毕业设计（论文）-40吨级门式起重机大车运行机构设计（全套图纸）.pdf

40 吨级门式起重机大车运行机构设计 摘 要 随着我国制造业和物流业的迅猛发展,门式起重机在港口、码头、货场起着不可替代的 作用。本论文所设计的机构是门式起重机的大车运行机构。大车运行机构主要用于水平调 整起重机的工作位置。本设计在前人基础上，优化门式起重机大车走行机构结构设计, 合 理分配外形尺寸，目的在于设计出满足现实生产生活需要的结构紧凑、传动平稳、整体运 行良好的大车走行机构。首先根据用户对设备提出的性能参数、外形尺寸、质量、价格等 方面的要求进行设计计算。设计和计算方法是最基本的，参考了手册及相关图册。然后根 据设计计算，以图纸形式设计了大车运行机构和大车支架。CAD 技术的普及提供了加速设 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 计进度的有力工具，有限元分析软件提供了检验和优化设计的方法。最终本论文完成 了大车运行传动设计、大车运行支架设计。传动方式为电机联轴器-减速器高速轴-减速 器低速轴-联轴器-车轮。这种传动方案机构紧凑，使用寿命长。本设计在设计计算时不同 于以往分不同平面进行计算的方法， 而是采用了对力分类的方法， 使得计算更加简洁准确。 1 设计大车支架时， 使用三维建模软件进行建模， 并引入有限元分析软件进行受力变形分析， 在分析基础上改进设计，并最终获得二维工程图，收到了良好的效果。 关键词：门式起重机；大车运行机构；大车架；传动方式 2 Design on Drive Mechanics of 40t Gantry Crane Abstract With the developing of our manufacturing and logistics rapidly, gantry cranes play an irreplaceable role at the port, docks and freight yard. The design is the drive mechanics of a gantry crane. The drive mechanics used to adjust the level of the crane working position. This design based on predecessors, optimizes the design of gantry crane travel agency structure, allocating size reasonable, so that to design to meet the needs drive mechanics of real life which is compact structure, smooth transmission, and running well. First of all, finish the design calculation according to the required of user on the devices performance, size, quality, price and other aspects. Design and calculation method is the most basic, refer to the manual and related album. And then, design traveling mechanism and cart support by the form of drawing, depending on the design calculation. The popularity of CAD technology provides a powerful tool to accelerated the design progress. Finite element analysis software offers testing and optimization method. Finally, this paper finish the design of traveling transmission and traveling bracket. Drive way is Motor- Coupling- Reducer- Coupling- Wheel. This transmission program is compact and has long service life. This design in the design calculation is different than the method they used to be. Instead, It use the method of classification of power, which makes the calculations are more concise and accurate. When designing the cart stand, It use a 3D modeling software to model, and a finite element analysis software for mechanical deformation analysis. Then improve the design based on the analysis, ultimately get two- dimensional drawings and good results. KEY WORDS: gantry crane；the drive mechanics；traveling bracket；drive way 3 目 录 第一章 绪 论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 国内外工程起重机的发展趋势 . 1 1.3 起重机械的分类. 2 1.4 起重机的组成及其工作原理 . 3 1.4.1 工作机构. 3 1.4.2 取物装置. 4 1.4.3 金属结构. 4 1.4.4 动力装置. 4 1.4.5 控制系统. 4 1.5 起重机的设计方法及规范 . 5 1.5.1 设计方法. 5 1.5.2 设计规范. 5 1.6 门式起重机简介. 5 1.6.1 门式起重机组成 . 5 1.6.2 门式起重机大车运行机构 . 6 1.6.3 门式起重机设计中的问题 . 6 第二章 方案设计 . 7 2.1 设计任务和已知参数 . 7 2.2 传动方案设计. 7 2.3 传动过程中的零部件的选择 . 7 2.3.1 电动机的选择 . 7 2.3.2 制动器的选择 . 8 2.3.3 减速器的选择 . 8 2.3.4 车轮与轨道设计 . 9 第三章 大车运行机构的设计及计算 . 10 3.1 大车轮压计算. 10 3.1.1 均布载荷产生压力计算 . 10 3.1.2 集中载荷产生压力计算 . 10 3.1.3 大车轮压的分配 . 11 3.1.4 风载荷产生的轮压 . 13 3.1.5 总轮压的计算 . 15 3.2 车轮的计算 . 15 3.2.1 车轮的计算轮压 . 15 3.2.2 疲劳计算. 16 3.2.3 强度校核. 17 3.3 电动机的选择. 17 3.3.1 运行阻力计算 . 17 3.3.2 初选电动机 . 18 3.3.3 启动时间与平均加速度验算 . 19 3.3.4 校核电动机的过载能力 . 20 4 3.3.5 电动机发热验算 . 20 3.4 制动器的选择. 21 3.5 打滑验算 . 22 3.5.1 起动打滑验算 . 22 3.5.2 制动打滑验算 . 22 3.6 减速器的选择. 23 3.6.1 载荷的计算 . 23 3.6.2 减速器计算输入功率 . 23 3.6.3 初选减速器 . 23 3.6.4 强度验算. 24 3.7 联轴器的选择. 25 3.7.1 电动机轴上联轴器的选择 . 25 3.7.2 车轮轴上联轴器的选择 . 25 3.8 安全附加装置. 25 3.8.1 缓冲器. 25 3.8.2 防风及锚定装置 . 25 第四章 大车支架设计及改进 . 27 4.1 大车支架初步设计 . 27 4.2 利用有限元方法分析变形 . 27 4.3 优化改进后的变形 . 28 第五章 总结 . 29 致谢 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 参考文献 . 31 附表 . 32 40t 门式起重机大车运行机构设计 1 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 引言引言 起重机是一种非标准机械设备， 通常是按订单生产。 首先根据用户对设备提出的性能参 数、外形尺寸、质量、价格等方面的要求进行设计，然后开始生产。CAD 技术的普及提供 了加速设计进度的有力工具，但设计和计算方法却是最基本的。今年来，工程机械发展异常 迅猛、持续火爆、 ，新理念、新工艺、新材料不断给予工程机械新的活力，因而工程机械行 业的工程技术人员随之面临着新的挑战和考验。 随着我国制造业和物流业的迅猛发展,门式起重机在港口、码头、货场起着不可替代的 作用。我国门式起重机行业已经形成了一定的规模，市场竞争也越发激烈。但我国起重行业 目前存在的突出问题是整体技术含量偏低， 性能、 可靠性等指标低于发达国家同类产品的水 平。 门式起重机的金属结构像门形框架， 承载主梁下安装两条支脚， 可以直接在地面的轨道 上行走，主梁两端可以具有外伸悬臂梁。门式起重机具有场地利用率高、作业范围大、适应 面广、通用性强等特点。 大车运行机构主要用于水平调整起重机的工作位置。 稳定可靠地大车运行机构能提高起 重机的工作效率。我们在前人基础上，优化门式起重机大车走行机构结构设计, 合理分配外 形尺寸，目的在于设计出满足现实生产生活需要的结构紧凑、传动平稳、整体运行良好的大 车走行机构。运行机构分为有轨和无轨运行机构两种，本设计为有轨运行机构。 为了锻炼这方面的设计能力， 我和其他三位同学将共同完成 40 吨级门式起重机的设计。 本论文所设计的机构是起重机的大车运行机构。由于起重机时常处于超负荷的工作状态,这 对整机的性能尤其大车的性能提出了更高的要求。 1.2 国内外工程起重机的发展趋势国内外工程起重机的发展趋势 工程起重机作为一种重要起重设备， 与一个国家的基础设施建设和经济发展水平是息息 相关的，其发展水平具有显著的地域性。 欧洲作为工程起重机的发源地， 也是经济非常发达的地区， 代表轮式起重机的最高水平。 美国作为经济大国， 虽然工程机械总体水平领先于欧洲， 但工程起重机相对落后于欧洲水平。 日本作为二战后崛起的经济强国， 轮式起重机开发生产虽然起步较晚 （起步于20 世纪70 年 40t 门式起重机大车运行机构设计 2 代），但发展很快，这得益于日本人善于 模仿同时讲究实用， 因而其产品比较贴合 市场，很受亚太市场的欢迎。作为全球经 济发展最快、最活跃的中国，工程起重机 取得了长足的发展， 使我国成为亚太地区 乃至全球最大的工程起重机生产大国。 其 他地区如印度主要生产小吨位汽车起重 机、移动式起重机（可吊重 行驶但不能回转），韩国生产小吨位全路 面起重机，俄罗斯等独联体国家生产中小 图1 港口起重机 吨位汽车起重机，其产量较低，技术比较落后，发展前景不容乐观。 欧美工程起重机产品的技术水平代表了当今行业的最高水平。 通过多次参加国际级展览 会和技术交流，工程起重机的发展态势将体现在以下几方面：全路面起重机向大型化发展； 轮胎起重机向高通过性方面发展； 履带起重机向特大型化发展； 汽车起重机将逐渐向全路面 起重机过渡；工程起重机分化出混合型起重机；工程起重机向机- 电- 液一体化及智能化发 展；采用先进研发手段，缩短产品开发周期，降低新产品早期故障反馈率。 我国工程起重机的发展对策： 必须首先解决整机可靠性低的问题； 工程起重机生产企业 必须依托汽车行业；在行业内开展像高新技术产品竞赛的活动，逐渐淘汰低技术含量、低性 能产品，开发符合中国国情的全地面起重机产品，提高行业整体水平；着力研制大吨位工程 起重机产品；产品改造和开发注重环保、安全、可靠、节能高效，以提高产品的社会效益； 加大科研投入，提高研发能力。 我国工程起重机行业的发展需要全行业的共同参与和协力合作， 加强同科研院校的交流 以及同其他行业的渗透，加强国内同行业的技术交流，瞄准国际先进技术，不断进行技术创 新，使我国工程起重机行业得以健康、快速的发展。 1.3 起重机械的分类起重机械的分类 起重机的详细分类见图2。 从结构特征看，种类繁多的起重机可归纳为三大类1： （1） 单动作起重设备。如千斤顶、滑车、绞车、升降机。 （2） 桥式类型起重机。如桥式起重机、门式起重机、缆索起重机。 （3） 回转类型起重机。如塔式起重机、门座起重机、流动起重机、浮式起重机。 40t 门式起重机大车运行机构设计 3 图 2 起重机分类示意图 1.4 起重机的组成及其工作原理起重机的组成及其工作原理 起重机械由动力装置、工作机构、取物装置、操纵控制系统和金属结构组成。通过对控 制系统的操纵，驱动装置将动力能量输入，转变为机械能（即适宜的力或运动速度） ，再传 递给取物装置。取物装置将被搬运物料与起重机联系起来，通过工作机构单独或组合运动， 完成物料搬运任务。 可移动的金属结构将各组成部分连接成一个整体， 并承载起重机的自重 和吊重。 1.4.1 工作机构 工作机构包括： 起升机构、 运行机构、 变幅机构和旋转机构， 被称为起重机的四大机构。 （1）起升机构，是用来实现物料的垂直升降的机构，是任何起重机不可缺少的部分， 因而是起重机最主要、最基本的机构。 （2）运行机构，是通过起重机或起重小车运行来实现水平搬运物料的机构，有无轨运 行和有轨运行之分，按其驱动方式不同分为自行式和牵引式两种。 （3）变幅机构，是臂架起重机特有的工作机构。变幅机构通过改变臂架的长度和仰角 来改变作业幅度。 （4）旋转机构，是使臂架绕着起重机的垂直轴线作回转运动，在环形空间运移动物料。 起重机通过某一机构的单独运动或多机构的组合运动，来达到搬运物料的目的。 40t 门式起重机大车运行机构设计 4 1.4.2 取物装置 取物装置是通过吊、抓、吸、夹、托或其他方式，将物料与起重机联系起来进行物料吊 运的装置。根据被吊物料不同的种类、形态、体积大小，采用不同种类的取物装置。例如， 成件的物品常用吊钩、吊环；散料（如粮食、矿石等）常用抓斗、料斗；液体物料使用盛筒、 料罐等。也有针对特殊物料的特种吊具，如吊运长形物料的起重横梁，吊运导磁性物料的起 重电磁吸盘，专门为冶金等部门使用的旋转吊钩，还有螺旋卸料和斗轮卸料等取物装置，以 及集装箱专用吊具等。合适的取物装置可以减轻作业人员的劳动强度，大大提高工作效率。 防止吊物坠落，保证作业人员的安全和吊物不受损伤是对取物装置安全的基本要求。 1.4.3 金属结构 金属结构是以金属材料轧制的型钢（如角钢、槽钢、工字钢、钢管等）和钢板作为基本 构件，通过焊接、铆接、螺栓连接等方法，按一定的组成规则连接，承受起重机的自重和载 荷的钢结构。金属结构的重量约占整机重量的 40 70左右，重型起重机可达 90；其 成本约占整机成本的 30以上。金属结构按其构造可分为实腹式（由钢板制成，也称箱型 结构）和格构式（一般用型钢制成，常见的有根架和格构柱）两类，组成起重机金属结构的 基本受力构件。这些基本受力构件有柱（轴心受力构件） 、梁（受弯构件）和臂架（压弯构 件） ，各种构件的不同组合形成功能各异的起重机。受力复杂、自重大、耗材多和整体可移 动性是起重机金属结构的工作特点。 重机的金属结构是起重机的重要组成部分， 它是整台起 重机的骨架，将起重机的机械、电气设备连接组合成一个有机的整体，承受和传递作用在起 重机上的各种载荷井形成一定的作业空间， 以便使起吊的重物顺利搬运到指定地点。 金属结 构的垮塌破坏会给起重机带来极其严重甚至灾难性的后果。 1.4.4 动力装置 驱动装置是用来驱动工作机构的动力设备的。 常见的驱动装置有电力驱动、 内燃机驱动 和人力驱动等。电能是清洁、经济的能源，电力驱动是现代起重机的主要驱动型式，几乎所 有的在有限范围内运行的有轨起重机、升降机、电梯等都采用电力驱动。对于可以远距离移 动的流动式起重机（如汽车起重机、轮胎起重机和履带起重机）多采用内燃机驱动。人力驱 动适用于一些轻小起重设备，也用作某些设备的辅助、备用驱动和意外（或事故状态）的临 时动力。 1.4.5 控制系统 通过电气、液压系统控制操纵起重机各机构及整机的运动，进行各种起重作业。控制操 纵系统包括各种操纵器、显示器及相关元件和线路，是人机对话的接口。安全人机学的要求 在这里得到集中体现。该系统的状态直接关系到起重作业的质量、效率和安全。 起重机与其他一般机器的显著区别是庞大、可移动的金属结构和多机构的组合工作。 间歇式的循环作业、起重载荷的不均匀性、各机构运动循环的不一致性、机构负载的不等时 40t 门式起重机大车运行机构设计 5 性、 多人参与的配合作业等特点， 又增加了起重机的作业复杂性、 安全隐患多、 危险范围大。 事故易发点多、事故后果严重，因而起重机的安全格外重要。 1.5 起重机的设计方法及规范起重机的设计方法及规范 1.5.1 设计方法 产品设计是保证产品质量、性能和价格的关键因素, 起重机设计方法理论和技术的研究 和应用对产品设计具有重要意义。 有关门式起重机的设计方法可以简单地划分为传统设计方 法、 现代设计方法和未来设计方法三类。 传统设计方法指的是以古典力学和数学为基础的类 比法、直觉法、经验法等设计方法, 该法仍用于我国门式起重机的设计。现代设计法指的是 近年发展起来的设计方法, 如、优化设计、可靠性设计、有限元分析、反求工程设计、动态 仿真设计、 模块化设计、 工业艺术造型设计等等, 这些方法在门式起重机的设计中都有应用。 未来设计方法还有模糊优化设计、基于特征的设计、面向制造和装配的设计、基于并行工程 的设计以及智能设计等，详见参考文献2。 本论文旨在锻炼基础能力，故仍以传统设计方 法为主，不排除借鉴上述现代设计方法来研究改进。 1.5.2 设计规范 工业先进国家都制定了起重机设计规范标准，以对起重机设计所牵涉到的重要问题 予以规定。我国的第一个起重机设计规范于1983年发布3。本文设计“门式起重机大车运行 机构设计”就是依据此规范设计。纵观各国起重机设计规范可以看出如下三点： （1）在起重机及其机构和零部件工作等级的划分、起重机外载荷的计算、起重机稳定 性计算、金属结构设计等四方面，取得了比较一致的意见，并给出了设计原则和设计计算方 法的说明； （2）对于机构，除了工作等级划分和载荷组合的原则说明外、没有给出更详细的设计 计算方法； （3）对于起重机专用零件，给出了钢丝绳和车轮的选择方法。 1.6 门式起重机简介门式起重机简介 1.6.1 门式起重机组成 门式起重机又称龙门起重机， 是一种桥架通过两侧支腿支承在地面轨道的或基础上的桥 架型起重机4。目前广泛应用于各行业中，如在铁路货场装卸火车、汽车，在船厂吊装轮船 部件总成等。门式起重机的结构组成主要分为三大部分：机械部分、结构部分和电气部分。 40t 门式起重机大车运行机构设计 6 具体来说，门式起重机主要由门架结构、载重小车、大车运行机构、电气设备和驾驶室等五 部分。本人负责其中的大车运行机构。 1.6.2 门式起重机大车运行机构 门式起重机大车运行机构大车用于整台门机的行走， 即沿着预先铺设好的轨道行走， 从 而将货物运送到目的地。大车只能在桥架上横向来回运动，大车装在支腿底下，支腿底下有 横梁连接起来，加强稳定，通常叫做下横梁。稳定可靠地大车运行机构能提高起重机的工作 效率。 大车运行机构多采用分别驱动5。 因为是露天作业， 其支腿下部装有夹轨器或压轨器。 在起重机不工作或遇有大风时，用夹轨器夹紧轨道，防止起重机被风吹动造成事故。本设计 也采用分别驱动。具体设计见方案论证和设计论文。 1.6.3 门式起重机设计中的问题 门式起重机的设计早已规范化， 但设计中出的问题却从没有消失过。 最近上海某单位进 行试吊验收的起重机发生死亡二人严重事故。 据悉这次事故并非是起重机制造厂的制作质量 问题， 而是设计在计算和设计配套的选型上存在一些不足是造成这次事故的主要原因。 由此 可见起重机要保证安全使用，首先就是设计。问题：门式起重机静刚度设计及相关问题。 门式起重机结构设计和使用中的抗风问题6，同一般结构物一样, 风载荷可以导致起重机 结构过载破坏、疲劳破坏或者产生大位移或变形, 甚至诱发发散性的振动失稳。门式起重 机啃轨问题。 40t 门式起重机大车运行机构设计 7 第二章第二章 方案设计方案设计 2.1 设计任务和已知参数设计任务和已知参数 本论文要完成大车运行传动设计、大车运行支架设计。 设计大车运行机构所需几大参数： 起重量Q=40t； 跨度L=30m； 大车运行速度v=42m/min； 整机工作级别均 A5； 机构工作级别 M5； 2.2 传动方案设计传动方案设计 一般大车运行机构有分别驱动和集中驱动两种方式。 本设计中起重量 Q=40t， 轮数较少， 故采用分别驱动。驱动装置是由电机，制动器，减速装置和车轮等组成。按照减速方式的不 同，驱动方案有一下几种： 方案一：采用立式减速器的驱动方案 这是门式起重机采用的最广泛的驱动方案。传动方式为电机联轴器- 减速器高速轴- 减 速器低速轴- 联轴器- 车轮。这种传动方案机构紧凑，使用寿命长。 方案二：采用卧式减速器的驱动方案 传动方式为电机- 卧式减速器高速轴- 卧式减速器低速轴- 末级开式齿轮- 车轮。末级开式 传动的大齿轮固定在车轮上，车轮轴不传递扭矩。 对于中小型门式起重机有时用链传动代替末级开式齿轮传动，这样机构布置方便，安装 精度要求低。 方案三：采用蜗轮减速器的驱动方案 传动方式为电动机- 联轴器- 蜗杆- 蜗轮- 末级开式齿轮- 车轮。这种传动形式比卧式减速器 结构紧凑。同样，对于中小型门式起重机可以采用链传动代替末级开式齿轮。 综合比较上述三种方案，第一种方案最适合我们的设计需要。 2.3 传动过程中的零部件的选择传动过程中的零部件的选择 2.3.1 电动机的选择 (1)型式初选：起重机上使用的电动机主要有交流和直流两大类型。选用交流还是直流 由电气传动方案决定。交流异步电机分鼠笼型和绕线型两种，直流电机分串激、复激和并激 三种。根据我们设计的工作环境和级别需求等因素，暂定选择绕线型交流异步电动机。 (2)具体功率选择方法如下： 静功率 由式（2- 1）计算 40t 门式起重机大车运行机构设计 8 1000 jy N P V P m = kw（2- 1） 式中： j P 运行静阻力，为摩擦阻力、风阻力、坡道阻力之和，见式（7- 18），N； Vy 运行速度，m/s； 运行机构的传动效率； m 运行机构电动机台数。 电动机功率初选 由式（2- 1）计算所得的结果和该机构的接电持续率，从电动机样本上初选所需的电动 机。 此时应特别注意到运行机构起动加速惯性力大的特点， 用一个功率增大系数乘以静功率 将所需选用的电动机功率放大：对室外作业的起重机，此放大系数为1.11.3；运行速度高 者取大值。 2.3.2 制动器的选择 制动器有常开和常闭两种形式， 常用的制动器又有瓦块式和盘式两种。 具体型号由下述 方法确定：由给定的制动时间选择需要的制动转矩. 运行机构制动器的制动力矩加上运行摩 擦阻力 （不包括轮缘与轨道侧面的摩擦阻力） 应能使处于不利情况 （满载、 顺风及下坡状态） 下的起重机或小车在要求的时间内停止（所要求的时间按起重机工作条件决定）。 制动转矩 z M: 2 min z12 2 () 1() M() m29.554 WIpG z PmwPD nGQ D k m JJN m iti + + =+ g g g gg (2- 2) 式中： min w 不考虑轮缘与轨道侧面摩擦因素的摩擦阻力系数； i 由制动器轴到车轮的总传动比； m 制动器的台数； p m坡道阻力系数，坡道阻力见本规范5.2.2.2 节； tz制动时间，s，参考本规范表5- 3； k 换算到电动机轴上的计及其它传动件转动惯量影响的系数； 根据本设计需求，暂定为常闭式瓦块制动器。 2.3.3 减速器的选择 （1）在一般情况下，运行机构的减速器可选为与机构工作级别一致的寿命期。但对一些 40t 门式起重机大车运行机构设计 9 工作特别繁重， 允许在起重机使用期限内更换减速器的， 则所选减速器的预期寿命可小于起 升机构的工作寿命； （2）在选用标准减速器，如果所选用的减速器参数表上没有给定工作级别，或标定的工 作级别与本运行机构的工作级别不一致时，应引入适应减速器繁忙使用条件的功率修正系 数。 根据本设计的传动方案，暂定选择标准立式减速器。 2.3.4 车轮与轨道设计 （1）车轮与滚轮的材料 车轮与滚轮的材料、热处理、尺寸等，推荐按JB/T6392。当采用球墨铸铁作车轮或滚轮 时，其踏面和轮缘同样应进行必要的热处理。车轮的轮缘有双轮缘、单轮缘和无轮缘三种， 大车运行机构多采用双轮缘，故此处采用双轮缘。 （2）轨道材料 GB/T11264 轻轨，材质不低于55Q， 2 685/ b N mm ； GB/T 2585 重轨，材质不低于U71Mn， 2 884/ b N mm ； YB/T 5055 起重机钢轨，材质不低于U71Mn， 2 884/ b N mm ； 具体选择等设计计算后确定。 （3）计算内容： 疲劳计算载荷： minmax 2 3 mean PP P + = CC C 、 、 (2- 3) 车轮踏面点接触许用载荷： 2 212 3 k L R PC C m 由上述运算结果确定选用的车轮及轨道具体型号。 40t 门式起重机大车运行机构设计 10 第三章第三章 大车运行机构的设计及计算大车运行机构的设计及计算 3.1 大车轮压计算大车轮压计算 3.1.1 均布载荷产生压力计算 由主梁、走台、栏杆等均布载荷在支腿上产生的压力(图 3)。 图 3 均布载荷示意图 在均布载荷作用下，支腿 A 和 B 的支反力为： (2l)q2 8300.85 19.55 22 AB L PP + + = （） t (3- 1) 式中 L跨度，L=30m； l悬臂长度，l=8m； q主梁走台栏杆的均布载荷集度，参考有关资料取 q=0.85t/m； 3.1.2 集中载荷产生压力计算 小车位于悬臂端时，由小车自重、起升载荷、司机房自重