（机械设计及理论专业论文）htq800型门架式桅杆起重机设计与分析.pdf

哈尔滨理工大学下学硕士学位论文 h t q 8 0 0 型门架式桅杆起重机设计与分析 摘要 桅杆起重机在工程机械行业称之为抱杆，属于特种起重设备。它是空间的杆 系结构，主要是以桅杆为载体的起重机构。桅杆起重机具有起重量大、自重轻、 成本低、结构简单、容易实现拆卸、转移和安装等特点。因此被广泛的应用在矿 山中开采矿石，港口码头吊运大吨位货物，石油、化工、冶金和电力等行业大型 结构设备的安装。目前随着工业设备向大吨位、大结构的方向发展，桅杆起重机 的方案设计和结构强度都有了更高的目标。 本文在充分调研了国内外桅杆起重机实际应用的前提下，深入了解和分析了 国内外现有的大型工业设备吊装技术特点和发展趋势，提出了桅杆起重机的总体 设计方案，并完成了桅杆起重机主要部件的结构设计。在设计中引入了 c a d c a e 技术，利用s o l i d w o r k s 软件建立了桅杆起重机的三维模型，使其能够 实体化、可视化，更加直观的表现了设计思路，从而缩短了设计周期，提高了工 作效率。还基于有限元理论，利用有限元分析软件a n s y s 对桅杆起重机的主门 架进行了分析，验证了结构设计的合理性和可靠性，为优化设计整机的结构提供 了理论依据。因此避免了由于传统设计无法准确计算出零部件的刚度和强度，而 在设计时采用较大的安全系数，最终导致机构“粗、大、笨的形态而影响整机 的动态性能。 本文所设计的桅杆起重机，是目前国内为数不多的门架类型桅杆起重机的一 例，属于创新型设计。本文所设计的桅杆起重机可以在某些特殊环境下工作，只 需配备一台大型起重机便能吊装大型设备，使吊装工艺变得简单，容易实现。该 桅杆起重机满足我国目前石化、冶金和电力行业中大型结构件的吊装需求，使我 国起重机械行业有了较大的发展和完善，减轻了国外大吨位起重机械对国内吊装 市场的冲击。 关键词桅杆：起重机；结构设计；有限元分析 哈尔滨理丁大学工学硕l ：学位论文 d e s i g na n da n a l y s i s o nh t q 8 0 0 g a n t r ym a s t c r a n e a bs t r a c t m a s tc r a n ei sc a l l e dp o l ei nt h ee n g i n e e r i n gm a c h i n e r yi n d u s t r y , w h i c hi st h e s p e c i a ll i f t i n ge q u i p m e n t i ti s as p a c et r u s ss t r u c t u r e ，m a i n l yb a s e do nt h el i f t i n g b o d ya sac a r r i e rm a s t m a s tc r a n e 谢t hf e a t u r e ss u c hl i f t i n gc a p a c i t y , l i g h tw e i g h t ， l o wc o s t ，s i m p l es t r u c t u r e t h e r e f o r ei t w i d e l yu s e di np e t r o l e u m ，c h e m i c a l ， m e t a l l u r g i c a la n dp o w e ri n d u s t r i e so fl a r g es t r u c t u r e sa n de q u i p m e n ti n s t a l l a t i o n n o ww i t ht h el a r g e t o n n a g ei n d u s t r i a le q u i p m e n ta n dl a r g es t r u c t u r e si nt h ed i r e c t i o n o ft h em a s tc r a n ed e s i g na n ds t r u c t u r a ls t r e n g t h ，i th a sa h i g h e rg o a l i n v e s t i g a t i o no ft h es u b je c ti nt h ec r a n em a s ta th o m ea n da b r o a du n d e rt h e p r e m i s eo fu n d e r s t a n d i n g ，a n a l y s i so fe x i s t i n gl a r g e - s c a l ee q u i p m e n tl i f t i n g c h a r a c t e r i s t i c sa n dd e v e l o p m e n tf i e n do f t e c h n o l o g y w ep r e s e n tt h eo v e r a l ld e s i g no f t h ec r a n em a s ta n dt h em a s tc r a n ec o m p l e t e dt h es t r u c t u r a l d e s i g no ft h em a i n c o m p o n e n t s w ei n t r o d u c e di nt h ed e s i g np r o c e s sc a d | c a et e c h n o l o g y , t h eu s eo f s o l i d w o r k ss o f t w a r et oe s t a b l i s hat h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo ft h em a s tc r a n e ，a m o r ei n t u i t i v ep e r f o r m a n c eo ft h ed e s i g ni d e a s ，s oa st os h o r t e nt h ed e s i g nc y c l ea n d i m p r o v ew o r ke f f i c i e n c y w ea r ea l s ob a s e do nf i l l i t ee l e m e n tt h e o r y ；t h eu s eo f a n s y s ，t h em a i nm a s to fc r a n em a s tw a sa n a l y z e dt ov e r i f yt h es t r u c t u r a ld e s i g ni s r e a s o n a b l ea n dr e l i a b l e t h i sa r t i c l ei sd e s i g n e dm a s tc r a n e ，i so n eo ft h ef e w t y p e so fg a n t r yc r a n em a s t c a s e i sa ni n n o v a t i v ed e s i g n t h ed e s i g nc h a n g e dt w oo rm o r ei n s t r u m e n t si nt h e p a s tw h i c hi nt h el i m i t e ds p a c ef o rl a r g ec r a n e s 、析ml i f t i n gl a r g e s c a l es t r u c t u r e w i t h i nt h es i t u a t i o n ，s ot h a ta l t e rl a r g e - s c a l es t r u c t u r eo ft h el i f t i n gm o r ee a s i l y n e m a s tc r a n ec a ns a t i s f yc h i n a sc u r r e n tp e t r o c h e m i c a l ，m e t a l l u r g ya n dp o w e ri n d u s t r y w h i c hn e e da l a r g es t r u c t u r el i f t i n g i tm a k e sm yl i f t i n gm a c h i n e r yi n d u s t r yh a sm a d e s i g n i f i c a n td e v e l o p m e n ta n di m p r o v e m e n t ，r e d u c i n gt h et o n n a g eo ff o r e i g nl i f t i n g c r a n eo nt h ed o m e s t i cm a r k e ti m p a c t k e y w o r d sm a s t ，c r a n e ，s t r u c t u r a ld e s i g n ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d - i i - 哈尔滨理工人学工学硕卜学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景研究的目的及意义 近些年来，为适应我国国民经济的快速发展，大型工业事业也在扩大企业 规模，如石化、冶金、电力等大型工业行业的塔、罐、容器和烟囱等大型设备 的主要结构都向大吨位、大结构的方向发展。在这些大型工业设施建设中，大 吨位起重机的使用缩短了设备安装周期，节省了人力和物力，是未来大型设备 吊装作业发展的主流。但是大吨位起重机占用空间大，使它在某些工程建设中 难以施展，同时由于我国自行制造大吨位起重机的技术条件不够成熟，主要依 赖进口，这也增加了企业的负担【l 】。因此在某些特定条件和特殊环境下，桅杆 起重机成为了这些大型工业设备吊装的必要手段，使桅杆起重机有了较大的发j 展空间，也促进了桅杆起重机吊装技术的不断完善和创新。 本文所研究的桅杆起重机是特种起重机的一种，工程机械行业也称之为抱 杆，它属于空间的杆系结构，具有起重量大、装拆方便、制作成本低和施工费 用低等特点，主要在土木建筑工程中应用。目前桅杆起重机也应用于各种特殊 的场合，如大型工业设备的整体吊装就位等，它能胜任常规通用起重机械难以 完成的吊装任务。 本课题所设计的桅杆起重机，是黑龙江火电第三工程公司在鸡西市建造火 。 电厂时为了解决大型锅炉板梁的吊装问题，委托哈尔滨工程机械制造有限公司 和哈尔滨理工大学联合研制的。该桅杆起重机是目前国内为数不多的门架类型 桅杆起重机的一例，属于创新型设计。本课题所设计的桅杆起重机可以在某些 特殊环境下工作，只需配备一台大型起重机便能吊装大型设备，使吊装工艺变 得简单，容易实现。 起重类桅杆的设计和制造，要求具有可靠的安全性能。在其正式投入使用 之前，必须要按照设计要求进行载荷试验，以验证桅杆起重机设计的合理性和 制造质量的可靠性。本文在研究桅杆起重机时，主要应用s o l i d w o r k s 软件建立 了桅杆起重机的三维模型，并借助于有限元软件a n s y s 对该起重机在偏载时 吊装最大起重量的极限工作状况进行了强度分析，得到了比较全面的位移与强 度等分析结果，再与载荷试验的结果结合分析，确保起重机的性能与安全。 本文的研究为进一步完善桅杆起重机的设计提供了更多的理论数据，可以 哈尔滨理工人学工学硕1 j 学位论文 为类似大型桅杆起重机的设计提供参考。现在研究工作已完成，通过了哈尔滨 工程机械制造有限公司和哈尔滨火电第三工程公司技术与实际的验收，并且该 桅杆起重机已在黑龙江省鸡西市的大唐鸡西热电有限责任公司正常工作。 1 2 桅杆起重机的国内外研究现状 1 2 1 国内研究现状 我国历史文化悠久，远在商朝时期就出现了桔槔，它是一种利用了简单杠 杆平衡原理的汲水工具，这是起重机最初的雏形。人们在灌溉农田和搭建房屋 等生活劳动中发明了起重桅杆，这是最简易的独杆式木质桅杆，由于其下端固 定在硬质地面中而无法活动，所以桅杆的受力情况不佳，起重量较小1 2 j 。由于 钢铁制造技术的发展出现了独杆式钢管桅杆和独杆格构式桅杆，桅杆下端支撑 由木质固定式转变为可转动的金属球头铰接式，不仅改良了桅杆的受力情况， 还使桅杆能转动一定角度来增加起重桅杆的作业范围，这是桅杆起重技术的一 个突破。现今起重机械行业中的人字桅杆、三脚桅杆和龙门桅杆是桅杆起重技 术的又一改进和创新，它们使独杆式桅杆的一个支点变为两、三个支点，改善 了桅杆的受力情况，增加了桅杆的承载能力，提升了桅杆起重机的起重量p j 。 我国现今的大型设备吊装在我国石油、化工、冶金和电力设施建设中占有 一定的地位，并随着工业设备的大型化，其地位将逐渐提高。目前，国内大型 工业设备吊装的方法主要有3 种：桅杆起重机吊装、大吨位起重机吊装和利用 框架吊装。根据相关统计，其中桅杆起重机吊装占6 9 ，大吨位起重机吊装占 1 7 ，利用框架吊装占1 4 。从中可以看出桅杆起重机作为我国传统的吊装设 备，并未因国外大型起重机的引进和广泛应用而取代，对于大型工业中高、 重、大型工艺装备的吊装，桅杆起重机仍有很大的优势。而且j 下在不断的完善 桅杆起重机的结构，向大型化、高性能方向发展l 4 j 。 目前国内桅杆起重机的最大吊装能力是1 0 0 0 t 6 0 m 。我国吊装工业从解放 初期的只能用木制桅杆和手动绞磨来完成吊装作业，发展到近几年用金属制格 构式桅杆和大型卷扬机整体吊装1 0 0 0 t 级反应器等，我们都积累了多方面的吊 装经验和桅杆起重机的设计技术【5 。 我国现在已有自行设计起重机的相关资料，桅杆起重机主体结构的设计可 遵循g b t3 8 11 2 0 0 8 起重机设计规范、g b5 0 0 1 7 2 0 0 3 钢结构设计规范 的规定进行，计算理论较为成熟，方法简便且适合工程应用。但由于桅杆起重 哈尔滨理t 大学t 学硕：l 学位论文 机结构及应用的特殊性，其中某些零部件的设计未能包含于现行规范之中。在 实际工程中，由于这些零部件设计时计算不便，很多未能进行合理的结构设计 及强度、刚度和稳定性校核。所以相对国外来说，我国起重机的设计方法落 后，设计过程缓慢，导致我国起重机与国外先进国家相比“粗、大、笨 ，消 耗了过多的材料和能源，严重影响了我国起重机产品的竞争力阳】。 1 2 2 国外研究现状 国外的起重机械行业的技术已非常成熟与完善，起重机械也随之得到了较 快的发展。目前工程起重机械的设计与制造技术处于领先地位的主要有德国、 美国和日本。例如常规轮式起重机和履带起重机，主要生产公司有德国的 l i e b h e r r ( 利勃海尔) 和d e m a g ( 德马格) ；美国的m a n i t o w o c ( 马尼托瓦 克) 和g r o v e ( 格鲁夫) ；日本的t a d a n o ( 多田野) 、h i t a c h i ( 日立) 和 k a t o ( 加藤) 等国外的大型工程机械企业。这些公司的产品历经几十年研发 与改进已形成了系列化的产品瞪l 。 近些年来，土木建筑行业和大型工业设备对起重机械的要求越来越高，需 要大型起重机械来完成其主要设备的吊装工作。在某些工程建设中由于空间等 因素的限制，大吨位的重型起重机难以发挥作用，因此在一些特殊环境和特定 条件下，桅杆起重机仍然是某些大型设备吊装的必要手段。 桅杆起重机属于特种起重机的范畴，由于它的特殊构造和特殊的应用场 合，这些公司都没有系列化设计的产品，但是利勃海尔和马尼托瓦克公司在此 方面做了不少研究工作。为了改善桅杆的受力情况，增设了超起臂架，加大了 变幅系统的力臂，改善了变幅系统的受力，从而改善了桅杆的受力，提高了起 重机的起重性能。他们在传统桅杆的基础上，不仅在桅杆的结构设计上更加优 化、合理，而且致力于将桅杆起重机发展成为机电一体化现代新型机械【9 1 0 i 。 目前德国的桅杆起重机基本实现了竖立、工作、拆除全部实现p l c 控 制，有效的避免了由于人工操作产生的大误差对吊装过程的影响。而且桅杆起 重机的起重量也较国内的大，最大起重量可达1 3 0 0 t 【1 1 , 1 2 。 国内桅杆起重机的自动化程度还很低，其操作还是完全由手工完成。但随 着新技术的应用，桅杆起重机的结构也在不断进行优化、完善和创新。 1 3 桅杆起重机概况 本文所研究的桅杆起重机，工程行业称之为抱杆，是由一根直立或倾斜的 哈尔滨理工大学工学硕j 二学位论文 细长桅杆和沿几个方向斜向张拉的缆风绳组成。桅杆是主要的承载结构，缆风 绳则保证桅杆的稳定。桅杆起重机的结构已经由过去的独杆式木制结构逐渐被 金属结构所代替，主体结构多为钢管或优质结构钢焊接而成的格构式构件i l 引。 根据桅杆起重机的主体结构、功能和特点等方面的不同，可分为多种类 型。按桅杆材质的不同，可分为木质桅杆和金属桅杆。按桅杆截面形状的不 同，可分为钢管式桅杆和格构式桅杆。按桅杆数量的不同，可分为独杆式桅 杆、人字桅杆和三脚桅杆。按桅杆总体结构的不同，又可分为单立柱式桅杆、 牵缆式桅杆和龙门桅杆【1 4 1 。下面对几种常用桅杆起重机做详细介绍。 1 木桅杆多数是由坚实而又笔直的松木或杉木制成。它是最初的桅杆 起重机，简易且实用。主要由支座、桅杆、揽风绳、地锚桩、起升索具、卷扬 机和滑轮组等组成l l 引。木桅杆结构图如图1 1 所示。 2 格构式桅杆是一种采用钢管或型钢制成桁架，横截面多为方形。为 了考虑桅杆的强度和稳定性，桅杆中部截面稍大，两端逐渐减小，而且可以做 成多节的可连接件。在桅杆顶部装有揽风绳盘和吊耳，用于固定绳索和滑轮等 零部件，底部为球头铰支座，使桅杆更加稳定l l 酬。格构式桅杆如图1 2 所示。 6 卜一导向滑轮；2 一桅杆；3 一揽风绳；4 一枕木； 5 一定滑轮；6 牵索；7 一支座 图1 - 1 木桅杆 f i g 1 - 1w o o d e nm a s t 3 人字桅杆也称为两木搭， 质人字桅杆为例，如图1 3 所示。 两桅杆交角通常为2 5 。3 5 。 确 毛 l 2 7 1j 座i f 埝 ll 心n l 一导向滑轮；2 钥丝绳：3 一滑轮组； 4 一揽风绳盘；5 一揽风绳 图1 2 格构式桅杆 f i g 卜2l a t t i c em a s t 有木质、钢管和格构式三种结构。此处以木 ，在交叉处连接固定，并且挂装滑轮组，钢 哈尔滨理t 大学t 学硕i ：学位论文 丝绳通过导向滑轮从桅杆底部到处并引入卷扬机的滚筒，方便于吊装作业。两 脚之间的距离要固定，防止桅杆受力后发生滑移1 1 7 j 。 4 牵缆式桅杆也称回转抱杆。主要由主桅杆、起重臂杆、牵缆钢丝 绳、转盘支座、变幅机构、起升机构和卷扬机等组成，如图l - 4 所示。 牵缆式桅杆起重机有变幅动作，还可以左右回转一定的角度，也有全回转 的，因此可在起重臂杆活动范围内将重物水平移动，比独杆式桅杆和人字桅杆 的工作范围大，有较好的起吊性能，所以应用较为广泛【1 8 l 。 7 l 一导向滑轮；2 一钢丝绳；3 一绊绳；l 一卷扬机组；2 一导向滑轮；3 一主桅杆； 4 一木楔；5 一揽风绳；6 一桅杆；4 一揽风绳；5 一变幅机构；6 起重臂杆； 7 起升滑轮组7 一起升机构8 转盘；9 一支座 图1 3 人字桅杆图1 - 4 牵缆式桅杆起重机 f i g 1 - 3b i p o d m a s t f i g 1 - 4g u y d e r r i c k 5 龙门式桅杆起重机主要是由两副独杆式桅杆用横梁连接组成的，桅杆 可以是钢管，箱型或格构式的。在连接横梁上安装有起升滑轮组或是电动葫 芦。为了使龙门架保持稳定，在其顶端要有揽风绳固定位置，底部要有固定机 构，防止横向移动【1 9 】。龙门式桅杆起重机如图1 5 所示。龙门式桅杆起重机的 主要特点是：它的稳定性好，使用较少的揽风绳便能固定位置，而且起重量较 大，作业安全可靠。但是由于其下端位置是固定的，使起重机的安装、拆卸与 转运有些不便，多用于固定位置的吊装工作。本文就是以龙门式桅杆起重机为 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 雏形，衍生设计出的门架式桅杆起重机。 1 一桅杆；2 一横梁；3 一起升滑轮组；4 一导向滑轮； 5 一斜揽风绳；6 一揽风绳；7 一导向滑轮8 一底座 图1 5 龙门式桅杆起重机 f i g 1 - 5g o a lp o s tm a s tc r a n e 1 4 主要工作内容 本文主要从桅杆起重机吊装工艺入手，调研目前大型工业设备结构的吊装 方式和起重设备，确定了桅杆起重机的总体设计方案。本论文研究工作如下： 1 进行广泛的调研、分析和收集资料，深入了解目前桅杆起重机的结构 形式及发展趋势，找出目前国内桅杆起重机的设计与国外先进起重机的差距， 确定桅杆起重机的总体设计要求，提出总体设计方案； 2 依照桅杆起重机的设计要求和选定的设计方案，确定主要技术参数， 对主要零部件进行相关计算和受力分析，完成总体结构设计； 3 在总体结构设计的基础上，主要对主门架进行了详细的力学计算、 s o l i d w o r k s 的三维建模和a n s y s 的有限元分析，确保了桅杆起重机性能的安 全、可靠； 4 通过总体结构设计的运动参数和动力参数，利用这些参数完成桅杆起 重机液压系统的设计与液压元件的选择。 哈尔滨理丁大学t 学硕士学位论文 第2 章h t q 8 0 0 门架式桅杆起重机总体设计 结构总体设计是机械系统总体设计过程的重要内容，是实现原理方案的结 构化设计。通过结构的总体设计，可以选定机械产品的主要技术参数、总体布 置、工作方式、各个主要零部件及相互关系等。 2 1 桅杆起重机技术参数 主要技术参数是指能够影响机械系统功能和性能的一些技术参数，是机械 系统总体设计和主要零部件设计的依据。在一般情况下，主要技术参数包括尺 寸参数，动力参数和运动参数。而且对于某些特殊的机械系统，其主要技术参 数也会与同类的系统有所不同1 2 0 j 。 常规起重机的主要技术参数有：起重量、起升高度、跨度、幅度、各机构 的工作速度及起重机的工作级别等，对于某些类型的起重机而言，轨距、基 距、自重和外形尺寸等也属于主要技术参数。我们利用这些技术参数来表明起 重机的技术指标和工作性能，它们是起重机设计的技术依据，也是起重机选用 和制造的依据l 2 。 对于本文所研究的桅杆起重机来说，主要技术参数有：起重量与起升载 荷、起升高度、幅度和运行速度等。另外桥式起重机的跨度参数也可作为该起 重机的主要技术参数，因为该起重机的主体结构为门式结构，跨度也影响其性 能与工作状态。 1 起重量是指被提升重物的质量。额定起重量是指起重机所能起吊的 重物质量和吊具质量的总和。对于那些幅度可变的起重机来说，其额定起重量 是随着幅度变化而变化的。所以起重机的名义额定起重量( 即起重机标牌上标 定的起重量) ，是指起重机在各种工况下安全作业时所容许的最大额定起重 量，它是起重机最重要的、实际应用最多的一个技术参数睇2 。 对于本文所研究的h t q 8 0 0 型门架式桅杆起重机来说，依照国家制定的起 重量系列标准( i s o2 3 7 4 1 9 8 3 ) 和该特种起重机定制单位的需求，选定最大 额定起重量为8 0 t ( 即8 0 0 k n ) 。 2 起升高度是指起重机由水平停机面或者运行轨道平面至吊具允许最 高位置的垂直距离。由于某些起重机的吊具需要深入到地平面或停机面以下工 作，所以应考虑到吊具的下降深度。对于h t q 8 0 0 型门架式桅杆起重机来说， 哈尔滨理工人学工学硕l 学位论文 起重机架设在火电锅炉架的上平台面，可得起升高度是由火电锅炉架上平台面 至吊钩升起的最高点距离= 9 5 m ，下降深度即火电锅炉架上平台面距离地面 的距离h = 8 0 m ，起升高度和下降深度见图2 1 。 图2 1 起升高度和下降深度 f i g 2 1l i l t i n ga l t i t u d ea n dd e p t ho f t h ed e c li n e 3 幅度是指当起重设备置于水平地面时，空载吊具中心至回转中心的 水平距离，对于多数回转起重机的幅度是可变的。可是对于某些非回转式臂架 起重机，幅度是指从臂架支撑轴或其他典型轴线至吊具中心的水平距离。 幅度有最大幅度和最小幅度之分，起重机的名义幅度就是指最大幅度值。 该起重机的幅度是指起升装置中心线与主门架下端支脚座轴中心线的距 离，其名义幅度值为l = 7 m ，是主门架与水平面成4 5 。角时的幅度值。 4 工作速度也称运行速度，按照起重机工作机构的不同，可以分为多 种速度表明起重机的工作状态。常规起重机工作速度有起升速度、下降速度、 回转速度、变幅速度和行走速度等。 但是对于该起重机来说，其主要动作有起升、变幅和横移，所以其速度也 就有起升速度、变幅速度和横移速度。 起升速度与下降速度，是指起重机在稳定运动状态下，重物垂直提升与下 降时的平均位移速度，m m i n 。变幅速度，是指起重机在稳定运动状态下，吊 具起吊最小额定起重量时，在变幅平面内从最大幅度移至最小幅度时水平位移 的平均位移速度，m m i n 。横移速度，是指起重机在稳定运动状态下，横移机 哈尔滨理工大学工学硕l 学位论文 构带动起升机构横向移动时，从最左端移动到最右端的平均位移速度，m s 。 5 跨度是桥式起重机的重要技术参数，是指起重机运行轨道轴线之间 的水平距离。 在该起重机中，跨度也很重要，是指起重机主门架两个支脚座中心线之间 的距离，它影响着起重机的稳定性和横移机构的位移范围。 以上主要技术参数详见表2 1 。 表2 1 技术参数 t a b l e2 - 1t e c h n i c a lp a r a m e t e r s 技术参数参数值 额定起香量( t )8 0 起升高度( m ) 9 5 下降深度( m ) 8 0 幅度( m ) 7 跨度( m ) 3 18 起升速度( m m i n ) 2 5 工作速度变幅速度( m m i n ) 2 横移速度( m s ) 0 0 5 2 2 h t q 8 0 0 门架式桅杆起重机总体结构设计 总体结构设计是机械产品设计的关键内容，是把原理方案转化机械产品的 总体设计，它对机械产品的技术性能和经济指标具有决定性的意义。总体结构 设计应该始终遵循功能要求原则、安全原则、可靠性原则、力学原则、经济原 则等2 3 1 。 机械系统的总体布置是总体结构设计的重要内容，对机械产品的性能、制 造和使用等方面都将产生重要的影响。机械系统的结构总体布置应能满足功 能、结构、工艺、性能和使用等方面的要求。 对于该起重机，按照执行机构的布置方向为倾斜式，按照执行机构的运行 轨迹为直线式，按照机架的结构形式为龙门式。 起重机在正常工作时，其主体结构的主门架采用倾斜布置，靠变幅机构使 其绕支脚座轴转动一定角度来改变幅度值，另外横移机构可以带动起升机构所 水平运动，这样完成板梁吊装工作。起重机的总体布置如图2 2 所示。 哈尔滨理丁大学t 学顾i ：学位论文 卜一火电锅炉钢架；2 一起重机底座；3 一变幅机构；4 一液压泵站； 5 一主门架；6 起升机构；7 _ 摆动横梁；8 一马鞍架 图2 2 起重机总体布置图 f i g 2 - 2g e n e r a la r r a n g e m e n tp l a no fc r a n e 该桅杆起重机在正常工作时主要动作有起升、变幅和横移，它们分别由起 升机构( 如图2 2 中部件6 所示) 、变幅机构( 如图2 2 中部件3 所示) 和横移 机构( 如图2 2 中部件7 和8 组成) 。起升机构由一根钢丝绳在两组共十一个 滑轮中穿过，两端分别缠绕在两台卷扬机上完成起升动作。变幅机构则也是两 组滑轮，一组在主门架上端横梁中间固定五个，另一组的五个在底座横梁的尾 端并且固定钢丝绳的一端，另一端经导向滑轮至变幅卷扬机，拖拉钢丝绳改变 两组变幅滑轮组的距离，从而实现桅杆的变幅动作。横移机构是由一个液压缸 推动马鞍架( 如图2 2 中部件8 所示) ，使其在摆动横梁( 如图2 2 中部件7 所 示) 上做直线运动。 2 2 1 设计要求 本论文所设计的特种起重机是应哈尔滨火电第三工程公司委托哈尔滨工程 机械制造有限公司设计制造的，他们对该桅杆起重机的主要设计要求如表2 2 所示。 哈尔滨理工大学工学硕l 学位论文 表2 2 设计要求 t a b l e2 - 2d e s i g nr e q u i r e m e n t 项目 设计要求备注 最人起重量( t )8 0 方便整机吊运到8 0 m 高的锅炉 起重机总重量( t )小于1 0 构架顶端平台安装固定 外形尺寸( m )宽度小于3 5方便道路运输 重物板梁尺寸( m ) 长15 宽1 2 高3 4这是最人板梁尺寸 柱头尺寸( m )k1 宽lx 高1 5托重机安装避让最大柱头尺寸 安装 底架平台长度( m ) 1 2 底座与构架平台安装长度 工作幅度范围( m )不小于2 5吊装剑某高度后纵向移动距离 运动水平移动范围( m ) 1 5 吊袈剑某高度后横向移动距离 2 2 2h t q s o o 门架式桅杆起重机方案选择 根据设计要求，我们设计了两种方案，一种是回转式桅杆起重机，另一种 是以人字桅杆和龙门式桅杆起重机为参考设计的门架式桅杆起重机，是它们衍 生形式的起重机。 1 牵缆式桅杆起重机方案一的回转式桅杆起重机，主要是由底座、回 转机构、主桅杆、起重桅杆、变幅机构、起升机构和卷扬机等组成。该方案最 大优势是可以回转，能够使起重机的有效工作范围得到增大，使其在有效空间 内的工作效率得到提高。大致方案示意图如图2 3 所示。 图2 - 3 回转式桅杆起重机 f i g 2 - 3r o t a r ym a s tc r a n e 2 门架式桅杆起重机方案二的门架式桅杆起重机，是参考龙门桅杆起 哈尔滨理下大学工学硕二l 学位论文 重机设计得到的。主体结构是由两副独脚桅杆用横梁连接组成的，上有揽风绳 固定位置，还有在横梁上的起吊滑轮组。这些都演变成门架式桅杆起重机的主 门架，横梁，变幅机构和起升机构等。 综合两种方案的初步设计相对比较来说，应该选则方案二。因为方案一的 设计相对方案二繁琐，制造成本过高，而且整机的总体重量已经超过了1 0 t ， 没办法满足设计要求。 2 3h t q 8 0 0 门架式桅杆起重机的运动参数 运动参数是指直接影响到机械系统工作性能的某些重要运动数据，通常是 反映到执行机构的运动上。 起重机械设计时，运动参数多是按设计经验事先给定的，再由动力设计确 定执行机构的动力参数。 对于h t q s 0 0 门架式桅杆起重机来说，运动参数主要有起升速度、变幅速 度和横移速度。其中起升和变幅是分别用两个电动卷扬机，通过钢丝绳和各自 的滑轮组控制的，而横移机构是通过液压系统控制液压缸来实现的。 1 起升速度由于起重机的最大额定起重量为8 0 t ，属于重载荷，所以起 升速度和变幅速度相对于常规起重机比较慢。 由起重机的起升高度和下降深度决定的总起升行程近9 0 m ，这也决定了起 升卷扬机卷筒的容绳量应该很大。可为了减小起升卷扬机的单绳拉力载荷，所 以综合考虑后，初步设定起升机构的为5 组滑轮，滑轮组倍率为1 0 倍率，起 升速度为2 5 m m i n ，这是为了配合吊装板梁的3 0 0 吨履带起重机的起升速度， 防止发生事故。 2 变幅速度为了起重机的安全作业和性能保障，变幅机构要尽量在无 负重载荷情况下工作，如果一定要在有负重载荷后变幅，则变幅速度应该减缓 为正常速度的一半。 该起重机的变幅速度约为2 m m i n ，因为变幅机构是使主门架围绕底座的 水平轴线转动来改变幅度值，所以变幅速度是变量，只能大致认为是2 m m i n 左右。变幅机构的变幅角是指主门架的主线与水平面的夹角，角度范围是4 5 。 至8 0 。，而起重机的最佳工作角度为6 8 。，此时起重量可达最大起重量。 3 横移速度对于该起重机，一再强调是重载工作，所以横移机构也是 负担大载荷，速度也不易过快。 横移机构是架设在与主门架相连接的摆动横梁上，靠液压缸推动和滑块支 哈尔滨理工人学工学硕 j 学位论文 撑使其在横梁的上平面上做直线运动，初步设计横移速度为0 0 5 m s ，位移范 围是横梁的内宽度2 5 m 。 2 4h t q 8 0 0 门架式桅杆起重机的动力设计 动力参数是指直接影响机械系统正常工作性能的动力数据，主要包括电动 机的功率、液压缸的输出力、液压电动机或伺服电动机的额定转矩等参数。而 且各传动件的尺寸参数，例如轴的直径、丝杠的导程和齿轮的模数等，都是根 据动力参数来进行设计和计算得到的。如果动力参数中的某项参数选定的不合 适，将导致机械系统结构尺寸过大、浪费材料和能量，或者使机械系统的刚度 与强度不足，影响机械系统的工作性能1 2 4 1 。 对于本文所研究的h t q 8 0 0 门架式桅杆起重机，为了满足机械系统的工作 性能和使用安全，对机械系统的计算过程中的安全系数略微取的偏大一些，取 为1 7 2 0 。安全系数偏大，说明起重机部分零部件的形状尺寸也要偏大，使 起重机的整机重量偏重。考虑到起重机的设计要求、运输和安装等问题，而起 重机的工作平台为8 0 m 高的锅炉构架上端，所以要将整机重量控制在1 0 t 以 内，以方便起重机的安装和转移。 对起重机进行必要的动力设计计算，是为了确保设备的正常工作、安全和 可靠。动力计算主要是零部件和机构件的强度设计计算，即机构承载能力的计 算。机构承载能力的计算，是从理论上计算并保证起重机零部件和机构件的尺 寸等参数，在设计者所预定的工作情况下和预定的寿命期内能够正常的工作。 2 4 1 起重机外载荷计算 起重机的外载荷是指作用在起重机上的外力，这些载荷主要有：起升载 荷、动载荷、风载荷、自重载荷、工艺载荷、碰撞载荷、安装和运输载荷等。 根据该起重机的工作特点，吊装载荷质量大、外形尺寸大，而且是高空作 业，所以这里只计算起升载荷，外部动载荷和风载荷，其余载荷忽略不计。 起重机的简化力学计算模型如图2 4 所示，图中觚为最大额定载荷，一 为变幅机构牵引力，尸为侧向风载荷。 哈尔滨理工人学工学硕l 学位论文 一 c 循f 、d ) r 麟 图2 4 力学模型 f i g 2 - 4m e c h a n i c a lm o d e l 2 4 1 1 起升载荷计算起升载荷就是指被起吊重物的质量，主要包括起重机 允许起升的最大有效物品质量( 即最大额定起重量) 、取物装置( 包括吊钩滑 轮组、起重横梁、抓斗、容器或吸盘等装置) 的质量、悬挂着的挠性件( 主要 指钢丝绳) 以及其他在升降过程中其辅助作用设备的质量。一般起升高度小于 5 0 m 的起升钢丝绳的质量可以忽略不计，但是该起重机工作时起升高度和下降 深度将近9 0 m ，而且是1 0 倍率的滑轮组，所以应该将其重量计入起升载荷。 该起重机的起升载荷可以表示为 圪戕= ( m e + 所z + 朋+ ，0 ) g ( 2 - 1 ) 式中：m 口为起重机的最大额定起重量，k g ：m 7 为取物装置重量，k g ；m 为辅 助设备重量，k g ；m 。为钢丝绳重量，k g ；g 为重力加速度，g = 9 8 m s 2 。 2 4 1 2 外部动载荷计算外部动载荷是指起重机各部分由于运动状态的变化 而产生的动态力。例如，当起重机从地面起吊重物时，由于重物突然受到的提 升力冲击，起升的重物以及起重机的各个部分将产生振动，从而产生附加的动 态力。所以，根据起重机的工作情况，外部动载荷大致可以分为重物突然离地 起升时的动载荷、货物摆动动载荷、机构起动时起重机承受的水平动载荷和起 重机运行通过不平道路时的冲击动载荷【2 5 j 。 对h t q 8 0 0 型门架式桅杆起重机来说，由于起重机是靠底座横梁固定在锅 炉构架顶端平台上，在吊装板梁时要求垂直起降，而且有大型履带起重机配合 吊装工作，所以只需考虑重物突然起升离地的动载荷，其余动载荷忽略不计。 起重机起吊重物离地的过程是每一次作业循环的必有环节，因此这一环节 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 所产生的动载荷是必有的工作载荷。为了简化的估算这一作业环节的动载荷， 可建立如图2 - 5 a 所示双自由度的系统模型。图2 - 5 a 中m 是起重机构对该悬挂a 点的等效重量( 即上文所提到的m z 、m 和m ，的三者之和) ，m 口是起升重量， k o 是起重机构在滑轮组悬挂点的刚度系数，毛是起升滑轮组的刚度系数。对于 系统模型，我们还可以进一步简化成如图2 - 5 b 所示单自由度的系统模型。 则单自由度系统模型的刚度系数为也，等效重量为m e ，计算式如下 晚2 燕2 丽m q g ( 2 - 2 ) 他= 1 + 半( 点) 2 = 万 陋3 ， 式中：厶为滑轮组的伸长，m ；y o 为机构在滑轮组悬挂点的静挠度，m 。 m s + l t r + m z a ) 双自由度b ) 单自由度 图2 5 系统模型 f i g 2 5s y s t e mm o d e l 设重物离地瞬间吊具的上升速度为1 1 0 ，离地后机械系统的振动可以看作是 具有初速度为v 0 的自由振动。当的运动坐标原点设在机械系统静平衡的 位置时，机械系统的初位移近似为零。于是得到机械系统的位移响应为 y = 上s i n 掰( 2 4 ) 式中：国为机械系统的固有频率，国= 机械系统的最大加速度值为 哈尔滨理丁大学t 学硕七学位论文 口1 n 戤2c o y o2 v o 起升重物的质量m q 的惯性力为 只= 戡= t , q 起升机构滑轮组的总载荷等于起升载荷与重物的惯性力之和，即 只戤= 只+ 尼= 忍 - + 式中：占为起升动载荷系数，可表示为 f = 1 + c ( 2 5 ) ( 2 6 ) l = s 尼 ( 2 - 7 ) j ( 2 8 ) 式中：吃为额定起升速度，m s ； 在起重机工作的过程中，有起升和下降两种过程。当重物下降时也会产相 应的动载荷，其简化计算的理论公式与式( 2 7 ) 相似。在此处参照起重机设 计规范g b t 3 8 1 1 - 2 0 0 8 的规定，按离地起升公式计算。 2 4 1 3 风载荷计算露天工作的起重机设计时必须要考虑风载荷，并且认为风 载荷是一种可沿任意方向吹动的水平力。对于常规起重机，只需计算风载荷的 静力作用，不必考虑风载荷的动力效应，使起重机风载荷计算得到了简化。 起重机的风载荷主要分为工作状态风载荷和非工作状态风载荷两大类。工 作状态风载荷是起重机在作业时所允许的最大风力值，是人为设计规定的定 值；非工作状态风载荷是起重机在其使用地区可能出现的最大风力值，也就是 起重机在非工作状态时所能承受的最大计算风载荷【2 6 】。 1 风载荷计算方法作用在起重机和重物迎风面上的风载荷按下式计算 昂= q f l k h c a( 2 - 9 ) 式中：q 为计算风压，n m s矽为风振系数( 对常用起重机= 1 0 ) ；k 。为 风压高度变化系数；c 为风力系数( 也称为形体系数) ；彳为机构垂直风向的 迎风面积，m 2 。 在计算起重机的风载荷时，应选取风载荷对起重机作用时受力最不利的方 哈尔滨理t 大学工学硕i j 学位论文 向，这可以确保起重机在常规状态下的安全使用。 2 计算风压风压的大小与空气密度和风速有关，计算关系式如下 g = 三2 _ o 6 2 5 v 2 ( 2 - 1 0 ) 式中：p 为空气密度，由于空气密度与大气压力、温度和湿度等因素有关，所 以此处是取在标准大气压力下、常温1 5 时的干燥空气密度为1 2 2 5 5 n m 2 ； v 为风速，m s 。 由经验可知，山顶的风压比地面的风压大。查阅有关起重机设计书籍中关 于风压计算的资料后，对于在海拔5 0 1 0 0 m 高度处工作的各种起重机，非工 作状态风压应该再增大0 5 1 倍1 2 7 j 。 3 风压高度变化系数起重机的金属结构离地面越高，风速越大，由公 式( 2 1 0 ) 可知，风压也会相应的增大。为了简化计算，我们把起重机的工作 状态风压取为定值，不再考虑高度变化系数。但是所有起重机的非工作状态风 压数值较大，须考虑高度变化系数。 起重机在任意高度的风压值以离地1 0 m 高处的风压为基准，高于1 0 m 的 高度变化系数由下式计算 = 【去) ( 2 _ l ， 式中：a 为指数，根据有关资料和理论研究得到此处口= 0 2 9 2 。 该起重机的工作高度为8 0 m ，由公式( 2 1 1 ) 可以得出玩= 1 8 6 。 1 风力系数也称为体形系数，主要与起重机结构的尺寸和形状有关。 根据起重机设计规范标准g b t 3 8 11 - 2 0 0 8 查得，该起重机所选尚未风力系 数为c = 1 3 。 2 迎风面积的计算起重机金属结构和被起吊重物的迎风面积应该按最 不利的迎风方向计算，并取垂直于风向平面的投影面积为计算迎风面积。 迎风面积按下式计算 a = 7 7 ( 4 + 4 )( 2 - 1 2 ) 式中：r 为起重机主要金属结构和重物的充实率，查阅相关的文献后，取 r = 0 8 1 0 ；4 为起重机外形轮廓在垂直于风向平面的投影面积，m 24 为 重物的外形轮廓在垂直于风向平面的投影面积，m 2 。 某些起重机和重物的结构在迎风面积计算时，还应考虑挡风折减系数，此 哈尔滨理工人学工学硕j ：学位论文 处忽略不计。 2 4 2 主要部件选择 h t q 8 0 0 型门架式桅杆起重机结构如图2 2 所示，主要包括底座、主门 架、横梁、变幅机构和起升机构等。 主门架是该起重机的主体结构，我们会在第三章中详细的计算、分析和说 明。其次的结构有变幅机构和起升机构