毕业设计（论文）-桥式起重机设计.doc

内蒙古科技大学本科毕业设计说明书 i 摘 要 桥式起重机主要应用于大型加工企业，如钢铁、冶金和建材等行业，完成生产过 程中的起重和吊装等工作。其中用于生产车间的桥式起重机，是起重机的一个主要类 型，由于起重机行驶在高空，作业范围能扫过整个厂房的建筑面积，具有非常重要的 和不可替代的作用，因而深受用户欢迎，得到了很大发展。 桥式起重机主要由机械部分、金属结构和电气三大部分所组成。机械部分是指起 升、运行、变幅和旋转等机构，还有起升机构，金属结构是构成起重机械的躯体，是 安装各机构和支托它们全部重量的主体部分。电气是起重机械动作的能源，各机构都 是单独驱动的。 构成桥式起重机的主要金属结构部分是桥架，它横架在车间两侧吊车梁的轨道上， 并沿轨道前后运行。除桥架外，还有小车，小车上装有起升机构和运行机构，可以带 着吊起的物品沿桥架上的轨道运行。于是桥架的前后运行和小车沿桥架的运行以及起 升机构的升降动作，三者所构成的立体空间范围是桥式起重机吊运物品的有效空间。 通用桥式起重机一般都具有三个机构:起升机构(起重量稍大的有主副两套起升机构)、 小车运行机构和大车运行机构。另外还包括栏杆、司机室等。 本论文研究的是电动双梁桥式起重机，额定起重量 75/20t。设计的主要内容是小 车运行机构和小车的起升机构的设计计算，大车的起升机构的主要计算。 内蒙古科技大学本科毕业设计说明书 ii 目 录 第一章 背景技术.1 第二章 文献评估.6 第三章 起重机的技术与说明.11 3.1 主起重小车起升机构计算.11 3.2 主起重小车运行机构计算.20 3.3 副起重小车起升机构计算.29 3.4 副起重小车运行机构计算.38 3.5 大车运行机构计算.47 致 谢.56 参考文献.57 内蒙古科技大学本科毕业设计说明书 1 第一章 背景技术 起重机作为冶金行业安全、正常生产必不可少的关键和重要设备，其工作的可靠 性、安全性、先进性一直受到人们的高度重视，但受传统冶金工艺的制约，改革开放 前的三十年国内冶金起重机基本是在原苏联的模式下做一些小型的改进和发展。随着 改革开放的不断深入，大量国外先进技术的引入，现代冶金起重机也发生了较大的变 化。本文结合国内冶金企业冶金工艺的改进及最终用户的使用要求，对冶金起重机的 发展趋势谈一些看法。 例如：冶金起重机作为冶金行业安全、正常生产必不可少的关键和重要设备，其 工作的可靠性、安全性、先进性一直受到人们的高度重视，但受传统冶金工艺的制约， 改革开放前的三十年国内冶金起重机基本是在原苏联的模式下做一些小型的改进和发 展。随着改革开放的不断深入，大量国外先进技术的引入，现代冶金起重机也发生了 较大的变化。本文结合国内冶金企业冶金工艺的改进及最终用户的使用要求，对冶金 起重机的发展趋势谈一些看法。 冶金起重机一般人们主要指服务于冶金企业的铸造起重机、料箱加料起重机、板 坯搬运起重机、钢卷夹钳起重机、磁盘起重机和服务于冶金厂工作级别较高的其它桥 式起重机。由于冶金企业炼钢、铸坯(铸锭)、轧钢工艺的改变，脱锭起重机、均热炉 夹钳起重机、刚性料耙起重机、平炉桥式加料起重机、均热炉揭盖起重机等传统冶金 起重机已逐步趋于淘汰，这里不做进一步的分析。仅就前面几种现在冶金企业大量使 用的起重机其发展趋向做一些初步的分析探讨。 起重量大型化，工作速度高速化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，现就国内主要 冶金起重机生产企业铸造起重机的发展情况做一简单的统计：从上表可以看出，五十 年来主钩起升速度和起重量均有较大幅度的提高。 起升、运行机构均采用调速系统早在 7080 年代，随着交流调速技术的发展和成 熟，国外各著名起重机制造厂纷纷推出各机构调速的承诺。调速范围因采用的调速方 式不同而不同。现设计大量使用的是定子调压和变频调速系统，起升机构以定子调压 为多，运行机构以变频为多。机构采用调速以后具有以下明显优点： a)机构起、制动平稳当机构起、制动时仅以正常速度的 110 或 120 微速起动 或制动时，被吊物体平稳运行，对起吊钢水包的铸造起重机特别有利； b)可有效减少制动器闸块的磨损； 内蒙古科技大学本科毕业设计说明书 2 c)被吊物体能准确定位； d)减少对金属结构(桥架或小车架)和传动系统的冲击，延长使用寿命； e)可有效改善操作工人的工作环境； f)减少起动对电网的冲击。 使用调速系统后也带来如下问题： a)起重机的造价提高； b)对维修电工的技术水平要求较高。虽然采用调速系统后会增加设备成本，加大 维修难度，但随着技术的进步，调速系统的造价也在逐步降低，而其优越性却越加明 显。系统调速以后，其工作情况的改变为其发展奠定了坚实的基础。 监测传感控制技术广泛应用，使用性能和可靠度大大提高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、 信息流综合传送设备。 秤量装置：在铸造起重机上设置数字式秤量装置，小显示屏放在司机室内，大显 示屏设在主端梁下，朝向地面，使盛钢桶内的钢水重量随时显示，该数据联到计算机 房内，一方面可累计每日的产量，另一方面可根据连续板坯的大小、块数来决定盛钢 桶应盛放的钢水量，减少浪费。随着各种大型高精度电子秤的应用，冶金起重机在搬 运物品的同时，还可完成产量的统计、超载断电和报警等功能。 故障显示、记录、打印装置在连续生产的钢铁企业里，时间就是金钱。在起重机 出了故障后，希望维修时间减至最短。故障显示装置可将正发生故障的部、零件名称 在司机室内的显示屏上显示出来，维修人员立即知道故障发生的部位，可大大缩短维 修时间。易出故障的电气和机械的零部件，由业主列出清单，起重机制造厂按业主要 求设置故障显示点，一旦被监测零部件出现故障，就会在屏幕上显示出来，避免更大 故障的发生。该装置除具有显示功能外，还具备记录、打印功能，备查找故障原因， 落实核对责任的需要。 二、三维定位装置吊具在空间的位置可通过本装置在司机室内的显示屏上显示， 定位精度可控制在10mm 以下，可满足各类自动作业线的工艺要求。司机可通过显示 屏上显示的数字直观地确定吊具或物体是否已到达该物体应到达的位置，大大缩短起 吊时间，也避免物体的晃动，可有效提高生产效率。 防碰撞装置过去为防止二台起重机碰撞，仅安装限位开关和缓冲器，现有激光式 或雷达式防碰撞装置。在一台起重机设发射装置，在另一台起重机设接受或反射装置， 达到预先设定的间距时，就发出报警，避免发生相撞。 安全制动器在吊运重要物体，如：核原料、液态金属、大水电站的发电机转子等， 起重机的主起升机构的卷筒上设置安全制动器。在该卷筒一侧法兰的轮缘上根据制动 力矩的需要可设置一对、二对甚至三对瓦块，由专设的液压站进行控制。起动时，安 内蒙古科技大学本科毕业设计说明书 3 全制动器先打开，设在高速轴上的工作制动器后打开。制动时，工作制动器先制动， 安全制动器滞后几秒再制动。安全制动器的作用是保证工作制动器与安全制动器之间 所有传动链环节中任一传动件损坏或断裂时，被吊物件均可安全。把各种监测、传感 技术适当地应用在起重机上，实现对冶金起重机的有线或无线控制，既是现代冶金起 重机发展的方向，同时也应成为个设计工作者应该努力的目标。 控制技术程序化，遥控技术在特殊环境中使用随着计算机软、硬件技术的发展和 日臻完善，实现程序化控制的起重机也已成为可能，且其控制范围变得日益广泛，控 制功能变得日益完善，各种冶金起重机按照人们事先约定的模式执行一定的工作任务 已成为现实。为了更准确、即时的完成各种工作任务，各种冶金起重机通过有线或无 线与主控设备联动。在主控室控制已成为可能，遥控冶金起重机和程控冶金起重机已 在部分冶金企业中使用。遥控冶金起重机一般用在一些高粉尘、高污染的危险作业区， 如武钢一炼钢出渣跨、珠江钢厂、八一钢厂等都有遥控起重机在用。而程控冶金起重 机一般用在一些作业效率较高的场合。为提高起重机的使用寿命，减小冲击、提高操 作的准确性、运行效率和改善司机的操作环境，宝钢三期工程中的 1580、干熄焦提升 机等都有一定范围的使用，程控起重机和遥控起重机将得到一定的发展，并逐步被冶 金企业所采用。 结构型式标准化、生产模式国际化我们之所以把“结构型式标准化，生产模式国 际化”作为现代冶金起重机的主要发展趋势提出，主要出于以下两方面的考虑： a)市场经济对冶金起重机的客观要求由于经济运行体制已由计划转向了市场，这 样为设备采购单位在短时间内利用招投标形式选择质优、价低产品提供了有力和有利 的条件，设备生产厂没有结构型式的标准化和生产模式的国际化就很难达到用户的要 求； b)信息、通信技术的发展为实现产品结构型式标准化、生产模式国际化提供了充 分的物质和技术支持。实现结构型式的标准化还可以把经过实践检验成熟可靠的结构 型式应用于新的产品中，避免结构型式的不合理产生的技术质量问题，从而提高产品 的质量。 吊车型式普通化、吊具型式专用化把“吊车型式普通化、吊具型式专用化”作为 现代冶金起重机的一个发展趋势提出，主要是出于冶金企业铸坯轧制技术的更新，即 由传统的铸锭脱锭钢锭加热初轧热轧，到现在的连铸连轧。配合传统工艺 时，冶金企业需要有：桥式加料起重机、料箱加料起重机、铸造起重机、脱锭起重机、 均热炉钳式起重机、均热炉揭盖起重机、板坯夹钳起重机、刚性料耙起重机、(含磁盘)钢 卷夹钳起重机等多种起重机来完成其工艺过程，而采用连铸连轧工艺时，冶金厂只 要有料箱加料、铸造、板坯夹钳、钢卷夹钳等几种起重机即可完成全部工艺过程中的 物料搬运，使吊车型式得到极大的简化。由于冶金产品品种需求的多样性，各种专用 吊具也应用而生，如配合精整跨的卧卷吊具、立卷吊具、自对中立卷吊具、揭盖吊具、 内蒙古科技大学本科毕业设计说明书 4 l 型钩钢板吊具、c 型钩，与可人控旋转的吊钩配合使用，可实现多种操作功能。 2.典型结构和传动型式的分析和认识 2.1 铸造起重机主起升机构的发展趋势铸造 起重机主传动采用星形减速机应成为现代铸造起重机发展的趋势。现在在用的铸造起 重机大部分是采用棘轮棘爪传动，之所以采用棘轮棘爪的传动有两个原因，一是棘轮 棘爪对保证铸造起重机的安全运行确有其优点。二是星形减速机最初在铸造起重机上 使用时连续出过几次问题，冶金部专门下文对星形传动予以停用。经过几十年的反思， 以及星形减速机在进口铸造起重机上使用验证的良好业绩和控制监测技术的发展。我 们认为星形传动在铸造起重机上的应用将逐步扩大，原因有二，其一星形传动基本具 备原棘轮棘爪传动的优点，还可实现单电机长时间连续安全运行；其二对以前星形传 动造成事故的原因的认识逐步趋于一致，即结构性问题而非原理性问题，只要通过改 进和完善设计就可以避免，加之电气控制监测技术的进步，星形传动的安全运行已经 可以得到有效的保证。 板坯夹钳起重机的夹钳装置重力夹钳、电动开闭的重力夹钳、动力夹钳三种夹钳 装置中，动力夹钳因其成本较高，扩大推广受到一定的影响，但由于其优越的工作性 能，特别是钳口可实现准确的三维跟踪、可靠夹起梯形坯、较高的工作效率和不损失 起升高度，为实现冶金企业的自动化具有无可比拟的优点。因而我们认为动力式板坯 夹钳起重机在现代冶金起重机发展上将占越来越重要的作用。 桥架、小车架整体加工：桥架、小车架包括一些大型结构件整体加工是保证冶金 起重机产品质量的一项重要措施和有效途径。由于冶金起重机工作的特殊性，对质量 提出了较高的要求，小车架整体加工指焊在小车架上的电动机底座，制动器底座，减 速器支承座，卷筒支承座，和小车车轮支承座等机座一次性地划线加工而成，相互间 的形位、尺寸公差由机床保证，因此装配工作变得特别简单。只要把电动机、制动器、 减速器、卷筒、车轮就位即可，不像旧的办法，它们间的形位、尺寸误差靠塞垫片来 调节。简而言之，这些部件间的形位公差由机床精度保证与装配工人的技术等级无关， 排除了人为因素，因而大大提高了装配精度和使用性能，同时也大大缩短了用户的维 修时间。 基础传动与控制随着冶金工业的连续化生产，要求冶金起重机具有可靠性高，调 试及定位性能好，具有故障自诊断，操作平稳舒适等功能，其控制结构为：工业 pc 机 +plc+基础传动。基础传动采用变频调速。运行过程由传统的人为速度控制将逐步过度 到准确的 plc 位置控制，工作信息将自动传给上位机(工业 pc)，最终与整个工厂的管 理和控制系统相联是冶金起重机基础传动与控制发展的主要趋势。 基础传动基础传动将以全数字式可控硅定子调压调速，变频调速为主导。起升机 构将采用调压调速或无逆变失败的可逆变式变频调速(例如西门子 afe)，运行将以变频 调速为主。 内蒙古科技大学本科毕业设计说明书 5 自动控制：plc 将完成所有自动控制的功能，通过现场总线(如 profibus)实现对 各机构调速装置的速度及定位控制，该方式通讯信息量大，连线简单，可靠性高。对 于板坯连铸使用的板坯夹钳连续自动堆垛，连轧后的钢卷连续自动堆垛，plc 将根据设 定，自动完成定时、定位自动夹坯，自动定位堆垛，整个过程将自动完成，重复循环， 系统将具有自诊断功能，以确保运行可靠性。故障时，可切换到司机人工操作，并随 时从任一工艺流程点切入自动过程，这将使效率更高，设备运行更合理。 故障监测与控制；装在司机室的 pc 机或触摸屏人机界面，将能够显示各机构运行 状态故障信息，并可在 pc 机上设置工艺要求指令，下载至 plc。启动自动控制功能， 实现工艺要求的自动控制过程。工业 pc 机还可通过通讯实现与工厂管理网的联网，从 而实现生产管理自动化。 内蒙古科技大学本科毕业设计说明书 6 第二章 文献评估 沈阳工业大学 吴芳在大型塔式起重机非接触式力矩保护技术研究一文中分 析了塔式起重机是工业和民用建筑施工中完成重物吊装工作的主要设备，具有工作效 率高，使用范围广，操作容易，安装拆卸简便等优点。近年来，核电站及建筑业的迅 速发展，为塔式起重机的发展创造了前所未有的发展机会，但同时也提出了挑战，塔 式起重机安全事故随着起重机数量的猛增而频繁发生。减少塔式起重机事故，提高塔 式起重机安全性能和作业效率迫在眉睫。力矩限制器是装备在塔式起重机上的重要超 载保护装置，它为塔式起重机的安全工作提供保障。传统的力矩保护装置是采用一个 机械式的力矩传感器，利用机械变形产生电信号，再将这一信号放大，为操作者提供 显示或保护信号；但这种接触式的力矩保护存在着不可避免的误差，为了提高其可靠 性和精度，减小误差，本文在对国内外现有的力矩限制器进行了深入详尽的对比和分 析基础上，借鉴和传承了它们的成功经验，充分利用现代电子、计算机、传感测控等 方面的技术成果，提出了非接触式的设计思想，进行了新型起重机力矩限制器的研制。 该系统的解决方案具有通用性好、高精度、低成本等优点【1】 。 武汉科技大学机械自动化学院 谢建刚, 李尧在新型双粱铸造起重机的设计 一文中对新型双梁铸造起重机重新进行设计. 使其新设计中有四根钢绳，并且可以利 用现有 50t 起重机的桥架及小车架达到原四梁铸造起重机的功能和安全指标.铸造起重 机的工作任务是非常危险的，因为其起吊的钢水包里的液态金属温度高达 1200c，一 旦钢水包脱落，带来的是灾难性的后果。故铸造起重机的设计规则中对可靠性的要求 非常高。国标 gb11-83起重机设计规范里面对起升机构的制动器安全储备作出了规 定。而炼钢操作规程里面规定了起吊钢水包应采用铸造起重机，这一要求也正与 其相应的工作任务一致。此文优点在于：新设计的双梁铸造起重机与四梁起重机一样 有四根承载钢绳。其中任何一根钢绳突然脱落或断裂均不影响吊钩的平衡，不会导致 钢水包的倾覆。运输钢水一类的液态金属，必须使用有安全冗余设计的铸造起重机， 这样可以避免相关事故发生。本文设计的双梁铸造起重机在中小钢厂因其价格便宜， 改造工作量较小，有一定的推广价值【2】。 上海西重所重型机械成套有限公司 蔡丽娟 孙承波与宝山钢铁股份有限公司 戴 至前 陈平原在所发表的 桥式起重机节能调速技术改造一文中阐述了自己在桥 式起重机节能调速方面的改造方案，即：在国外进口产品技术基础上，借鉴其他行 业的应用经验，采用变频调速控制装置改造桥式起重机的调压调速装置，并尽可能 地保留原有设备配置，实现了低成本高性能的改造目标。为同类设备改造提供了技 术借鉴。这样做的优点：我认为变频调速系统运行可靠、响应速度快、节能环保、 调速稳定、故障率低，是起升机构理想的控制装置，完全达到了改造目标。在afe产 内蒙古科技大学本科毕业设计说明书 7 品基础上自主集成的桥式起重机变频调速系统为国内首创，技术性能与西门子成套 产品相同，但装置成本明显降低，调试和现场服务的费用更低，能为系统的正常运 行和维护提供技术支持。改造后的变频调速系统节能效果明显，1台160 kw电机主钩， 以1年330 d、每天工作16 h计算，能节电40万kwh，节省电费超过25万元【3】。 杨丹对轨道集装箱龙门起重机运动数值仿真及动力学分析一文中龙门起重 机主梁结构是起重机工作时最重要的承载部件，其力学性能对整机的正常运转有直接 影响。目前在龙门起重机结构的设计和故障诊断中有以下两方面的问题有待解决：1) 过去，在设计和验算中仅是对起重机金属结构在工作状态下的起始、中间等几个在经 验上看来是危险的位置进行结构分析，而对起重机在从小车起吊载荷到终止整个工作 过程中的应力等力学参量均不知晓，主要是由于实际工作中这项工作太繁琐而无法实 现。本文的第一个解决的问题便是对龙门起重机结构在工作状态下的整个运动过程进 行运动数值仿真；2)起升机构起制动时对龙门起重机结构产生强烈的冲击动载荷，其 对整个龙门起重机结构的动态响应未知。针对以上两个问题，本论文以龙门起重机结 构为研究对象，以有限元法和机械动力学为理论基础和分析手段，运用参数化技术和 有限元分析软件 ansys 对小车吊载运行过程中的龙门起重机结构进行了运动数值仿真， 研究了龙门起重机结构的动态特性和龙门起重机结构在起吊时的动力学响应，并采用 visualbasic 开发了相应的数值运动和动力仿真软件。主要研究工作如下： 1)用 ansys 的内部命令和 apdl 语言以及参数化技术建立了龙门起重机结构的有限元参数化模型。它使得有限元 分析过程中对模型的修改以及再次计算很方便、快捷，而且不容易出错。 2)用建立好的有限元参数化模型和 ansys 的内部命令以及 apdl 语言编写了小车 吊载运动过程中起重机运动数值仿真的命令流文件，具体实现 了仿真，获得了仿真动画，经分析得出了有参考价值的结论。 3)研究了龙门起重机结构的动态特性。结合有限元参数化模型编写了模态分析的 命令流文件。提取了前 10 阶固有频率、主振型及其振型图，并对结果进行了分析。 4)对龙门起重机结构在货物突然起吊受到动载荷的情况进行了瞬 态分析。结合有限元参数化模型编写了瞬态分析的命令流文件。该瞬态分析主要是以 小车满载跨中为基点进行分析的，获得了龙门起重机突然起吊的瞬态动力响应，包括 龙门起重机结构主梁垂直位移、垂直速度、垂直加速度与时间的响应曲线，并对结果 进行了分析。 5)有效地运用 visualbasic 软件对龙门起重机结构的运动数值仿真和动力学分析 进行了封装。独立开发了龙门起重机运动和动力数值仿真软件【4】。 单海云对起重机结构安全性评价系统及基于有限元法的可靠性研究一文该论 文以港口起重机为研究对象,考虑影响起重机结构的各种因素,确定金属结构的技术状 态,对其安全使用期限进行预测,并采用 vi sual c+6.0 开发了一套主要针对装卸桥和 内蒙古科技大学本科毕业设计说明书 8 门座起重机的安全性综合评价系统.此外,运用有限元分析软件 ansys 对一台龙门起重 机进行可靠性分析.全文的总体结构如下：全文共分为 7 章,在第一章绪论中综合叙述 了国内外对起重机结构安全性评价的研究和现状、未来的发展趋势和方向、机械可靠 性的发展和应用以及该文的研究目的和意义,简单介绍了该文所做的工作.第二章主要 阐述了起重机结构安全性评价的理论基础.在该章的第二节中,对起重机金属结构的裂 纹形式和分类进行比较详细的描述,同时应用断裂力学的知识,推导出裂纹扩展速度公 式,控制裂纹的进一步扩展.该章的第三节论述了起重机金属结构的重要技术性能指标, 详细讨论了指标状态指数和权重,并提出了基于模糊数学的随机模糊法来进一步细化结 构的状态指数和权重.根据结构的裂化指数评价结构的状态,并对结构的安全使用期限 进行预测.第三章是开发起重机结构安全性评价系统软件的技术基础.简单介绍了面向 对象的可视化技术和程序设计语言、windows 程序的消息和程序流程.在第二章和第三 章的理论支撑基础上,第四章就是起重机结构安全性评价系统软件的实际应用实例,并 对计算结果进行分析,确定起重机金属结构的使用状态.第五章对有限元的基本思想和 有限元分析软件 ansys 进行了简单的介绍,同时也重点介绍了三种可靠性分析的方法: 蒙特卡罗法、响应面法、基于敏感性的分析方法.第六章是有限元法在可靠性分析中的 应用实例,以一台龙门起重机为例,详细描述了在有限元中进行可靠性分析的三个重要 步骤:模型文件的生成、可靠性分析阶段、后处理和结果的提取,因此该文将理论与实 践密切结合起来了.该文的最后一章对全文进行了总结,提出了几点在将来应当继续研 究的问题【5】。 毛文刚对起重机疲劳寿命估算与疲劳可靠性安全检测一文起重机由于能快速 方便地对货物进行搬运、转移，在国民经济建设中发挥了越来越大的作用，但在工作 过程中其结构要承受反复交变载荷作用，很容易产生疲劳破坏，据统计金属结构的破 坏有5090属于疲劳破坏，因此需要对其结构进行疲劳寿命估算，并根据起重机的 服役状况进行相应的安全检测，从而保证其能安全有效地运行。本文通过对各种不同 起重机实际工作情况下结构的受力特征进行计算分析，并参考相关的检测规范以及同 类型起重机结构发生破坏的历史记录情况，选取起重机结构的应力测试点；然后在起 重机正常工作情况下测试这些点在不同工况下的应力值，并选取应力相应比较大的点 作为疲劳寿命估算点，测量其应力时间历程；采用雨流计数法对动态采样得到的应 力时间历程进行循环计数统计，编制出结构的测试疲劳载荷谱。由于结构的现场动 态采样时间远比其整个疲劳寿命短，本文应用疲劳载荷谱理论将测试疲劳载荷谱外推， 得出结构整个服役期间的全寿命疲劳载荷谱；在依据起重机设计规范推导起重机结构 构件的sn曲线时，本文考虑到小于疲劳极限的应力幅值在结构的疲劳载荷谱中占了 很大部分，对结构的累积损伤同样具有很大的影响，因此本文将结构构件的sn曲线 分成两个阶段来表达；最后结合miner累积损伤法则，计算结构的疲劳损伤值，并根据 起重机的实际工作情况，估算出其剩余疲劳寿命。同时按照上述原理，编制了一套起 内蒙古科技大学本科毕业设计说明书 9 重机结果疲劳寿命估算程序，为起重机使用和检测部门提供了一种准确、实用的估算 起重机疲劳寿命的新手段，为相关部门对起重机的安全检测和合理应用提供了一个很 好的参考依据。目前国内起重机都是通过定期对其重要部位进行检测后，来判断结构 的安全状况，这种检测方式具有很大的盲目性。本文将基于疲劳可靠性的安全检测方 式应用到起重机结构的安全检测中，并根据实际工作状况下测量的应力时间历程进 行统计分析，确定出结构的疲劳可靠度指标曲线，与保证起重机可以安全运行的结构 最低目标可靠度指标进行比较，来判断结构的安全状况以及下次需要再次进行检测的 时间间隔。这种基于疲劳可靠性的起重机结构安全检测方式在起重机刚投入使用初期， 要求的检测次数较少，这样就节约了检测成本；但到了起重机结构服役的后期，由于 累积疲劳损伤的影响，结构的疲劳可靠度指标曲线下降明显，这样根据基于疲劳可靠 性的方式进行检测可以保证在检测期间起重机结构的安全度水平始终可以满足安全需 要。考虑到matlab在数值计算、图形数据转换等方面的优点，本文所有的工作都以它 为计算平台，同时相关部门可以根据具体的起重机形式，不同的工作环境状况对上述 应用程序进行改进，以满足特殊的需要【6】。 林伟华对基于 cosmos/works 的龙门起重机金属结构的整体静态性能分析及结构 细节设计的研究一文针对目前国内外龙门起重机的大型起重设备金属结构设计的现 状、发展动态和发展方向及其在现代工业中的重要作用，进行了龙门起重机金属结构 整体和局部细节的课题研究。目前国内起重机等大型设备金属结构的设计方法多采用 以经典力学和数学为基础的半理论，半经验设计法和模拟法、直觉法等传统设计方法， 使设计的精度比较低，而且对于结构一些细节部分的设计并没有做深入的研究。本文 运用有限元工程分析理论，对龙门起重机金属结构整体静态力学特性以及结构局部细 节处的应力状态分布进行分析，希望达到指导设计、优化设计方案和提高起重机技术 性能的目的。根据上海振华港机公司的设计需要，对其设计的 600t 造船龙门起重机展 开研究，就有限元方法用于起重机的相关理论和实现原理进行了阐述，在现有的结构 分析基础上，对龙门起重机金属结构进行了建模，单元划分、约束处理，载荷处理以 及计算分析等方面的工作。研究主要分龙门起重机整体结构的静态特性分析和结构细 节的应力状态分析两个部分，分析过程使用了新兴的 cad/cae 集成软件 cosmos/works，对其在结构分析中的实用性做了研究，得到了结构的主要力学特性和 结构开孔以及相贯钢管节点的应力集中情况，对设计的产品进行了较为科学的评价并 总结了设计中应予以重视的问题。本文旨在对我国起重机的计算机工程分析应用手段 及设计的细节做进一步的分析研究，希望本文中用于分析的一些手段与方法以及一些 分析结论对我国起重机行业的相关研究有借鉴作用【7】。 邪小健在对港口起重机钢结构抗脆断设计的研究一文港口起重机的钢结构是 起重机的重要组成部分,是整台起重机的骨架.起重机设计规范(gb3811-83)对钢结 构提出了抗屈服、抗失稳和抗疲劳失效的安全性核算要求,但不能保证抗脆性破坏的安 内蒙古科技大学本科毕业设计说明书 10 全性;在 f.e.m 标准欧洲起重机械设计规范(1998 年修订版)中对钢结构抗脆性破坏 提出了钢材质量选择办法。本文针对现行起重机钢结构设计,从防止结构脆断的角度就 如何合理选用钢材等级做探讨【8】。 内蒙古科技大学本科毕业设计说明书 11 第三章 起重机的技术与说明 设计内容 计 算 与 说 明结 果 1 1）确定起升）确定起升 机构传动方案，机构传动方案， 选择滑轮组和选择滑轮组和 吊钩组吊钩组 2 2）选择钢丝）选择钢丝 绳绳 3.1 主起重小车起升机构计算 按照布置宜紧凑的原则，决定采用如下图 1-1 的方案。 按 q=75t，查1表 4-1 取滑轮组倍率 ih=5，承载绳分 支数： z=2ih=10 升 a升 升 升 升 升 升 升 升 升 查3附表 3-4-11 选图号为 g75吊钩组，得其质量： g0=1050kg,两端滑轮间距 a=120mm 若滑轮组采用滚动轴承，当 ih=5，查1表 2-1 得滑 轮组效率:h=0.97 钢丝绳所受最大拉力： ih=5 z=10 选 g75吊钩组， 内蒙古科技大学本科毕业设计说明书 12 设计内容 计 算 与 说 明结 果 3 3）确定滑）确定滑 轮主要尺寸轮主要尺寸 4 4）确定卷）确定卷 筒尺寸，并验筒尺寸，并验 算强度算强度 smax=7840kg=78.40kn h i gq 2 0 97 . 0 52 105075000 查1表 2-4 和 3表 1-2-7、 1-2-9,中级工作类型 (工作级别 m6)时,安全系数 n=5.5。 钢丝绳计算破断拉力 sb： sb=nsmax=5.578.40=431.2kn 查4表 8-1-10 选用纤维芯钢丝绳 619w+fc，钢丝 公称抗拉强度 1870mpa，光面钢丝，左右互捻，直径 d=28mm，钢丝绳最小破断拉力sb=483kn，标记如下： 钢丝绳 28nat619w+fc1670zs483gb8918-88 滑轮的许用最小直径： dd(e-1) =28(22.4-1) =599.2mm 式中系数 e=22.4 由3表 3-2-1 查得。由2附表 2 选用 滑轮直径 d=800mm，取平衡滑轮直径 dp=0.6800=480 mm，由2附表 2 选用 dp=500mm。滑轮的绳槽部分尺寸 可由2附表 3 查得。由2附表 4 选用钢丝绳 d=28mm，d=800mm，滑轮轴直径 d5=140mm 的 e1型滑轮， 其标记为： 滑轮 e128800-140 zb j80 006.8-87 由2附表 5 平衡滑轮选用 d=20mm，d=500mm，滑轮轴直 径 d5=140mm 的 f 型滑轮，其标记为： 滑轮 f20500-140 zb j80 006.8-87 卷筒直径： dd(e-1) =28(20-1) =732mm 式中系数 e=20 由3表 3-2-2 查得。由2附表 13 选用 d=800mm，卷筒绳槽尺寸由3附表 3-3-3 查得槽距， t=33mm，槽底半径 r=16mm 卷筒尺寸： d=28mm d=800mm dp=500mm d=800mm l=2000mm 内蒙古科技大学本科毕业设计说明书 13 设计内容 计 算 与 说 明结 果 l= 10 0 42ltz d ih h 1203342 65814 . 3 51018 2 3 =1990mm 取 l=2000mm 式中 z0附加安全系数，取 z0=2； l1卷槽不切槽部分长度，取其等于吊钩组动滑 轮的间距，即 l1=a=120mm，实际长度在绳 偏斜角允许范围内可以适当增减； d0卷筒计算直径 d0=d+d=650+28=658mm 卷筒壁厚： =0.02d+（610）=0.02650+（610） =19.623.6 取 =23mm 卷筒壁压应力验算： =n/m2=103.29mpa maxy t snax 0033 . 0 023 . 0 78400 6 1029.103 选用灰铸铁 ht200，最小抗拉强度=195mpa b 许用压应力：y=130mpa 1 n b 5 . 1 195 y 故抗压强度足够 maxy 卷筒拉应力验算：由于卷筒长度 l3d，尚应校验由 弯矩产生的拉应力，卷筒弯矩图示与图 1-2 =23 y maxy 内蒙古科技大学本科毕业设计说明书 14 设计内容 计 算 与 说 明结 果 5 5）选电动机）选电动机 l1lx 2sm ax sm axsm ax l 图 1-2 卷筒弯矩图 卷筒最大弯矩发生在钢丝绳位于卷筒中间时： = w mlsmax 2 1 max ll s 2 1202000 78400 =144256000nmm 卷筒断面系数： w=0.1=0.1 d dd i 4 4 650 584650 44 =103026037.2 mm3 3 mm 式中卷筒外径，=650mm；dd 卷筒内径， =650-223=584mm i d i d 于是 =1.40mpa l w mw 2 . 103026037 144256000 合成应力： =+=1.40 +=32.95mpa l l maxy y l 29.103 130 39 式中许用拉应力 =39mpa l 2 n b 5 195 l l l l 强度验算通过 内蒙古科技大学本科毕业设计说明书 15 设计内容 计 算 与 说 明结 果 6 6）验算电动）验算电动 机发热条件机发热条件 7 7）选择减速）选择减速 器器 卷筒强度验算通过。故选定卷筒直径=650mm，长度d l=2000mm；卷筒槽形的槽底半径 =16mm，槽距 =33mm；rt 起升高度=18m，倍率=5； h h i 卷筒 a6502000-1633-185 左 zb j80 007.2-87 计算静功率： =90.64kw j n 60102 0 vgq 2 . 6 85 . 0 60102 105075000 式中机构总效率，一般=0.80.9，取=0.85 电动机计算功率： =0.8 90.64=72.51kw e n jdn k 式中系数由1表 6-1 查得，对于级机构， d k 1 m e m =0.750.85，取=0.8 d k d k 查3表 5-1-13 选用电动机 yzr315m-10，其 （40%）=75kw，=579rpm， e n 1 n 2 gd =8.68kg，电动机质量=1156kg d 2 m d g 按照等效功率法，求=40%时所需的等效功率：jc =0.50.8590.64=39.43kw x n40k j n 式中工作级别系数，查1表 6-4，对于 m5m640k 级， =0.5；40k 系数，根据机构平均起动时间与平均工作时间 的比重（/）查得。由1表 6-5，一般起 q t g t 升机构/=0.10.2，取/=0.1，由2 q t g t q t g t 图 6-6 查得=0.87。 由以上计算结果，故初选电动机能满足发热条件 x n e n =72.51kw e n 选电动机 yzr315m-10 =39.43kw x n x n e n 电动机发热验 算通过 选减速器 选 zq-500- q1-421.2h 内蒙古科技大学本科毕业设计说明书 16 设计内容 计 算 与 说 明结 果 8 8）验算起）验算起 升速度和实际升速度和实际 所需功率所需功率 9 9）校核减）校核减 速器输出轴强速器输出轴强 度度 卷筒转速： =15r/min j n 0 d vih 658 . 0 14 . 3 52 . 6 减速器总传动比：、 =38.6 0 i j n n1 15 579 查2附表 35 选 zq-500-q1-421.2h 减速器，当工作 类型为中级（相当工作级别为 m6级）时，许用功率n =9.7kw，=40.17，质量=345，主轴直径0 i g g =50mm，轴端长=85mm（锥形） 1 d 1 l 实际起升速度： =6.2=5.9m/min v 0 0 i i v 17.40 6 . 38 误差： =100%=100%=5.3%=15% v vv 6 . 5 6 . 59 . 5 实际所需等效功率： =39.43=37.5kw=75kwxn v v nx 2 . 6 9 . 5 e n %40 由1公式（6-16）得输出轴最大径向力： = max r j gas max 2 1 r 式中=278400=156800n=156.80kn卷筒上卷绕 max as 钢丝所引起的载荷； =10kn卷筒及轴自重，参考2附表 14 估计 j g r=102.5knzq650 减速器输出轴端最大允许径向 载荷，由1附表 40 查得。 =83.4kn=102.5kn max r10 8 . 156 2 1 r =5.9m/min v xn e n %40 max rr max mm 减速器输出轴 强度足够 内蒙古科技大学本科毕业设计说明书 17 设计内容 计 算 与 说 明结 果 1010）选择制动）选择制动 器器 1111）选择联）选择联 轴器轴器 1212）验算起动）验算起动 时间时间 由1公式（6-17）得输出轴最大扭矩： =（0.70.8） max m mime 0 0 max 式中=9550=1237nm电动机轴 e m 1 %)40( 9550 n ne 579 75 额定力矩； =2.8当=40%时电动机最大力矩倍数 max jc 减速器传动效率；95 . 0 0 nm减速器输出轴最大容许转矩，由 132500m 1附表 36 查得。 =0.82.8123740.170.95=105740nm max mm =132500nm 由以上计算，所选减速器能满足要求 所需静制动力矩： = z m z kjm z k 0 00 2 ii dgq h =1.75 85 . 0 17.4052 658 . 0 105075000 =185.30m=1853.0nm 式中=1.75制动安全系数，由2第六章查得。 z k 由2附表 15 选用 ywz5-500/121 制动器，其制动转矩 =14002250nm，制动轮直径=500mm，制动器质量 ez m z d =135.8 z g 高速联轴器计算转矩，由1（6-26）式： nm 9 . 333912378 . 15 . 1 8 ec mnm 式中电动机额定转矩（前节求出） ；218 e m =1.5联轴器安全系数；n 选用 ywz5-500/121 制动器 半齿联轴器； clz ,图号5 s514 c m m t 带制mm315 动轮半齿联轴 内蒙古科技大学本科毕业设计说明书 18 设计内容 计 算 与 说 明结 果 1313）验算制动）验算制动 时间时间 =1.8刚性动载系数，一般=1.52.0。 8 8 由1附表 31 查得 yzr-250m2 电动机轴端为圆锥形 ，。从1附表 34 查得 zq-500 减速mmd65mml105 器的高速轴为圆锥形。mmlmmd85,65 靠电动机轴端联轴器 由1附表 43 选用 clz5半联轴器， 其图号为 s514，最大容许转矩=8000nm值，m tc m 飞轮力矩kgm ，质量=47.68kg54 . 1 2 l gd 2 l g 浮动轴的两端为圆柱形mmlmmd115,65 靠减速器轴端联轴器 由1附表 45 选用带制mm300 动轮的半齿联轴器,其图号为 s124,最大容许转矩m t =3150nm, 飞轮力矩 kgm ,质量 38.58 . 1 2 l gd 2 kg.为与制动器 ywz5-400/80 相适应,将 s124 联轴器所需 制动轮,修改为应用mm300mm315 起动时间： 2 0 2 0 1 21 2 . 38i dgq gdc mm n t j q q 式中=1.465+0.403+1.8 22 1 2 gdgdgd d z =3.688kgm 2 静阻力矩： kgm i dgq m j 2 00 56.146 85 . 0 17.4052 658 . 0 105075000 = 1465.6nm 平均起动转矩： nm 5 . 185512375 . 15 . 1 eq mm 器,图号 s124 c mm t stq220 . 0 =0.37s z t 内蒙古科技大学本科毕业设计说明书 19 设计内容 计 算 与 说 明结 果 85 . 0 17.405 658 . 0 105075000 668 . 3 15 . 1 6 . 1465 5 . 1855 2 . 38 579 2 2 q t =0.220s 通常起升机构起动时间,此时1.6，工作级别为 m6 时， 车轮直径 dc=350mm，轨道型号为 18 kg/m(p18)，许用 轮压为 3.496=pmax=3.5t。gb462884 规定，直径系为 =250,315,400,500,630mm，故初步选定车轮直径 c d =400mm，而后校核强度。 c d 强度验算： 按车轮与轨道为线接触及点接触两种情况验算车轮接触强 车轮直径： =400mm c d 材料： zg340-640 轨道：p18 okn 疲劳计算通过 内蒙古科技大学本科毕业设计说明书 21 设计内容 计 算 与 说 明结 果 3）运行阻力）运行阻力 的计算的计算 度 车轮踏面疲劳计算载荷： pc=（2pmax+pmin）/3=（2247500+60000）/3 =36500n 车轮材料为 zg340-640，s=340mpa，b=640mpa 线接触局部挤压强度： pc=k1dclc1c2=6.040028.21.200.9=62130n 式中 k1许用线接触应力常数（n/mm2） ，由2表 5-2 查得 k1=6.0 l车轮与轨道有效接触强度，对于 p24， l=b=28.2mm c1转速系数，由2表 5-3，车轮转速 nc=v/dc=35.2/（3.14*0.4）=28.02r/min 时，c1=1.02 c2工作级别，由2表 5-4，当为 m6时， c2=0.9 pc pc，故通过。 点接触局部挤压强度： pc=k2r2c1c2/m3=0.13220021.020.9/0.473 =41199.2n 式中，k2许用点接触应力常数（n/mm2） ，由2表 5- 2 查得 k2=0.181 r曲率半径，车轮与轨道曲率半径中的大值。 车轮 r1=d/2=400/2=200mm，轨道 r2=90mm，故取 r=200mm m由 r1/r2比值所确定的系数，r1/r2= 90/200=0.45，由3表 5-5 查得 m=0.49 pc pc，故通过。 根据以上计算结果，选定直径 dc =400 的单轮缘车轮，