性好，卷筒轴不承受扭矩，是目前桥式起重机卷筒组的典型结构。缺点是检修时需沿轴向外移动卷筒。周边大齿轮式卷筒组多用于传动速比大、转速低的场合，一般为开式传动，卷筒轴只承受弯矩。基于此选者周边大齿轮式卷筒。根据钢丝绳在卷筒上卷绕的层数吧同分为单层和多层卷筒，根据钢丝绳卷入卷筒的情况分为单联卷筒（一根钢丝分支绕入卷筒）和双联卷筒。（两根钢丝分支绕入卷筒）。单联卷筒可以单层绕和多层绕双联卷筒一般为但层绕。多层卷筒可以减小卷筒长度但磨损较快，在工作级别以上的机构不适合用。基于此卷筒方案如下图3.2所示。3.2.1卷筒布置方案： 图3.2卷筒方案图查相关文献选取图3.2示卷筒布置方案变幅卷筒卷绕量由变幅滑轮组动滑轮与定滑轮之间的距离的变化量决定,见图1.根据文献1公式（2610） (34)式中 变幅滑轮组定滑轮中心与臂架铰点之间的垂直距离； 变幅滑轮组定滑轮中心与臂架铰点之间的水平距离。从最大幅度到最小幅度时（仰角变到），卷筒绕绳量为：根据文献1公式（2611） （35）式中，可由，代入式（2610）求得 3.2.2变幅钢丝绳的绕入速度查文献1公式（2613） （36）式中 由最大幅度到最小幅度的变幅时间。 （37） 3.2.3变幅卷筒尺寸的确定 查文献1表（331） 卷筒名义直径： （38）式中 卷筒的名义直径（卷筒的槽底直径） 钢丝绳直径 卷筒直径比，查文献1表（332）选取 查文献2以及经验数据 取 绳槽半径 取 绳槽深 取 绳槽节距 取 卷筒上由螺旋部分长度 （39）式中 起升高度 取 卷筒的长度为： （310）无绳槽卷筒端部尺寸，由结构需要决定固定钢丝绳所需长度取卷筒壁厚卷筒材料的选用q235钢卷筒弯扭图见图3.3图3.3卷筒弯扭图3.2.4 卷筒强度的校核查文献2当时需对压，弯曲和扭应力进行计算。对压应力校核： （311）式中 卷筒的压应力； 钢丝绳最大拉力（n）； 应力减小系数，一般取； 许用压应力，铸钢； 铸钢屈服点。查文献4表（71） 卷筒符合强度设计要求。3.2.5校核弯曲应力根据文献4公式（817） （312）式中 由钢丝绳拉力引起的最大弯矩； 卷筒的抗弯截面模数； （313）式中 许用抗压应力，对钢取； （314） = 符合弯曲应力强度要求。3.2.6 卷筒的抗压稳定性计算 当卷筒的直径，长度时，尤其对于钢板焊接的大尺寸薄壁卷筒进行稳定性验算。 查文献4公式（8.18） （315）式中 失去稳定时临界压力对钢卷筒 卷筒壁单位压力 抗压稳定性符合设计要求。3.3滑轮的设计滑轮用以支撑钢丝绳，并能改变钢丝绳的走向，平衡钢丝绳分支的拉力，组成滑轮组，达到省力或增速的目的。当滑轮直径时通常做实体结构，当滑轮直径时由轮缘、带肋板的轮幅和轮毂焊接而成。滑轮的主要尺寸是滑轮直径、轮毂宽度和绳槽尺寸。铸造滑轮尺寸已标准化，轧制华轮也已经标准化。滑轮尺寸按钢丝绳直径选取。查文献1工作滑轮直径 （316）式中 按钢丝绳中心计算的滑轮直径； 钢丝绳直径； 轮绳直径比系数，与机构工作级别和钢丝绳结构有关。查文献1表（321）查取查相关文献以及实践经验最后取滑轮断面尺寸查文献2 ，选取13.5-2 jb/t9005.1-1999断面图见图3.2相关数据为：，上下偏差等级分别为+0.40和+0.80图3.2 滑轮绳槽断面尺寸 4变幅机构电器设备的选择4.1变幅机构电动机的选择按机构静功率p和接电持续率jc%选择电动机。普通臂架滑轮组式变幅机构接电持续率。电动机的静功率为：查文献1公式（2614） (41)式中 正常工作时变幅滑轮组的变幅力； 变幅钢丝绳的速度； 变幅滑轮组的传动效率。 查相关文献取查文献3接电持续率的系数取0.7即电动机功率为： (42)由于y系列电动机为全封闭自扇冷式笼型三箱异步电动机，是按国际电工委员会（iec）标准设计的，具国际互换性的特点。因此 查文献3表（5113）选择电动机型 额定功率 额定转速为4.2减速器的选择起重机减速器载荷特点是起重机的起升、运行、回转和电动臂架机构中都要使用减速器。各个机构的共同特点是周期性工作，承受间歇性载荷。起升机构和电动非平衡臂架变幅机构使用的减速器，齿轮单面受力。运行机构和回转机构的减速器是双面受力，而且启动制动时的惯性力较大。安装方式上桥式门式起重机运行机构多采用立式安装的减速器。目前，国内起重机使用较多的zq型（jzq型）和zsc。zq型减速器主要用于起升机构、变幅机构、大车运行机构、和绳索牵引的小车运行机构。zsc型立式平行轴减速器主要用于起重机大、小车运行机构。这类减速器结构简单，齿轮相对两侧轴承为非对称布置，载荷沿齿宽分布吧均匀，两边的轴承受力不等，材质较差，承载能力低，寿命较短，技术落后。但成本低，价格便宜，目前广泛使用。根据设计需求以及从经济性角度出发考虑我们选择qjrs型。减速器的传动比 (43)式中 电动机转速； 变幅机构转速；查文献4表（336），选取qjrs-d630-160-cw型减速器，其中心距为1080，传动比为156。4.3制动器的选择为保证起重机工作的安全和可靠，在变幅机构中必须装设制动器，在其他机构中视工作要求也要装设制动器。归纳起来，制动器的主要作用：支持制动，当重物的起升和下降动作完毕后，使重物保持不动。停止制动，消耗运动部分的动能，使其减速直至停止。下降制动，消耗下降重物的位能以调节重物下降速度。制动器按工作状态可分为：常闭式、常开式、综合式。制动器按其构造形式可分为：块式制动器、带式制动器、盘式制动器、特种型式制动器、（棘轮制动器、滚柱停止器等）。根据实际需要选取ywz型块式制动器。制动力矩： （44）式中 最大变幅力换算到制动器上的最大力矩，=321.78； 制动器轴与卷筒轴的传动比； 卷筒计算直径； 制动安全系数，查文献4公式（66），可得。将数据代入式（44）得 =1448查文献1表（3-7-17）选ywz5-400/80型制动器，制动力矩为1250。5补偿滑轮组系统的优化5.1补偿滑轮组系统工作原理臂架摆动式变幅机构是通过臂架在垂直平面内绕其饺轴俯仰摆动实现变幅的。普通臂架变幅机构变幅时会同时引起臂架重心和物品重心升降，耗费额外的驱动功率，适用于非工作性变幅，在偶尔需要带载变幅时也可应用。平衡臂架变幅机构采用各种吊重水平位移补偿方法和臂架自重平衡系统，使变幅过程中物品重心沿水平线或近似水平线移动，臂架及其平衡系统的合成重心高度基本不变，从而节省驱动功率，适用于工作性变幅。图5.1所示为起重机的变幅臂架平衡系统采用补偿滑轮组方式，它的特点是在起升绳绕绳系统中增设一个补偿滑轮组，如图5.2所示，起升绳从卷筒绕出后，经过导向滑轮d，再绕过滑轮组c，然后绕过滑轮组b，至吊钩滑轮组，最后固定在臂架滑轮组f处。当臂架从大幅度位置转到小幅度位置时，物品一方面随着臂架端点的升高而升高，另一方面又由于补偿滑轮组长度缩短，放出钢丝绳，增加悬挂长度而下降。设计时要求端点a在变幅过程中尽可能沿着水平线的轨迹移动，以达到减小变幅机构功率的目的。主要技术参数：起重量q=45 t，臂架长度l=34600 mm，补偿绳滑轮组倍率和起升滑轮组倍率和分别为5与2；滑轮b的半径=450 mm，滑轮f的半径=355 mm；最大幅度=32000 mm，对应幅度仰角=30.005；最小幅度=10000 mm，对应幅度仰角=77.257；臂架下铰点至起重机回转中心的水平距离f=1200 mm。5.2 补偿滑轮组优化设计模型图5.1 补偿滑轮组变幅装置图5.2 起升钢丝绳卷绕系统5.2.1设计变量通过对变幅机构的运动分析可知，影响变幅机构a点轨迹、变幅力矩有变幅机构几何尺寸、幅度、臂架仰角、绞点位置以及载荷。以臂架下铰点o作为坐标原点，yoz为坐标系。设计变量取为，见图5.2。不难看出，如果已知d点坐标（）、前颚长、后颚长、颚头轴线与臂架轴线之间的夹角，臂架滑轮f至头部连线距离及其与臂架轴线之间的夹角，则可求出任一幅度位置（即任一幅度仰角）时a点和c点的坐标。5.2.2几何分析对于任一幅度仰角，a点和c点的坐标为： （51）则任一幅度仰角a的升高量为： (52)最大幅度时的dc距离为： (53)任一幅度仰角时的dc距离为： (54)在变幅过程中，起升滑轮组和补偿滑轮组绕绳系统中的钢丝绳长度应保持不变。则在该幅度（仰角）位置由于放出钢丝绳，相对最大幅度时货物的下降距离为： (55)因此，货物偏离水平轨迹的偏离量为： (56)另外，根据力的平衡条件，可得由货重q引起的钢丝绳拉力s，将q和s平行移至臂架端点，即可求得任意幅度位置的货重不平衡力矩。 (57) (58)式中， 为dc连线与水平线之间的夹角，。设定顺时针力矩为正，反之为负。显然，在任一幅度位置力矩越趋近于零越好。5.2.3目标函数在一般的补偿滑轮组优化中，常将水平轨迹最大偏差或货重不平衡力矩的均方根值作为单一目标来考虑的，本节先按第一种方式进行。 使货物在变幅过程中水平轨迹最大偏差f1最小 (59)趋于最小，表示货物运动轨迹得水平性最好。5.2.4约束条件在变幅机构的设计中，约束限制主要是按经验、总体布置对设计变量确定取值范围，即边界约束，以保证其实用性。设计变量的边界约束：-500500，900012500，12002000，8001500，4590，500900，045。优化结果：x1=358; x2=11800; x3=1417; x4=1411; x5=90/180*pi; x6=814; x7=10/180*pi6总结在指导老师的帮助下，经过三个月的努力终于完成了毕业设计。在这过程中我充分体验到毕业设计是高等学校教学计划的总要部分、是进行科学教育、强化意识、进行工程基本训练、提高工程实践能力的重要培养阶段。在这几个月的设计过程中，我首先学会了查阅资料，并且和同学们讨论设计过程中的一些问题，学会了团队合作。在程贤福老师的指导下我学会了如何抓住设计的重点，以及一些解决问题的