毕业设计（论文）-5T工业行车横梁设计.doc

5t工业行车横梁设计摘要：本设计参考qd5200/50t钓钩式起重机。提供了一种生产更为简便、工艺简单、自重轻的主梁截面；将单梁桥式起重机主、横梁的刚性连接在其一端，用铰接连接，解决了因制造和轨道安装误差造成大车运行3条腿问题，提高了运行性能；并用可调大车运行水平轮中心距的设计，不用带轮缘的大车轮，提高了大车轮的使用寿命。从品的市场情况来看，需求量越来越大。目前，随着科学技术进步的加快，世界各国的生产有了较大的发展，从最初的小型单一产品，已发展成全系列、大力矩、多功能、外型美观、操作简单、使用安全，并能进行有线或无线遥控的先进产品，可以说的发展已进入了成熟期。由于国外劳动力费用高，强调工作效率，施工中基本不存在人工装卸，有使用灵活、技术成熟等特点，所以在欧洲市场市场前景广阔。我国起步较晚，但随着科学技术的进步和市场需求的增加，我国的生产水平将会日益发展和完善，产品将具有更大的市场潜力。目前，在沿海城市和地区，的销售形势正逐步好转，特别是大吨位，正受到南方个体用户的青睐，并有向内地推进的趋势。从产品的技术特点来看，正朝着大型化、多功能化和智能化的方向发展。安装的底盘已不再局限于箱式货车底盘，越来越多的重型平板车也安装了大吨位，以满足其自装卸大型货物的需要。的作业装置也不再局限于吊钩，各种高空作业平台、抓具、夹具、吊篮、螺旋钻、板叉、装轮胎机械手、拔桩器等已逐渐被采用。随着的吨位越来越大，对安全控制、操作方便舒适性的要求也越来越高，智能化也已被提上日程。 现代冶金起重机发展的主要趋势之一，是起重量大型化，工作速度高速化，随着社会的发展对冶金企业的要求也在逐步提高，这不仅表现在对冶金产品的数量要求上，更重要的是表现在对冶金产品的质量和品种方面，由于社会需求的增加推动和促进了冶金企业的技术改造和技术进步，大型转炉、连铸、连轧技术的应用，对冶金起重机的大型化和高速度提出了更高的要求.随着科学技术的进步，各种监测、传感控制技术在冶金起重机上得到了广泛的应用，从而使起重机的使用性能得到很大的提高，使冶金起重机从以前简单意义上物料搬运工具变成目前的物流、信息流综合传送.关键词：主梁截面；铰接；水平轮本设计共有3个内容：新型主梁截面；主横梁铰接结构；大车运行机构的可调中心距的水平轮设计。前言：近20年世界工程起重机行业发生了很大变化。rt(越野轮胎起重机)和at(全地面起重机)产品的迅速发展,打破了原有产品与市场格局,在经济发展及市场激烈竞争冲击下,导致世界市场进一步趋向一体化。目前世界工程起重机年销售额已达75亿美元左右。主要生产国为美国、日本、德国、法国、意大利等,世界顶级公司有10多家,世界市场主要集中在北美、日本/亚洲和欧洲。美国既是生产工程起重机的主要国家,又是最大的世界市场之一。由于日本、德国起重机工业的迅速发展及rt和at产品的兴起,美国厂商曾在6070年代世界市场中占有的主导地位受到削弱,从而形成美国、日本和德国三足鼎立之势。近几年美国经济回升,市场活跃,外国厂商纷纷参与竞争。美国制造商的实力也有所增强,特雷克斯起重机公司的崛起即是例证。日本从70年代起成为工程起重机生产大国,产品质量和数量提高很快,已出口到欧美市场,年总产量居世界第一。自1992年以来,由于受日元升值、国内基建投资下降和亚洲金融危机影响,年产量呈下降趋势。年总产值从1991年约5100亿日元下降到1997年的3100亿日元左右,1998年又比1997年下降1/3以上。1998年日本工程起重机总产量为25560台,其中,rt产品2087台,汽车起重机820台,履带起重机692台,随车起重机15032台,其他两类机种共7029台。rt产品年总产值达550亿日元,为各机种之首,其次为履带起重机,约400亿日元。（一）起重机电气控制.1 起重机电气传动：起重机对电气传动的要求有：调速、平稳或快速起制动、纠偏、保持同步、机构间的动作协调、吊重止摆等。其中调速常作为重要要求。一般起重机的调速性能是较差的，当需要准确停车时，只能采取“点车”的操纵方法，如果“点车”次数很多，不但增加了劳动强度，而且由于电器接电次数和电动机起动次数增加，而使电器、电动机工作年限大为缩短，事故增多，维修量增大。由于起重机调速绝大多数需在运行过程中进行，而且变化次数较多，故机械变速一般不太合适，大多数需采用电气调速。本次设计采用：直流调速。直流调速本设计采用：固定电压供电的直流串激电动机，改变外串电阻和接法的直流调速。直流调速具有过载能力大、调速比大、起制动性能好、适合频繁的起制动、事故率低等优点。缺点是系统结构复杂、价格昂贵、需要直流电源等。2.起重机的自动控制可编程序控制器程序控制装置一般由电子数字控制系统组成，其程序自动控制功能主要由可编程序控制器来实现。自动定位装置起重机的自动定位一般是根据被控对象的使用环境、精度要求来确定装置的结构形式。自动定位装置通常使用各种检测元件与继电接触器或可编程序控制器，相互配合达到自动定位的目的。大车运行机构的纠偏和电气同步纠偏分为人为纠偏和自动纠偏。人为纠偏是当偏斜超过一定值后，偏斜信号发生器发出信号，司机断开超前支腿侧的电机，接通滞后支腿侧的电机进行调整。自动纠偏是当偏斜超过一定值时，纠偏指令发生器发出指令，系统进行自动纠偏。电气同步是在交流传动中，常采用带有均衡电机的电轴系统，实现电气同步。地面操纵、有线与无线遥控地面操纵多为葫芦式起重机采用，其关键部件是手动按钮开关，即通常所称的手电门。有线遥控是通过专用的电缆或动力线作为载波体，对信号用调制解调传输方式，达到只用少通道即可实现控制的方法。无线遥控是利用当代电子技术，将信息以电波或光波为通道形式传输达到控制的目的。起重电磁铁及其控制起重电磁铁的电路，主要是提供电磁铁的直流电源及完成控制(吸料、放料)要求。其工作方式分为：定电压控制方式和可调电压控制方式。3起重机的电源引入装置本设计的电源引入装置采用：硬滑线供电。硬滑线电源引入装置有裸角钢平面集电器、圆钢(或铜)滑轮集电器和内藏式滑触线集电器进行电源引入。4起重机的电气设备与电气回路不同类型的起重机的电气设备是多种多样的，其电气回路也不一样，但电气回路基本上还是由主回路、控制回路、保护回路等组成。在这里不必一一介绍，只简要地介绍一下电动起重机的典型产品通用桥式起重机的主要电气设备和基本电气回路。(1).通用桥式起重机的电气设备通用桥式起重机的电气设备主要有各机构用的电动机、制动电磁铁、控制电器和保护电器。.电动机 桥式起重机各机构应采用起重专用电动机，它要求具有较高的机械强度和较大的过载能力。应用最广泛的是绕线式异步电动机。绕线式电动机型号为jzr、jzr：和jzrh和yzr系列电动机.制动电磁铁 制动电磁铁是各机构常闭式制动器的打开装置。本设计采用的打开装置为液压推动器(ty1系列)。.操作电器 又称为控制电器，它包括控制器、接触器、控制屏和电阻器等。主令控制器主要用于大容量电动机或工作繁重、频繁起动的场合(如抓斗操作)。它通常与控制屏中相应的接触器动作，实现主电动机的正、反转、制动停止与调速工作。其常用型号为lk4系列和lk14系列。电阻器在起重机各机构中用于限制起动电流，实现平稳和调速之用。要求应有足够的导电能力，各部分连接必须可靠。保护电器 桥式起重机的保护电器有保护柜、控制屏、过电流继电器、各机构的行程限位、紧急开关、各种安全联锁开关及熔断器等。对于保护电器要求保证动作灵敏、工作安全可靠、确保起重机安全运转。(2).电气回路桥式起重机电气回路主要有主回路、控制回路及照明信号回路等。主回路 直接驱使各机构电动机运转的那部分回路称为主回路，如图118所示。它是由起重机主滑触线开始，经保护柜刀开关1qs、保护柜接触器主触头，再经过各机构控制器定子触头至各相应电动机，即由电动机外接定子回路和外接转子回路组成。控制回路 桥式起重机的控制回路又称为联锁保护回路，它控制起重机总电源的接通与分断，从而实现对起重机的各种安全保护。由控制回路控制起重机总电源的通断，原理如图119所示。左边部分为起重机的主回路，即直接为各机构电动机供电并使其运转的那部分电路。右边部分则为起重机的控制回路。从图119中可知，在主回路刀开关1dk推合后，控制回路于a、b处获得接电，而主回路因接触器km主触头分断未能接电，故整个起重机各机构电动机均未接通电源而无法工作。因此，起重机总电源的接通与分断，就取决于主接触器主触头km的接通与否，而控制回路就是控制主接触器km主触头的接通与分断，也就是控制起重机总电源的接通与分断，故把这部分控制主回路通断的电路称之为控制回路。.控制回路的组成 如图119所示，控制回路由三部分组成：号电路零位起动部分电路、号电路限位保护部分电路和号电路联锁保护部分电路。在号电路内包括起升、小车、大车控制器的零位触头(它们分别用scho、scso、sclo表示)和起动按钮sb；在号电路内包括起升、小车和大车限位器的常闭触头(它们分别用sqh、sqs1、sqs2、sql1、sql2表示)；在电路中包括主接触器km的线圈、紧急开关se、端梁门开关sq1、sq2及各过电流继电器fa0、fa1fa4的常闭触头。号电路与号电路通过主接触器km之常开联锁触头kml、km2并接后与号电路中串联接入电源而组成一个完整的控制回路。照明信号回路 桥式起重机的照明信号回路如图122所示。其回路特点如下：照明信号回路为专用线路，其电源由起重机主断路器的进线端分接，当起重机保护柜主刀开关拉开后(切断1qs)，照明信号回路仍然有电供应，以确保停机检修之需要。照明信号回路由刀开关2qs控制，并有熔断器作短路保护之用。 手提工作灯、司机室照明及电铃等均采用36v的低电源，以确保安全。照明变压器的次级绕组必须作可靠接地保护。（二）梁的截面设计.1. 新型主梁截面目前生产的ld单梁桥式起重机和lx单梁悬挂起重机的主梁截面如图1(a)所示。ld和lx的主梁是由钢板冷压成形的“”字结构，并用两块斜腹板fe与工字钢焊接的主梁截面。斜腹板也需要冷压弯边，改善焊接条件和保证焊接质量。它共有4条主焊缝连接。电动葫芦门式起重机的主梁截面如图1(b)所示。它是由一块盖板bb、两块斜腹板bc与工字钢上腿焊成的主梁截面。它也有4条主焊缝连接。除以上两种实腹截面外，还有圆管与工字钢焊接的截面、焊接的组合工字钢截面、4块钢板焊接的矩形截面等实腹截面及桁架结构主梁。实用新型专利铰接单梁桥式起重机提供的是图1(c)截面。它是由一块钢板冷压成上“人”字形与工字钢上腿焊接的截面，它只有两条主焊缝。现比较图1中3种截面的优劣。 图1.主梁截面图a.图1(a)截面，工字钢的上腿cc对截面的惯性矩i、抗弯模量w及对水平形心轴而言增加值较小，没有充分发挥它的承载能力。也就是说，由于上腿cc截面很接近整个截面的水平形心轴xx，它对截面的惯性矩和抗弯模量增加值较小，因此，截面的最大垂直方向的正应力和静刚度的下挠值比图1(b)、(c)要大。图1(b)、(c)截面的上腿距水平形心轴较远，增大了截面的垂直抗弯能力，提高了主梁的强度和刚度。b.图1(a)、(b)均有4条主焊缝，而图1(c)截面仅有2条主焊缝，没有集中载荷作用在腹板上的梁翼缘焊缝主要受剪应力作用，翼缘焊缝剪应力计算公式=qsx/2ixhfh，其中q为截面内力(剪力)，sx为截面静矩，hf为计算点的剪应力距中心形心轴的高度。ff和bb的焊缝剪应力要比cc焊缝剪应力值大。2条主焊缝比4条焊缝工时减少一半。c.图1(a)截面在ee的焊接，是在工字钢腰上同一位置，相当于十字焊缝。在疲劳强度计算时，考虑应力集中情况等级，水平载荷作用时为k4级。而cc和cc焊缝应力集中情况等级为k2。所以ee焊缝降低了抗疲劳的能力。d.按类载荷组合校核主梁危险截面的静强度时，图1(a)、(b)截面，垂直载荷和水平载荷产生的正应力在b点和b点最大，是垂直正应力和水平正应力的最大压应力之和bmax和bmax。而图1(c)则不同。垂直载荷在a点产生最大正应力a，而在b点的正应力并不是最大值，它等于b=ah2/h1。水平载荷产生的正应力在a点等于零，在b点正应力最大，bmax=b+，该截面对静强度校核有利。e.用一块平钢板冷压成上“人”字形截面，可省去3块钢板、可减少两种冷压成形过程、可少焊两条主焊缝(详见图1(a)，这样既省料，省工，又降低了成本本设计的图1(c)截面的成形方法：是用压力机先将钢板冷压成“”，然后再用一套模具，将“”字结构再冷压成上“人”字形，在与工字钢的上腿焊接。现在生产的ld和lx的主梁钢板厚度是5mm和6mm，最大宽度是1.6m。按gb70988规定，5mm厚钢板宽度最大1.8m；6mm厚度钢板宽度最大2.0m。生产图1(c)截面的主梁，周边长度之和超过钢板宽度时，要两侧对称各对接一块钢板如果将图1中3种主梁截面的截面积取为相等，然后求出截面各部位尺寸，将截面几何性质和性能作一比较，就可以充分说明铰接单梁桥式起重机主梁的优越性了。以ld单梁桥式起重机起重量5t、跨度22.5m的主梁截面为依据，分别求得图1(b)、(c)的截面尺寸，在载荷、速度和各载荷系数等条件均相同的情况下，比较3种截面的静强度、静刚度、局部稳定性和a6工作级别的疲劳强度的计算结果，并表示在表1和表2中，其中图1(c)截面正应力较小，而且翼缘板局部稳定性应力也合格，不需要象图1(b)截面增加纵向加强筋板。表1主梁截面几何性质、静强度、静刚度计算值 主梁截面图ld单梁起重机图1(a)门式起重机图1(b)实用新型铰接单梁桥式起重机图1(c)钢板厚度/mm“”型钢板=6斜腹板厚1=5=61=6=6主梁截面积(mm2)(包括i30异型工字钢截面积8240mm2)21880218802188020536截面尺寸/mmh11001086.281173.171100h0509.563554.908562.014523.298h1590.437531.372611.156576.702h2511.110483.643截面惯性矩(108mm4)ix30.6333.0132.6228.203iy4.7455.1424.4754.039截面抗弯模量(106mm3)wax5.1886.2125.3384.86wdx6.0125.9485.8045.356wby2.0991.6471.4531.41静强度计算应力值/mpa=180mpaa-95.7-79.95-93.0-102.2d82.683.4985.192.73b-95.7-79.95-77.78-85.70b8.7211.1212.6312.99bmax-104.42-91.07-90.41-98.69静刚度(a6)yl21.15419.62919.86423.118 表2疲劳强度和板的局部稳定性计算值主梁截面图ld单梁起重机图1(a)门式起重机图1(b)实用新型铰接单梁桥式起重机图1(c)疲劳强度(a6)跨中截面k1级-1=190mpamax49.370(e点)38.353(c点)39.674(c点)39.107(c点)min11.227(e点)8.764(c点)9.116(c点)8.986(c点)r0.22480.22850.22980.2298rt309.45309.44309.40309.40翼缘板amm1000100010001000b440607323.5301.12.731.6473.0883.3210.8330.7560.9680.966k4.3454.5264.0264.0671crmpa193.45105.88334.0386.5cr145.4579.61*251.13290.5腹板amm1000100010001000b5758208137431.7391.2191.2301.3460.02614-0.4211-0.4388-0.401k7.45912.0512.3111.761crmpa194.43154.26160.55183.36cr146.19115.98120.7137.86此处要说明两点。首先是假定3种截面积相等，它们的动态刚度主梁的满载自振频率不进行比较。因为主梁在跨中换算集中质量与电动葫芦质量之和相等，而主梁跨中的刚度系数ks相差很小，分别为ksa=27.106kn/cm；ksb=29.212kn/cm；ksc=28.866kn/cm。其次，3种截面实腹梁的总体稳定性，当时，也可以不必验算整体稳定性，ba=440mm，bb=606mm，bc=602mm，3种截面的整体稳定性也不作比较如果将图1(c)截面主梁高度取为图1(a)截面的高度h=1100mm，计算结果也表示在表1中，最大正应力仍比图1(a)截面小，此时主梁自重图1(c)截面将比图1(a)截面减轻6.14%以上推荐的图1(c)截面主梁，不仅省工，省料，工艺简单，成本低，而且结构更为合理本设计采用图。（三）.梁铰链的设计与水平轮的设计.1.主横梁铰接结构ld单梁桥式起重机的主、横梁刚性连接见图2，其中一块钢板与横梁焊接在一起，带平面止口的钢板与主梁焊接在一起。主、横梁连接以平面止口定位，用6个或8个螺栓和螺母连接，它是典型的模块化设计。其优点是减小了生产占地，主、横梁可以单独生产，按合同组装。但是，主梁两端的平面止口相对扭转角为1时，对车轮轴距为2m，2.5m和3m的3种横梁安装的车轮，当3个车轮踏面在一个平面上时，另一个车轮踏面将分别高出该平面34.9mm，43.63mm和52.36mm。出现3条腿现象不仅加快车轮轮缘磨损，而且会发生轮缘爬轨和车轮脱轨事故。当分别驱动的大车运行机构一旦发生主动车轮抬起、单边驱动时，驱动力与运行阻力总会构成力偶，产生侧压力及附加阻力，造成驱动电机负载过大，使运行速度减慢或运行不了。当然，造成平面止口相对误差不见得是因为扭转角为1。造成3条腿的原因有：主梁轴线的扭转变形使两端面水平止口不在同一平面上；横梁车轮轴孔加工位置误差和横梁的焊接变形；车轮直径加工误差；轨道安装误差等。图2主、横梁连接图本设计采用铰接单梁桥式起重机的主、横梁连接，其一端仍保留图2的刚性连接，而另一端用图3的铰接结构。它是将带平面止口的钢板，先焊上一根圆轴，加工轴径和平面后再与主梁焊接。为了限制铰接横梁水平面的摆动，可控制轴孔配合和保持原连接板的宽度560mm和600mm。为了限制铰接横梁垂直平面的摆动，也可以保留水平止口，但是要使主梁水平止口平面高出横梁水平止口一个值，值就限制了横梁垂直面的摆动角度。铰接结构彻底地解决了3条腿现象。图3主、横梁铰接结构本设计的铰接轴是一根空心轴。孔的一端用钢板焊接封闭，轴端开槽用轴端定位板固定。轴的设计是按最大剪力校核剪切应力，承压面的挤压应力cd应小于各自的许用应力。2. 水平轮设计车轮轮缘与轨道的摩擦是一种无法避免的现象，一旦轮缘与轨道剧烈摩擦发生啃道现象时，便加快了轮缘的磨损和车轮的报废，也使轨道磨损严重。由于轮缘磨损报废的车轮比车轮踏面磨损报废的车轮多，为改变这一现象，用无轮缘车轮代替轮缘车轮，用水平轮导向运行，将轮缘与轨道的滑动摩擦改为水平轮的滚动摩擦，附加阻力系数由=1.5降低到=1.1，从而减小了运行阻力，提高了车轮寿命。图4是大车轮与水平轮的简图。用水平轮导向运行，为适合不同轨面宽度b的要求，水平轮中心距l一定要求可调。作者是用水平轮安装在偏心轴上的方法获得水平轮中心距l的变化。偏心距e用下式计算：式中：bmax=bmax+，为水平轮间最大宽度(mm)；bmin=bmin+，为水平轮间最小宽度(mm)图4大车车轮和水平轮（四）.起重机的计算.1. 钢丝绳的选用因为5t是轻级工作类型,所以动载系数k=1.1,安全系数k =5, e,=20查表得:吊具自重q0=2% q=0.0250000=1000n最大的静拉力为:s=10625n最大是计算拉力为:s=ks=1.110625=11687.5n钢丝绳破断的拉力为:sks=511687.5=58437.5n637的钢丝绳=0.82;619的钢丝绳=0.85如何选择=1400则有;p=71265.244np=68750n 查表得:637的钢丝绳d=13.0mm =87800n619的钢丝绳d=12.5mm =80100n2. 卷筒尺寸计算:卷筒的直径为ee=20111=260mm (其中,交互捻=1)因为卷筒的标准直径为:300mm ,400mm ,500mm ,650mm .700mm ,800mm ,1000mm所以卷筒直径应圆整为卷筒长度的计算:由于 :有 : 其中:取安全圈数 则因而,卷筒长度为:壁厚(选t200)为:校核: 对于其许用压应力为: 此卷筒承受的压力为: 因此,此卷筒设计符合要求.卷筒转速为:3. 电动机的初选:起升静功率为: 查表 . 取空钩影响系数, 则:查表 . 选yzr200l8型电动机, 其 过载能力校核公式为:因此,该电动机的过载能力满足要求.电动机的发热验算:稳态平均功率为:为额定功率查表 , 得知稳态负载平均系数 因此, 该电动机不会产生过热现象静力矩计算:传动比起升静力矩为:下降静力矩为:选择制动器:由表知, 轻级工作类型查表, 选择315型电磁快式制动器其（五）.梁的长度，钢度与材料的确定.1. 梁长度的确定：工业行车的长度不一，绝多数是由工厂的大小来确定工业行车属于轻级工作类型用途广泛，本次设计将其梁的长度定位为22.5其长度的大小由工厂确定2. 梁的刚度选择:采用45c号工字钢,电葫芦重5kn将行车梁简化为下图所示的简支梁,电葫芦的轮压似地为一集中力f,并作用于梁的中点(此时由f引起的扰度最大);梁的自重为一均布荷载集度为q计算有关数据查型钢表得:材料的弹性摸量.计算最大扰度因f和q产生的最大扰度均位于梁的中心点c 查表得:由叠加法,得梁的最大扰度:校核刚度:吊车梁的最大为比较梁的最大扰度知:因此,该车梁满足刚度要求.梁的切应力强度计算：受均布载荷作用简支梁如图所示，梁发生弯曲变形，建立梁的力学模型均如图所示，画出梁的弯矩图如所示梁中心点截面有最大弯矩，故该截面为梁的危险截面。其值为：最大正应力：最大切应力：可见，最大切应力比最大正应力小的多一般可不必计算，梁的弯曲强度满足。3. 横梁材料的选用桥式起重机重要构件是指主梁、端梁、平衡梁、小车架、支腿、下横梁等主要受力构件。 桥式起重机的金属结构一般使用碳素结构钢、优质碳素结构钢和低合金结构钢。本设计采用，低合金结构钢。铸件可采用铸钢、铸铁和铸铜。低合金结构钢按gbl591，工业行车设计时应考虑满足的三个基本条件（1)、金属结构和机械零部件应具有足够的强度、刚度和抗屈曲能力 首先，要求起重机零部件和金属结构受载后不破坏，即满足强度要求。静强度计算是最基本的计算。应力循环少或重要性一般的零件，只作静强度计算。承受循环应力零件或构件，除进行疲劳计算外，还应按高峰载荷进行静强度计算。对于应力状态复杂的钢丝绳等零件，为了简化计算，通常只按主要载荷、主要变形型式，采用较高的安全系数，进行静强度计算。 其次，但是零部件不破坏、强度满足要求，不一定就能保证正常工作，如受载时发生过大变形，也将影响构件的正常工作，因此还必须要求在载荷作用下构件(零部件)所产生的