毕业设计（论文）-3T立柱式旋臂起重机设计（含全套CAD图纸） .doc

全日制普通本科生毕业设计3t立柱式旋臂起重机设计the design of 3-ton column rotary beam crane由于部分原因，说明书已删除大部分，完整版说明书，cad图纸等，联系153893706学生姓名： 学 号：年级专业及班级：2008级机械设计制造及其自指导老师及职称：学 部：理工学部提交日期：2012年05月全日制普通本科生毕业设计诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。同时，本论文的著作权由本人与湖南农业大学东方科技学院、指导教师共同拥有。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业设计作者签名： 2012年 月 日目 录摘要1关键字11 前言 2 1.1 设计的背景及意义21.2 起重机的分类 21.3 旋臂起重机介绍 32 起升机构的设计3 2.1 确定起升机构的方案 3 2.2 选择电动葫芦 5 2.3 选择钢丝绳5 2.4 确定滑轮的主要尺寸62.5 确定卷筒尺寸并验算其强度 72.6 卷筒心轴计算8 2.6.1 支座反力9 2.6.2 疲劳计算 9 2.6.3 静强度计算10 2.7 选择轴承 10 2.8 绳端固定装置计算123 变幅机构的设计 13 3.1 选电动机 13 3.2 验算电动机发热条件 14 3.3 选择减速器 14 3.4 验算起升速度和实际所需功率 14 3.5 校核减速器输出轴强度 15 3.6 选择制动器 16 3.7 验算启动时间 16 3.8 验算制动时间16 3.9 变幅机构设计174 回转机构设计17 4.1 回转支承装置 18 4.2 回转驱动装置 19 4.3 回转机构驱动装置计算 19 4.3.1 电动机选择 20 4.3.2 极限力矩联轴器 21 4.3.3 制动器的选择 22 4.3.4 减速器的选择 23 4.4 螺栓组的设计244.5 强度的校核 255 起重机金属结构 26 5.1 立柱计算 28 5.2 起重机旋臂梁的设计计算29 5.2.1 计算条件 29 5.2.2 受力计算30结论 31参考文献 32致谢33附录 333t立柱式旋臂起重机设计摘 要：本文主要对3吨立柱式旋臂起重机进行设计，分析了该起重机所要求实现的功能和相应的结构，了解了起重机的工作原理，基本结构，系统组成及功能。本研究主要是对该起重机的旋臂梁的设计及旋转功能部分的机构设计及参数的选择。起重机是一种循环、间歇运动的机械，包括了起升、回转、变幅、及金属结构的设计，所以该设计主要是针对回转机构选择相应的零部件及其技术参数，使其既能很好地实现起重机的运行而且互不干涉且配合良好。设计主要包括起重机的起升机构、回转机构，变幅机构及金属结构的选择。在本设计中，起重机的总体、部件图，都有详细的说明。关键词：起重机；回转机构；变幅机构the design of 3-ton column rotary beam craneabstract: this article put its emphasis on designing 3-ton column rotary beam crane, analyzing the functional and relative structure that the crane required, thus acquiring a knowledge of the principle, basic structure, composition and function of the system. it mainly researched the design of the rotary arm and the design of the mechanism of the rotary part and the selection of the parameter. crane is a sort of cycle, intermission motion of machine, including the design of lifting, revolving, variable rate, and metal structure, as a result it is in the view of choosing the appropriate spare parts and technical parameters for slewing mechanism in order to be good for crane operation and non-interference. there are hoisting mechanism of crane, slewing mechanism, the luffing mechanism and metal structure selection in this article. the overall crane and the drawing of the assembly unit, are also described in the article in detail. keywords: crane; slewing mechanism ; luffing mechanism1 前言 1.1 设计的背景及意义起重机是一种循环、间歇运动的机械，主要用于物品的装卸。一个工作循环一般包括：取物装置从取物地点由起升机构把物品提起，运行、旋转或变幅机构把物品移位，然后物品在指定地点下降；接着进行反向运动，使取物装置回到原位，以便进行下一次的工作循环。在两个工作循环之间，一般有短暂的停歇。由此可见，起重机械工作时，各机构经常是处于起动、制动以及正向、反向等相互交替的运动状态中的。起重机是各种工程建设广泛应用的重要起重设备，它对减轻劳动强度，节省人力，降低建设成本，提高劳动生产率，加快建设速度，实现工程施工机械化起着十分重要的作用。1.2 起重机的分类起重机根据结构的不同分类15 18。1）梁式型起重机。可在长方形场地及其上空作业，多用于车间、仓库、露天堆场等处的物品装卸，有梁式起重机、桥式起重机、龙门起重机、缆索起重机、运载桥等。梁式起重机：梁式起重机主要包括单梁桥式起重机和双梁桥式起重机。桥式起重机：桥式起重机是桥架在高架轨道上运行的一种桥架型起重机，又称天车。桥式起重机可分为普通桥式起重机、简易梁桥式起重机和冶金专用桥式起重机三种。 2）悬臂起重机（旋臂起重机）。悬臂起重机有立柱式、壁挂式、平衡起重机三种形式。 立柱式悬臂起重机是悬臂可绕固定于基座上的定柱回转，或者是悬臂与转柱刚接，在基座支承内一起相对于垂直中心线转动的由立柱和悬臂组成的悬臂起重机。它适用于起重量不大，作业服务范围为圆形或扇形的场合。一般用于机床等的工件装卡和搬运。壁挂起重机是固定在墙壁上的悬臂起重机，或者可沿墙上或其他支承结构上的高架轨道运行的悬臂起重机。壁行起重机的使用场合为跨度较大、建筑高度较大的车间或仓库，靠近墙壁附近处吊运作业较频繁时最适合。平衡起重机俗称平衡吊，它是运用四连杆机构原理使载荷与平衡配重构成一平衡系统，可以采用多种吊具灵活而轻松地在三维空间吊运载荷。平衡起重机轻巧灵活，是一种理想的吊运小件物品的起重设备，被广泛用于工厂车间的机床上下料，工序间、自动线、生产线的工件、砂箱吊运、零部件装配，以及车站、码头、仓库等各种场合平衡吊。3）门式起重机。门式起重机一般根据门架结构形式、主梁形式、吊具形式来进行分类。按门框结构形式分：全门式起重机：主梁无悬伸，小车在主跨度内进行。半门式起重机：支腿有高低差，可根据使用场地的土建要求而定。双悬臂门式起重机：最常见的一种结构形式，其结构的受力和场地面积的有效利用都是合理的。单悬臂门式起重机：这种结构形式往往是因场地的限制而被选用。按主梁结构形式分：单主梁门式起重机：单主梁悬臂门式起重机结构简单，制造安装方便，自身质量小，主梁多为偏轨箱形架结构。与双主梁门式起重机相比，整体刚度要弱一些。因此，当起重量q50t、跨度s35m时,可采用这种形式. 双梁桥式起重机：双梁桥式起重机承载能力强，跨度大、整体稳定性好，品种多，但自身质量与相同起重量的单主梁门式起重机相比要大些，造价也较高。根据主梁结构不同，又可分为箱形梁和桁架两种形式。目前一般多采用箱形结构。1.3 旋臂起重机介绍cantilever jib crane 旋臂起重机。一种可以移动的铲车起重机，用于将笨重货物装入敞顶集装箱。悬臂为安在铲车上的，通常带有吊钩的很长的起重臂。 按构造分，有立柱式悬臂起重机和壁式悬臂起重机。 旋臂起重机是参照西德引进设备研制的新产品根据用户需要设计的专用起重设备。具有结构新颖、合理、简单、操作使用方便、回转灵活、作业空间大等优点，是节能高效的物料吊运装备。可广泛利用于厂矿、车间的生产线、装配线和机床的上下工件及仓库、码头等场合的重物吊运。本机由立柱、回转旋臂及电动葫芦等组成。立柱下端固定于混泥土基础上，旋臂回转，可根据用户需求进行回转。回转部分分为手动和电动回转（摆线针轮减速剂安装与上托板或者下托板上带动转管旋臂回转）。电动葫芦安装在旋臂轨道上，用于起吊重物10。2 起升机构设计2.1 确定起升机构的传动方案根据设计要求参数，起重量q=3t，属于小起重量旋臂起重机，鉴于目前我国的生产经验及生产出现的机型，决定采用开式传动。根据设计所给的参数我们可以有如下方案，如图a所示。显然，a方案结构表1 起重机主要技术参数tab1 crane main technical parameters起重量q 起升高度h 跨度l 起升速度v 3t 12m 7.5m 8m/min 图1 第一种传动方案map1 the first transmission图2 第二种传动方案map2 the first transmission简单，安装及维修都比较方便，但是由于轴两端的变形较大使得两齿轮沿齿宽方向受力不均匀，易产生磨损。针对这一缺点，b方案都对起进行了完善，使两齿轮的受力均匀，而且从结构上看，该方案不但可以使两齿轮受力均匀，而且结构紧凑简单，又考虑我国现有的生产经验故采用b方案。2.2 选择电动葫芦电动葫芦的选择：由额定起重量为3吨，起升高度为7.5米，我通过查阅金牛起重表4选择电动葫芦的型号为md1，其技术性能和为下表所示：表2 md1电动葫芦技术参数table 2 electric hoist technical parameters md1技术性能 单位 参数 起重量 吨 3起升高度 米 12运行速度 米/分 8钢丝直径 毫米 0.22 钢丝绳直径 gb1102-75 d-637-13-170-i-右钢丝绳结构形式 d-637-13-170-i-右工字梁轨道型号（gb706-65 i 20a-32c环形轨道最小半径 米 1.2起升电动机型号 z21-6容量 千瓦 4.5转速 转/分 1380相数 3电压 伏 380电流 安培 2.4频率 hz 50运行电动机型号 zd11-4容量 千瓦 0.4转速 转/分 1380相数 3电压 伏 380电流 安培 0.72频率 hz 50工作类型及机构级别 中级m52.3 选择钢丝绳此处已删除算得： f=m/12=3629.6n。 （57）对于一般的联接，工作载荷稳定时(剩余预紧力)=(0.2-0.6)f,取=0.2f，因此总拉力： =f+=1.2f=4355.52n， （58）进行强度计算: =1.34/dp。 （59）查机械设计第四篇第十五章表15-2选螺栓、螺钉、螺钉的性能等级为12.9，其屈服点s=1080mpa6 7。查表15-4得其许用应力： p=s/s，s=8.5，p=127mpa由上述可算得d7.5mm，因此选择d=12选择m12的螺栓。4.5 强度的校核4.5.1.旋臂强度校核旋臂所受弯矩m产生的应力: 选用旋臂根部为危险截面，截面承受剪组合应力，最大弯矩由均布载荷和集中载荷共同作用产生：mq=g1*(l1-e/2)=29667500n.mm mq=g2*（l1-e/2）/2=8695986.296 n.mmmmax=mq+mq=38363486.3n.mmw=mmax/w=51.724mpa (60)旋臂截面所受反力r产生的应力：r=g1+g2=7931.149 n=r/a=1.246 mpa (61)以上两对旋臂产生的合应力：=w2+3*2-0.5=51.769mpa 强度满足旋臂的挠度f1:旋臂的挠度由均布载荷和集中载荷共同作用产生fq=g1*(l1-e/2)3/(3*e*i)= 12.1015703mmfq=g2*（l1-e/2）3/(8*e*i)= 2.66036292mm (62)图5 旋臂的挠度figure 5 arm deflections旋臂总挠度：f1=fq+fq=14.7619332mm h型钢翼缘强度校核说明：旋臂主要受移动葫芦和起吊载荷力，所以最大载荷f=g3+g1=5500n按照钢结构设计规范gb50017的规定，当梁的翼缘受有沿腹板平面作用的集中荷载、且该荷载处又未设置支承加劲肋时，腹板计算高度边缘处的局部压应力验算公式为: = *f/(tw*lz) (63)其中：-集中荷载增大系数，对重级工作制吊车梁取：1.35其他梁取1.00f-集中荷载，对动力载荷应考虑动力系数，现取: f=5500ntw-腹板厚度 (由型材截面中测量） tw=7mm(如图所示)lz-翼缘计算长度，对下翼缘受集中而言为，lz = a+2.5hy;按照gb50017规定，a=50mm,hy为翼缘厚度和圆弧部分高度(如图所示,由型材截面中测量)现取:hy=27mm所以lz=a+2.5hy=117.5mm=*f/(tw*lz)=9.027mpa 强度满足4.5.2 销轴强度校核(材料选用45#钢）所有外力对回转中心轴的力矩总和如下:mq=g1*l1=30000000n.mmmq=g2*l1/2=8793447n.mm则销轴承受的剪力f1和f2为: f1=f2=(mq+mq)/h2=46739.093n (64)图6 型材截面figure 6 profile sections 则销轴承受的剪应力=f/a=4*f/(*a2)=23.816mpa 强度满足4.5.3 定柱顶部连接板强度校核作用力f1可认为直接作用在连接板截面，截面受力产生拉应力（如图）：已知： h1=222.42mmh2=60mmb=20mm由上得截面面积a=（h1-h2)*b=3248.4mm2则=f1/a=14.388mpa 强度满足 (65)图7 连接板截面figure 7 connection panel sections4.5.4 顶部连接板和定柱焊缝强度校核顶板和立柱之间采用焊接方式，焊缝为贴角焊缝，焊缝的高度根据圆管的壁厚现取：k=9mm 沿着立柱外径426mm满焊，焊条采用j422，焊缝的许用剪切应力为: =0.8/20.5=0.8*235/20.5=132.936mpa=f/(a*l)=f/(k*20.5*d1*)= 2.745mpa 强度满足 (66)4.5.5 定柱强度校核由已知条件得定柱的外径： d1=426mm 定柱的壁厚t=9mm定柱材料的抗弯模数：w=/32*d14-(d1-2*t)4/d1=1204050.78mm （67）定柱材料的惯性矩：i=/32*d14-(d1-2*t)4=256462816mm (68)定柱上承受的最大弯矩：mmax=(g1+g3)*(l1+l2)+g2*(l1/2+l2)=44783152.6n.mm 则 w = mmax/w=37.194mpa 强度满足定柱受力产生的挠度f2：（见上图左）受力f1和反作用力f2作用风别产生ff1=f1*(h1+h3)3/(3*e*i)= 75.194mm 图8 定柱受力挠度图figure 8 column load deflection graphsff2=f2*(h1+h3-h2)3/(3*e*i)= 49.507mm (69)f2=ff2-ff1=25.688mmf2=(l1-e/2)*sinarcsin(f2/(h1+h3)=24.418mm旋臂总挠度f总：（见上图右）f总=f2+f1= 39.180mm旋臂的许用挠度f许用=(h1+l1+l2)/250=49.76mm(工作级别：a4)f总f许用 挠度满足4.5.6 轴承强度校核设备有上下两个滑动轴承，底部的滑动轴承既承受挤压还有止推作用，故校核该轴承的强度即可。(a)轴承的径向挤压应力：=f2/(a*h5)=23.36954639mpa 140mpa （样本中查出） 强度满足(b)轴承的轴向挤压应力：=4*(g1+g2+g3)/*(c2-b2)*0.8=4.38881873mpa 140 mpa 强度满足 4.5.7 地脚连接螺栓强度校核 1）地脚连接螺栓有两种布置方式，圆形排列计算如下：已知： 地脚螺栓法兰直径 d2=580mm地脚螺栓数量 n=8地脚螺栓孔 d3=30mm采用m28地脚螺栓连接,查资料得螺栓小径h=25.825mm图9 地脚螺栓示意图figure 9 bolts diagram圆周排列时螺栓承受最大的载荷p: p=(ko+kc)*mmax*d2/2/xi2 (70)式中：ko：螺栓的预紧系数 kc：刚度系数 查资料得：ko+kc=2.5xi2：所有螺栓距轴心的距离平方和（图中测量后算出）xi2=336400mm2 p=96515.415n =p/a=4*p/(*h2）=184.351mpa 800mpa(8.8级螺栓） 强度满足2）矩形排列计算如下：已知： 地脚螺栓间距 a=580mm地脚螺栓数量 n=8地脚螺栓孔 d3=30mm图10 地脚螺栓矩形排列figure 10 anchor bolt rectangular arrangement采用m28地脚螺栓连接,查资料得螺栓小径h=25.825mm圆周排列时螺栓承受最大的载荷p:p=(ko+kc)*mmax*d2/2/xi2式中：ko：螺栓的预紧系数 kc：刚度系数 查资料得：ko+kc=2.5xi2：所有螺栓距轴心的距离（此时采用a/2计算）平方和 xi2=504600mm2 p=64343.61n =p/a=4*p/(*h2）=122.901mpa 800mpa(8.8级螺栓） 强度满足 由以上计算数据得：设备地脚螺栓在螺栓数量相同、跨度间距相同且都满足强度时，采用矩形布置受力会更为合理，所以采用矩形布置设计。 5 起重机金属结构立柱式旋臂起重机的金属结构由立柱与回转旋臂组成，立柱下端固定在混凝土基础上，旋臂回转。5.1 立柱计算1）定柱为无缝钢管，材料为45号钢定柱受到的扭转力矩为： t=me=51.6nm(该数与小齿轮的转矩有关，详细会在66中计算)在这个扭转力矩下产生的扭转强度应满足所选材料的扭转强度。设该钢管的内外径之比=0.8，材料的许用应力为=60mpa。因为有公式得：max=t/wt，其中wt=d/16（1-）（a=4） （71）因此： 51.616/3.14d(1-0.8)60mpa算得： d19.5mm,q取d=260mm，d=0.8d=208mm。选定柱高为12m。选择立柱的直径之后，对其进行验算。图11 立柱受力分析figure 11 stress analysis of column 立柱产生压缩和弯曲变形。已知该材料的许用压应力为=160mpa。可求得该立柱的横截面上的一些基本参数:a=19,=13237图 12 立柱内力图fig. 12 internal force chart of mast则最大压应力：=f/a+mz/=4900/19+19.6/13237=148mpa （72）因此立柱不会被压弯。 2）立柱强度校核立柱整体稳定校核计算 r =, =, 查表1 ,得到稳定系数.则n0=ra+, ne= , (73)立柱局部稳定校核 (74)5.2 起重机悬臂梁的设计计算5.2.1 计算条件吊重为3吨，悬臂梁为工字钢，长度为7.5米。选择工字钢材料为q235，其许用应力=100mpa。5.2.2 受力计算求出cd杆的长度为l=4527.7mmac杆的受力分析简图如图3.1所示。图13 ac杆受力分析图figure 13 stress analysis of ac diagram设cd杆拉力为f,由平衡方程=0，得f4500mm-49004000=0f=39441n把f分解为沿ac杆轴线的分量和垂直于ac杆轴线的分量,可见ac杆在ab段内产生压缩与弯曲的组合变形。=f4500/4527.7=39200n=f500/4527.7=4355n作ac杆的弯矩图和ab段的轴力图如3.2所示。从图中可以看出，在b点左侧的截面上弯矩为最大，而轴力与其他截面相同，故为危险截面。图14 ac杆弯矩图和ab段轴力图figure 14 ac bar bending moment diagram and ab axis is trying to开始计算时，可以先不考虑轴力发热影响，只根据弯曲强度条件选取工字钢。w=19.6/100=196 （75）查型钢表，选取20a号工字钢，w=237，a=35.5。选定工字钢后，同时考虑轴力及弯矩的影响，再进行强度校核。在危险截面b的下边缘各点上发生最大压应力，且为：结果表明，最大压应力小于许用应力，故无需重新选择截面的型号。=84mpa （76）横梁变形计算算法 1 : 按整体横梁计算载荷吊点变形y21 = (q+g) g(l1+l2+l3+l4)3/3eihl算法 2 : 按横梁前段计算载荷吊点变形y22 = (q+g) gl31/3eihl按横梁后段计算横梁载荷吊点变形y3 = ra (l2+l3+l4)3l1/ (3 eihl ( l2 +l3 +l4) )图 15 旋臂起重机结构变形图fig. 15 structure displacement chart of slewing jib crane结论这次起重机设计让我学到了很多，是对大学四年来所学知识的整体运用与掌握，是对我学习能力及实践能力的培养和检验。在设计过程中，所设计的起重机是一个新的领域，虽然涉及的都是一些熟悉的机械结构，所运用的计算也是学过的知识，但其中要考虑的问题也不少，比如一些机构可以有很多种方式来达到其功能，具体选的话就要考虑现实因素等等。在设计过程中，我翻阅了大量的资料，巩固了本学科的理论知识，也对起重机设计这一新领域有所了解。通过这次比较完整的机械系统设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平。这次设计主要是对该起重机整体机械机构的设计，我了解了国内外起重机的发展及趋势，起重机的类型及用途，起重机的组成和结构，以及相应的零部件设计和选择，并在设计计算和查阅有关资料、选择有关零件时又加深了对起重机的认识，并在绘图时基本掌握了起重机结构的布置和传动，既提高了绘图能力而且在空间立体上对设计有了具体生动的认识。在设计计算中，对对象的受力分析和公式的选择与运用有了深一步的掌握，提高了自己的逻辑思维能力。 在设计过程中还有许多不足之处，如旋转驱动装置的结构设计方面等。这次实践是对大学四年来所学知识的汇总、检验，使我明白自己所学的还远远不够，还要更加努力地学习实践，使自己的根基更稳，在以后的工作中能更好地进行设计，为社会作贡献。参考文献1 吕明，机械制造技术基础m.武汉：武汉理工大学出版社，20102 全腊珍，张淑娟.画法几何与机械制图.中国农业出版社，20073 倪庆兴，王殿臣 （等）.起重输送机械图册.机械工业出版社，1991.4 夏荣海，郝王琛 （等）.矿井提升机械设备.中国矿业学院出版社，1987.5 杨文柱 （等）.起重吊装简易计算.机械工业出版社，2007.6 成大先 （等）.机械设计手册.化学工业出版社，20047 潘英 （等）.矿山提升机械设计.中国矿业大学出版社，2001.8 陆友琪，马二恩，郭铁成，王毅昌 （等）.钢材实用手册.中国科学技术出版社，1991.9 王荣祥，李捷，任效乾 （等）.矿山工程设备技术.冶金工业出版社，2005.10 陈道南，盛汗中.起重机课程设计.冶金工业出版社，1993.11 虞和谦，包起帆 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