（机械设计及理论专业论文）基于autocad的新型系列桥式起重机设计系统.pdf

摘要 桥式起重机被广泛地应用在国民经济建设各个领域，产品已经形成多个系列，随着 经济建设的发展，用户对其性能要求越来越高。但是目前的设计工作主要依靠手工完成， 重复性劳动很大，而且国内桥式起重机的结构型式比较落后，其开发能力、产品规模和 质量与国外有相当大的差距。为了提高桥式起重机的设计水平和设计效率，改变现有的 起重机结构型式，本文提出了数字化设计桥式起重机的新方法。在吸收和借鉴国外新型 桥式起重机结构的基础上，对桥式起重机进行结构设计，并研制和开发了一套基于 a u t o c a d 的新型系列桥式起重机设计系统，该系统是在a u t o c a d2 0 0 2 平台上利用基于 a c t i v e xa u t o m a t i o n 技术的v b a 进行开发的。 根据用户输入的初始化参数，如起重量、起升高度、起升速度、跨度、工作级别、 小车轮压，主梁端梁连接形式等，系统会自动优化初主梁和端梁的截面尺寸，并对主梁 和端梁的强度、刚度和稳定性进行计算，同时绘制出主梁、端梁和桥架的部件图。最终， 系统将设计结果保存在数据库中，以供下次设计时利用。本论文的工作重点是主梁、端 梁、桥架的结构设计：设计系统的总体设计：系统数据库的创建：用户界面的设计：图 形的参数化绘制。 本文的研究对于提高桥式起重机的设计水平和设计效率，应用现代c a d c a m 技术， 增强企业对市场需求的反应速度，提升企业的竞争力具有重要的实际意义。 关键词：桥式起重机；结构设计；a u t o c a d ：v b a ：参数化 a b s tr a c t 0 v e r h e a dt r a v e l i n gc r a n e sa r ew i d e l yu s e di nm a n yf i e l d so ft h ee c o n o m i cc o n s t r u c t i o n ， a n dh a v e b e e nf o r m e di n t o m a n ys e r i e s a l o n gw i t h t h e d e v e l o p m e n to fe c o n o m v t h e c o n s u m e r sr e q u i r et h e mh a v eh i g h e rq u a l i t i e s b u tt o d a ya l m o s ta l it h ed e s i g n so fo v e r h c a d t r a v e l i n gc r a n ea r ec o m p l e t e db yh a n da n dt h e r ea r eg r e a td i s p a r i t i e sb e t w e e nh o m ea n d a b r o a di nm a n y a s p e c t ss u c h a st h ed e s i g na b i l i t y , t h ep r o d u c t s s c a l e sa n d q u a l i t i e s t oi n c r e a s e t h el e v e la n dt h ee f f i c i e n c yo fo u rd e s i g na n dc h a n g et h es t r u c t u r e so f n o w a d a y sc r a n e s 、t h i s p a p e rp r e s e n t s an e wm e t h o dt o d i g i t i z e t h e d e s i g n o fo v e r h e a d t r a v e l i n gc r a n e w i t h r e f e r e n c et ot h es t r u c t u r eo ft h ef o r e i g nn e w t y p eo v e r h e a dt r a v e l i n gc r a n e ，s t r u c t u r ed e s i g ni s d o n ea n dad e s i g ns y s t e mo fn e wt y p eo f o v 钉h e a dt r a v e l i n gc r a n ei s d e v e l o p e d ，w h i c hi s d e s i g n e di na u t o c a d 2 0 0 2s o f t w a r ee n v i r o n m e n tb vv b ab a s e do na c t i v e xa u t o m a t i o n a c c o r d i n gt o t h ep a r a m e t e r si n p u t t e db yc o n s u m c r ss u c ha s l i f t i n gl o a d ，l i f t i n gh e i g h t ， l i f t i n gs p e e d ，s p a n ，w o r kc l a s s ，w h e e ll o a da n dt y p eo fe n d c a r r i a g ej o i n t ，t h es y s t e mc a n o p t i m i z et h es e c t i o nd i m e n s i o n o f m a i n g i r d e r sa n d e n dg i r d e r sa u t o m a t i c a l l ya n d c h e c ko u tt h e i n t e n s i t y , t h er i g i d i t ya n dt h es t a b i l i t yo ft h em a i ng i r d e r sa n de n dg i r d e r s i nt h ee n d ，t h e c o m p o n e n td r a w i n g so ft h em a i ng i r d e r s ，t h ee n dg i r d e r sa n dt h eb r i d g ef r a m ea r cd r a w na n d t h er e s u l t sa r es a v e di nt h ed a t a b a s ew h i c hc a nb eu s e dn e x tt i m e t h ee m p h a s e si nt h ep a d c r a r et h eg l o b a l d e s i g no ft h es y s t e m ，b u i l d i n gs y s t e md a t a b a s e ，d e s i g n i n gu s e ri n t e r f a c e sa n d d r a w i n gp a r a m e t e r i z e d t h e s t u d yi nt h i sp a p e rh a sp r a c t i c a lm e a n i n g i ni n c r e a s i n gt h ed e s i g nl e v e la n dt h ed e s i g n e f f i c i e n c yo f o v e r h e a dt r a v e l i n gc r a n e ，i na p p l y i n gc a d c a m t e c h n o l o g y , a n d i ni m p r o v i n g t h ea b i l i t yo f p r o m p tr e f l e c t i o nt ot h em a r k e ta n d c o m p e t i t i o no f e n t e r p r i s e s k e yw o r d s ：o v e r h e a dt r a v e l i n gc r a n e ：s t r u c t u r ed e s i g n a u t o c a d ；v b a ； p a r a m e t e r i z e d 基于a u t o c a d 的新型系列桥式起重机设计系统 1 绪论 1 ，1 概论 桥式起重机是桥架型起重机的一种，它依靠起升机构和在水平面内的两个相互垂直 方向移动的运行机构，能在矩形场地及其上空作业，是工矿企业广泛使用的一种起重运 输机械。它具有承载能力大，工作可靠性高，制造工艺相对简单等优点。目前桥式起重 机产品已经形成多个系列，随着经济建设的发展，用户对其性能要求越来越高。但是目 前的设计工作主要依靠手工完成，重复性劳动很大，而且国内桥式起重机的结构型式比 较落后，其开发能力、产品规模和质量与国外有相当大的差距。当今，桥式起重机已不 再是传统意义上粗大笨重、操作复杂、维护困难的工业设备，它是将现代工业面向用户 的设计理念与世界先进技术的完美结合。塑造出体积轻巧、结构紧凑、操作简便、使用 安全、免维护等优秀特性的产品是起重机设计的目标。本文的研究工作正是为了提高挢 式起重机的设计水平和设计效率，改变现有的起重机结构形式，并且根据我国国民经济 发展的需要，大规模生产高性能、高水平的桥式起重机而提出的。 1 2 桥式起重机发展概述 1 2 1 国外桥式起重机发展动向 当前，国外桥式起重机发展有四大特征 1 、简化设备结构，减轻自重，降低生产成本 法国p a t a i n 公司采用了一种以板材为基本构件的小车架结构，其重量轻，加工方 便，适应于中、小吨位的起重机。该结构要求起升采用行星圆锥齿轮减速器，小车 架不直接与车架相连接，以此来降低对小车架的刚度要求，简化小车架结构，减轻自重。 p a t a i n 公司的起重机大小车运行机构采用三合一驱动装置，结构比较紧凑，自重较轻， 简化了总体布置。此外，由于运行机构与起重机走台没有联系，走台的振动也不会影响 传动机构。 2 、更新零部件，提高整机性能 法国p a t a i n 公司采用窄偏轨箱形梁作主粱，其高、宽比为4 3 5 左右，大筋板间 距为梁高的2 倍，不用小筋板，主梁与端梁的连接采用搭接的方式，使垂直力直接作用 于端梁的上盖板，由此可以降低端梁的高度，便于运输。 变频调速在国外起重机上已经开始应用，a b b 公司、日本富士、奥地利伊林公司已 经广泛采用。1 。该调速方案具有高调速比，甚至可达到无级调速，并有节能等优点。另 外，遥控装置用于起重机在国外也已经普遍化，特别是在大型钢铁厂已有广泛应用。 3 、设备大型化 基于a u t o c a d 的新型系列桥式起重机设计系统 随着世界经济的发展，起重机械设备的体积和重量越来越趋于大型化，起重量和吊 运幅度也有所增大，为节省生产和使用费用，其服务场地和使用范围也随之增大。 4 、机械化运输系统的组合应用 国外一些大厂为了提高生产率，降低生产成本，把起重运输机械有机的结合在一起， 构成先进的机械化运输系统。 1 2 2 国内桥式起重机发展动向 国内桥式起重机发展有三大特征： l 、改进机械结构，减轻自重 国内桥式起重机多已经采用计算机优化设计，以越提高整机的技术性能和减轻自 重，并在此前提下尽量采用新结构。如5 5 0 t 通用桥式起重机中采用半偏轨的主梁结 构，与正轨箱形相比，可减少或取消短加筋板，减少结构重量，节省加工工时。目前星 火计划提出桥架采用四根分体式不等高结构，使它在与普通桥式起重机具有同样的起升 高度时，厂房标高可下降1 5 m ；两根主梁的端部置于端梁上，用高强度螺栓连接；车轮 踏面高度因此下降，也就使厂房牛腿标高下降。在垂直轮压的作用下，柱子的计算高度 降低，使厂房基建费用减少，厂房寿命增加。 2 、充分吸收利用国外先进技术。1 起重机大小车运行机构采用了德国d e m a n g 公司的“三合一”驱动装置，吊挂于端 梁内侧，使其不受主粱下挠和振动的影响，提高了运行机构的性能和寿命，并使结构紧 凑，外形美观，安装维修方便。 电气控制方面吸收消化了国外的先进技术，采用了新颖的节能调速系统。如晶闸管 串级开环或闭环系统，调整比可达1 ：3 0 。随着对调速要求的提高，变频调速系统也将 使用于起重机上。同时，微机控制也将在起重机上锝到应用，如三峡工程6 0 0 t 坝项门 式起重机要求采用变频调速系统，微机自动纠偏，以及大扬程高精度微机监测系统。 遥控起重机的需要量随着生产发展也越来越大，宝钢在考察国外钢厂起重机之后， 提出大力发展遥控起重机的建议，以提高安全性，减少劳动力。 3 、向大型化发展 由于国家对能源工业的重视和资助，建造了许多大中型水电站，发电机组越来越大。 特别是长江三峡的建设对大型起重机的需求量迅速上升。三峡电厂需要1 2 0 0 t 桥式起重 机和2 0 0 0 t 大型塔式起重机。1 。 1 3 起重机现代设计方法概述 最初，起重机械的设计方法多采用以古典力学和数学为基础的半理论、半经验设计 方法，设计过程反复多，周期长，设计的精度差。计算机技术的广泛应用和各种现代设 计理论，如系统工程、优化工程、价值工程、可靠性工程、创造工程、入机工程等的不 断发展。促进许多跨学科的现代设计方法出现。这些新方法与起重机的结合，使起重机 基于a u t o c a d 的新型系列析式起重机设计系统 的设计进入崭新的高质量、高效率的新阶段5 。 1 、计算机辅助设计( c a d ) ”1 随着市场竞争的加剧，不仅要求缩短产品更新换代周期，而且还要求产品由原来的 单一、大批量生产模式，转向多品种、高质量、小批量生产模式。传统的人工设计方式 已经不能适应这种变化的要求。随着科技的迅速发展，已有各种性能良好的计算机硬件 及外围设备陆续问世，计算机软件技术也有很大的提高，发展了数据库技术，开发了大 量的图形软件。这些都促进了c a d 技术的发展和应用。目前美国、德国、日本等一些制 造起重机的大公司都广泛应用c a d 方法进行起重机的设计，例如德国d e m a n g 公司针对 系列桥式起重机所做的集计算机辅助设计和报价于一身的c a d 系统，用户只要在计算机 显示的桥式起重机图形菜单上作直观的基本参数选择，基本结构形式选型，计算机立即 进行设计计算和标注部件的选择。显示并打印所需的起重机总图及各主要技术参数。最 后汇集每个零部件的数量、成本、以及制造工时、运输和安装费用，进行详细报价。我 国也已开发多种起重机c a d 系统，各大中型企业也都相继采用c a d 方法进行起重机设计 计算与绘图。今后c a d 技术的应用在广度和深度方面会有更大的发展。 2 、模块化设计。1 模块化设计是起重机设计发展的方向之一。它根据模块化原则，设计一些基本模块 单元，通过不同的组合形成不同的产品，以满足用户的多种需求。起重机模块化设计以 功能分析为基础，将起重机上同一功能的基本部件、元件、零件设计成具有不同用途、 不同性能的模块，这些模块具有相同的连接要素，可以互换。选用不同模块进行组合可 形成各种不同类型和规格的通用或专用起重机。起重机采用模块化设计，不仅是一种设 计方法的改革，同时会影响到整个起重机行业的技术、生产和管理。 目前，德国、英国、法国、美国和日本的著名起重机公司都已采用模块化设计技术， 并取得了显著的效益。据资料介绍，德国d e m a n g 公司单粱起重机系列改用模块化设计 后，比单件设计的设计费用下降1 2 ，生产成本下降4 5 ，经济效益十分可观。模块化 设计在我国起重机系列设计中也有了初步应用。 3 、有限元设计 有限元设计是根据变分原理求解数学物理问题的一种数值计算方法。它能整体、全 面、多工况随意组合，进行静力、动力、线性和非线性分析，对完成复杂结构或多自由 度系统的分析十分有效。有限元设计能针对起重机实际使用结构边界条件进行定量的分 析计算，提供丰富的、反映实际工况的计算结果，并可配有丰富的动态图形显示功能。 国内外已涌现出大量有关有限元分析的成熟软件，这将促使有限元法的不断推广和应 用。 4 、优化设计 随着生产的迫切要求和科学技术的飞速发展，特别是计算机技术的发展和广泛应 用，出现了基于数学规划的近代优化方法，并得到了发展。起重机设计采用优化方法， 能根据产品要求，合理的确定和计算各项参数，以期达到最佳的设计目的，例如重量、 成本、性能等。自6 0 年代末7 0 年代初，德国、俄罗斯、美国、日本等国和我国都开展 了桥式起重机主梁优化设计，大多以重量轻为目标函数，以后又逐步扩展到桥架、零部 件和机构的优化。但由于起重枕是成系列、成批量的产品，单目标优化已不能满足设计 者的需求，如何寻求目标参数，并能兼顾多种因素的整体优化设计方法引起了世界各国 基于a u t o c a d 的新型系列桥式起重机设计系统 起重机设计者的关注。我国曾采用多级模糊综合评判方法，综合考虑起重机的性能、成 本、工艺生产管理、制造批量和使用维护等多种因素，解决了起熏机系列整体优化问题， 取得了一定的效果。 近年来，基于生命科学与工程科学相互交叉渗透的优化算法遗传算法和人工神 经网络，在优化领域中异常活跃。其应用范围几乎涉及到所有用传统优化设计方法难以 解决的优化问题，尤其适用于复杂和非线性问题，如组合优化、工程优化设计、拓扑结 构优化、系统辨议和控制、机器学习、图像处理、决策规划和人工生命的研究等。可以 预见，应用遗传算法和神经网络进行优化设计将是起重机设计的发展方向。 5 、可靠性设计 随着现代工业技术的发展，起重机的作用越来越大，功能逐渐增加，对其要求也越 来越高，可靠性问题因此而日渐尖锐。可靠性设计包括确定可靠性指标及其量值、失效 分析、可靠性分析、可靠性分配、可靠性验证等。 自7 0 年代以来，德国、美国、日本和俄罗斯等国家直接将可靠性设计理论和方法 应用于起重机的设计，许多大公司指定了可靠性的内控指标。例如俄罗斯早在6 0 年代 就开始对起重机进行故障调查，确定可靠性指标。7 0 年代将可靠性考核指标列入行业指 导性文件。1 9 8 5 年正式列入起重机产品标准。我国对起重机可靠性的研究始于8 0 年代， 目前主要用于对产品的可靠性试验、可靠性评估和失效分析，将可靠性设计列入起重机 产品设计中尚需大量的研究工作。 6 、反求工程设计 目前世界各国都充分利用国际先进科技成果并加以消化吸收，发展自己的新技术和 新产品。反求工程设计是针对消化吸收先进技术的一系列分析方法和应用技术的组合， 它通过实物或技术对已有的先进产品进行分析、研究、解剖和试验，从而了解其参数、 性能、构造和功能，掌握其关键技术、工作机理和工艺原理，以进行仿制、改进或发展 新产品。 日本非常重视引进国外先进技术，并充分运用反求工程设计方法对先进技术进行消 化、吸收和国产化，同时采用移植、组合、改造方法开发出许多创新产品。我国在引进 和消化国外起重机先进技术中也采用了反求工程设计发法，并取得了良好的效果。 7 、极限状态设计 国外8 0 年代初把概率论、数理统计、可靠性理论等学科引进到起重机设计中，出 现了以概率统计法为基础的起重机极限状态设计方法。该方法把载荷、材料性质、构件 实际尺寸等均看作基于某种概率分布的统计计算，通过大量实测与调查得到各基本变量 的分布概率及参数，然后应用概率可靠性知识，计算失效的概率( 风险大小) ，从而估计 起重机钢结构的安全度。起重机的设计从定值许用应力法发展到概率极限状态设计法是 设计理论的重大发展。 8 、动态仿真设计 起重机是在复杂工况下工作的大型结构系统，其动态性能受多种因素的影响，运动 参数与载荷不能用一个简单的数学模型描述。以往由于设计者缺乏有效的理论与工具， 所以起重机设计往往以静态设计为主，这种设计方法显然具有局限性。要准确分析起重 机的动态性能，实验是一个有效的方法，它可以实际测量起重机所承受的载荷和结构响 应。但起重机实测在产品制成以后方有可能，这样做风险大，成本高，费工费时。近年 4 基于a u t o c a d 的新型系列桥式起重机设计系统 来，国内外在起重机设计中采用了一种新方法动态仿真设计，即用计算机对机构与 结构在各种工况下承受载荷进行运行状态及随时间变化过程仿真模拟，得到仿真输出参 数和结果，以此来估计和推断实际运行的各种数据，并在对起重机进行动态分析计算时 采用。 除了这种对起重承受载荷和结构响应进行动态仿真外，还有动画仿真方法。起重机 在工作过程中会受到工作场地中许多障碍物的限制，如房屋、桥梁、树木等，如果没有 事先设计好吊装路线，可能会造成重大的损失，为了解决这一问题，国外些起重机企 业做出了模拟现实软件，可以模拟整个施工过程。 1 4 论文工作选题背景及工程实际意义 桥式起重机被广泛地应用在国民经济建设的各个领域，产品目前已经形成多个系 列。随着经济建设的发展，用户对其性能要求越来越高，同时对产品的个性要求也越来 越多样化。但是目前国内的桥式起重机结构型式比较落后，和国外同类产品相比仍有很 大差距。国内一些科研院所对桥式起重机c a d 设计系统有所研究，但大都是基于传统桥 式起重机的结构型式进行开发的，对于引进和吸收国外新型式桥式起重机产品还较少涉 及，而且这些设计系统都是基于桥式起重机的某一部分展开的，例如：太原重型机械集 团公司的“桥式起重机运行机构c a d 系统”。1 、武汉钢铁学院的“起重机零件c a d 的参 数化”n ”等。目前还没有一种完善的桥式起重机整体的c a d 设计系统，所以本课题无论 在理论上还是工程实际应用上都有其必要性。本课题是结合大连工程机械研究所的科研 工作提出和展开的，对于提高桥式起重机的设计水平和设计效率，应用现代c a d c a m 技 术，增强企业对市场需求的相应速度，提升企业的竞争力具有重要的实际意义。 1 5 论文主要工作内容 本论文主要完成如下工作任务： 1 、在借鉴和吸收国外新型桥式起重机结构的基础上，对桥式超重机主梁、端粱及 桥架进行结构设计； 2 、系统总体设计，划分功能模块及设计出系统的用户界面； 3 、创建系统数据库： 4 、完成主粱结构图的参数化设计： 5 、完成端梁结构图的参数化设计； 6 、完成桥架结构图的参数化设计： 7 、设计系统的辅助功能设计，如绘制标题栏、明细表、公差标注、形位公差标注、 表面粗糙度标注。 桥式起重机主梁、端梁截面的优化计算、载荷校核及性能分析由同组的同学完成。 基于a u t o c a d 的新型系列桥式起重机殴计系统 2 设计系统的总体设计 2 1 总体设计流程 桥式起重机的传统设计是根据桥式起重机的主要设计参数，凭借设计人员的工程经 验来完成桥式起重机总体布局、主梁、端梁选型计算、截面优化设计计算、载荷校核、 起重机性能分析等工作。当然，就桥式起重机整体而言，还应该包括小车的整体设计、 小车的运行机构没计、大车运行机构的设计及整车控制部分的设计等，这部分工作由后 续者完成，本文暂不涉及。 圈2 一l 程序整体流程图 本文所阐述的桥式起重机设计是采用计算机辅助设计( c a d ) 和优化设计相结合的 基于a u t o c a d 的新型系列桥式起重帆设计系统 现代设计方法。总体设计过程如图2 - 1 所示。 首先，用户输入系统进行设计所需要的初始化参数，如：起重量、起升高度、起升 速度、跨度、工作级别、小车轮压，小车轨距、大车运行速度、小车运行速度、主粱和 端梁连接形式等，系统自动查询数据库中的历史方案，如果存在符合条件的方案，则调 出相应的历史方案图形以供用户参考；否则，根据约束条件进行优化设计( 优化计算部 分由同组同学负责) ，然后将优化方案，提供给用户，优化方案所显示的信息包括主梁、 端梁截面尺寸，主、端粱强度、刚度和稳定性等计算结果。系统利用这些设计结果在 a u t o c a d 图形软件支持下绘制主梁、端粱、桥架部件图。如果用户对优化所得方案不满 意，可以在设计过程中可以进行人工干预，对方案进行适当地修改，然后重新校验结构 的强度、刚度、稳定性，经确定后输出图形。用户也可以在图形自动生成后结合自身的 工艺特点对结构进行修改和再设计，直到得到满意的工程图为止。最后，用户可以把工 程图以二进制流的形式存储在系统数据库中，以便在下次设计的时候直接调用或作为参 考，而不用重新设计。 2 2 桥式起重机主要技术参数的确定 起重机的技术参数表征起重机的作业能力 要技术参数有：起重量q ( t ) ，起升高度h ( m ) 、 工作级别等1 。 1 、起重量 是设计起重机的基本依据。起重机的主 跨度l ( m ) 、机构的工作速度v ( m m i n ) 、 起重机正常工作时允许一次起升的最大质量称为额定起重量，单位为吨( t ) 或千 克( 垤) 。桥式起重机的额定起重量是定值。 根据实际情况和应用的广泛性，本系统设计的桥式起重机额定起重量在5 5 0 吨的 范围内，即表2 一l 中阴影部分的值。 表2 - 1 虽大起重量系列( i s o2 3 7 4 ：1 9 8 3 ) ( t ) t a b l e2 - 1t h em a x i i f t i n gl o a ds e r i e s ( i s o2 3 7 4 ：1 9 8 3 ) ( t ) o ，1o 1 2 5o 1 6o 2 o 2 5o 3 2o 4o 5o 6 3 o 8l1 2 5 1 622 53 24 羹萋5 i 誊多3 ，一 _ | ：r 惠、葬 纂i q j 麓溪( 1 婆) 、ii i 2 5 乏寰( 1 4 ) 簧j 辫6 蓼 囊( 1 8 ) 菇”器2 q 鼍毫 。( 2 2 j )璃忿5 鬟囊二囊獭壤嚣酾2 萋。 尊( 3 毒) | 毒萼( 4 0 ) 嚣瓣4 5 ) 誊番1 5 0 二i 。，( 5 6 ) 6 3 ( 7 1 ) 8 0 ( 9 0 ) 1 0 0 ( 1 1 2 ) 1 2 5 ( 1 4 0 ) 1 6 0 ( 1 8 0 ) 2 0 0 ( 2 2 5 ) 2 5 0 ( 2 8 0 ) 3 2 0 ( 3 6 0 ) 4 0 0 ( 4 5 0 ) 5 0 0 ( 5 6 0 ) 6 3 0 ( 7 1 0 ) 8 0 0 ( 9 0 0 ) 1 0 0 0 2 、起升高度 起升高度是指从地面或轨道顶面至取物装置最高起升位置的铅垂距离( 吊钩取钩环 中心) ，单位为米( m ) 。起升高度的选择按作业要求而定，本课题所设计的桥式起重机 基于a u t o c a d 的新型系列桥式起重机设计系统 的起升高度如无特殊要求可参照表2 2 。 表2 - 2桥式起重机起升高度( m ) t a b e2 - 2l i f t i n gh e i g h t so fo v e r h e a dt r a v e l i n gc r a n e 起重量 吊钩 一般加大 ( t ) 主钩副钩主钩副钩 5 01 2 1 61 4 1 82 42 6 6 3 1 2 52 02 23 03 2 1 2 5 2 5 02 22 43 03 2 3 、跨度、轨距 大车运行轨道中心线之间的水平距离称为跨度( 工) ，小车运行轨道中心线之间的水 平距离称为轨距( ) 。桥式起重机的跨度应小于厂房跨度，如表2 3 所示。 表2 - 3桥式起重机跨度系列( g b7 9 0 6 5 ) ( m ) t a bl e2 - 3t h es p a ns e r i e so fo v e r h e a dt r a v e l i n gc r a n e ( g b7 9 0 6 5 ) ( m ) 厂房跨度 91 21 51 82 12 42 73 03 33 6 起重姑 7 5l o 51 3 51 6 51 9 52 2 5 2 5 52 8 53 1 5 起重 0 = 3 t 机跨 - 5 0 t 71 01 31 61 92 22 52 83 1 起重蜮 度 仁8 0 t1 61 92 22 52 83 13 4 2 5 0 t 4 、机构工作速度 起重机的工作速度根据作业要求而定。额定起升速度是指起升机构电动机在额定转 速或油泵输出额定流量时，取物装置满载起升的速度。起升速度和起重机的用途、起重 量大小和起升高度有关，其额定工作速度参考值见表2 - 4 。 表2 4桥式起重机工作机构速度范围 t a b l e2 - 4t h es p e e d so fw o r k i n gd e v i c e so fo v e r h e a dt r a v e l i n gc r a n e s 起升速度( m s ) 、 运行速度( m s 1 起重机类型 主起升副起升小车起重机 通用桥 a 1 、a 2o 0 1 6 旬0 50 1 3 3 - 0 1 6 5 0 0 1 6 - 0 3 3 20 5 - 0 6 5 7 式起重a 3 、a 4o 0 3 3 o 20 13 3 - 0 3 3 20 3 3 2 0 6 6 7o 6 6 7 1 5 机 a 5 、a 60 1 3 3 0 3 3 20 3 o 3 3 2 0 6 6 7 0 8 3 31 6 6 7 2 5 、工作级剐 基于a u t o c a d 的新型系列桥式起重机设计系统 划分起重机的工作级别是为了对起重机金属结构和机构设计提供合理的基础，也为 用户和制造厂家进行协商提供一个参考范围，它使起重机胜任它需要完成的工作任务 “。桥式起重机工作级别举例见表2 - 5 。 表2 - 5桥式起重机工作级别( g b3 8 1 1 8 3 ) t a b l e2 - 5v o r k i n gc l a s so fo v e r h e a dt r a v e l i n gc r a n e ( g b3 8 1 卜8 3 ) 应用场合工作级别 吊 电站安装及维修 a 1 a 3 钩 式 车间及仓库用 a 3 a 5 繁重工作车间及仓库用 a 6 a 7 + 2 3 桥式起重机的金属结构 传统型式桥式起重机的金属结构( 桥架) 主要由主梁l ( 主桁架) 、端梁2 、栏杆3 ( 副桁架) 、走台4 ( 或水平) 、轨道5 和操纵室6 ( 司机室) 等构件组成，如图2 - 2 所 示。桥架一方面支撑着可以移动的小车，另一方面可沿铺设的专用轨道运行，将起重机 承受的全部重力传递给厂房建筑结构“。 图2 - 2 传统型式的桥式起重机桥架二维图 f i g 2 - 2t w o d i m e n s i o n a ls k e t c hd r a w i n go fb r i d g ef r a m eo ft r a d i t i o n a lc r a n e s 上图为传统型式的桥式起重机桥架图，这种桥式起重机的特点为结构复杂、自重量 大、整机的高度较大，这就决定了厂房高度的增加( 如图2 3 所示，起重机高度决定了 h 。的高度，间接的决定了厂房总高h ) ，同时意味着成本的增加，安装运输也较麻烦。 基于a u t o c a d 的新型系列桥式起重机设计系统 图2 - 3 起重机高度对厂房高度的影响 图2 - 4 芬兰k o n e 公司新型式桥式起重机三维效果图 图2 4 是芬兰k o n e 公司的新型式桥式起重机三维效果图，这种桥式起重机的结构 ( 桥架) 主要由主梁、端粱组成，而取消了栏杆、走台、司机室( 依靠地面操作，免维 护设计) 等不必要的构件。这种型式起重机的起升机构的减速器外壳与小车架的一端粱 合二为一，卷筒一端与减速器相连，另一端支撑于小车架的另一端梁上。定滑轮组与卷 筒组连成一体，省去了支撑定滑轮组的撑梁，简化了小车架的整体结构。同时，小车运 行机构采用了三合一驱动装置，减轻了小车架和小车的自重。副起升机构为电动葫芦， 它置于一台车上，由主起升小车牵引。小车自重的减轻使起重机主梁截面亦随之减小， 基于a u t o c a d 的新型系列桥式起重机设计系统 因而整机的自重大幅度减轻。国内生产的7 5 2 0 t 、3 1 5 m 跨度起重机自重9 4 t ，而k o n e 公司生产的8 0 2 0 t 、2 9 4 m 跨度起重机自重只有6 0 t 。 桥式起重机的金属结构型式繁多，按主梁的数目来分，可分为单梁桥架和双梁桥架： 按其结构又可分为型钢梁式桥架、箱形结构桥架、桁架式桥架“。 型钢梁式结构的主梁一般采用工字钢或加强了的工字钢，它的运行小车一般采用电 动葫芦。这类结构简单，起重量一般较小。 箱形结构桥架是应用广泛的一种结构型式，它具有制造工艺简单、组装方便、通用 性强、利于自动焊、抗扭刚度好等优点。缺点是自重大、主梁易下挠，桥架水平刚度较 差，箱形内部施焊条件差，上翼缘板与横向加劲板之间焊缝易开裂等。随着新结构、新 工艺和现代设计方法的应用，这些缺点正逐步得以改善。 桁架式结构又分为三角形桁架式，四桁架式及空腹桁架式架构。桁架式结构较箱形 结构制造工艺复杂，费工时，难以保证各构件按规定的形心要求组装，焊接变形大。优 点是迎风面积小，自重较轻。 根据需求及应用场合的综合考虑，本系统设计的桥式起重机借鉴芬兰k o n e 公司的 新型式桥式起重机的结构型式，桥架采用双粱箱形结构型式。 2 3 1 箱形结构双梁桥架 箱形结构双梁桥架根据小车轨道在主梁上的布局可分为：正轨箱形双梁桥架、半偏 轨箱形双梁桥架和全偏轨箱形双梁桥架“，如图2 5 所示。 1 、正轨箱形梁结构图2 - 5 ( a ) ： 桥架主梁的主要构件是上、下盖板和两块垂直腹板。起重机小车的轨道固定在上盖 板的中间。为了保证上盖板和垂直腹板受载时具有足够的稳定性，箱形主梁的内部焊有 大、小垂直加劲板和水平加劲角钢。为了减轻自重且制造方便，主梁和梁端的下面做成 斜面。 正轨箱形梁结构与四桁架结构相比，具有主梁高度小，与现代建筑协调、可采用自 动焊、适于成批生产等优点，但是根据我国使用经验来看，它还存在以下缺点：主梁容 易产生下挠度；主梁内部上盖板与垂直加劲板之间焊缝有开裂现象，并且难以发现和维 修；箱体内施焊条件不好；当用于大跨度、高速度运行的起重机时，桥架的水平刚性较 差。为了克服正轨结构的这些缺点，减轻自重，提高使用性能，国内外已研制出多种偏 轨箱形结构。 2 、半偏轨箱形梁结构图2 - 5 ( b ) ： 半偏轨箱形双梁桥架的主梁上盖板兼作走台，小车轨道采用半偏轨布置方式，省去 了正轨箱形梁为支承而设置的短隔板和大量的焊缝，减少了制造中的焊接变形和板的波 浪变形。 3 、偏轨箱形梁结构图2 - 5 ( c ) ： 偏轨箱形双粱桥架由两根偏轨箱形梁和两根端梁构成。由于轨道不在上盖板的正中 间，置于对着主腹板的上盖板上，它省去了支承轨道而设的短加劲板，不过横向加劲板 稍密，需增设三角形筋板。根据主梁高宽比可分为两种： 基于a u t o c a d 的新型系列桥式起重机设计系统 1 ) 窄翼缘偏轨箱形梁( b = ( 0 4 - 0 5 ) h ) 截面参数与正轨箱形梁类似，它适用于小起重 量的超重机。 2 ) 宽翼缘偏轨箱形梁( b = ( 0 6 - 0 8 ) h ) 截面参数与偏轨箱形梁单主梁类似，它适用 于大起重量的起重机。 偏轨箱形结构主梁的主要优点是“”：最大限度地减少了桥架的辅助构件，与正轨箱 形结构主梁相比，其重量轻，小车轨道由连续梁支承转为弹性梁支承，由于箱体内的短 加劲板大为减少，从而减小了偏轨箱形结构因焊接引起的形变，有利于提高主梁的制造 质量和生产率。 ( b )( c ) 图2 5 箱形结构双梁桥架主梁型式 ( a ) 正轨箱形梁；( b ) 半偏轨箱形梁；( c ) 偏轨箱形粱 f i g 2 - 5b o xt y p em a i ng i r d e ro fd o u b l eg i r d e rb r i d g ef r a m e ( a ) b o xg i r d e rw i t hc e n t r a lr a i l ( b ) b o xg i r d e rw i t hh a l fb i a sr a i l ( c ) b o xg i r d e rw i t hb i a sr a i l 本系统设计的桥式起重机主梁采用偏轨箱形梁结构，轨道采用方轨。 2 3 2 主梁端梁的连接形式 主梁与端梁的连接通常有两种方式“”：一种为加连接板用焊接的办法连接，桥架的 运输分割位置在端梁中间区段，接头处的下盏板用连接板螺栓联接，侧面与顶面用角钢 法兰联接( 如图2 6a 所示) ，其优点是制造简单，装拆方便，成本低。另一种是主粱 与端梁用螺栓连接( 如图2 6b 、c 所示) ，这样整个桥架分割为主、端梁各两根，简 称“四梁结构”，其优点是主、端梁可以分别批量生产后进行组装，加工过程和库存所 占面积大为减少，运输方便，费用也比整体运输低，这种连接方式被日益广泛地采用。 螺栓连接有两种方式： 基于a u t o c a d 的新型系列桥式起重机设计系统 l 、主梁与端梁侧面连接 为保证连接的可靠性，连接处常有减载措旌，对没有减载凸缘措施的嫘栓连接，用 户装配调整好后，将主、端梁焊牢，由焊缝受力。 2 、主梁与端粱搭接 水平面内的弯矩作用会使接触面相对转动，一般需由一挡块来平衡此力矩。也可由 螺栓压紧接触面来平衡。 本系统设计的桥式起重机主梁与端梁的连接型式采用后两种形式，即用螺栓连接的 侧面连接和搭接，用户可从其中任意选择。 ( a )( b )( c ) 图2 6 主梁与端粱连接形式 ( a ) 焊接；( b ) 螺栓连接一侧面连接：( c ) 螺栓连接一搭接。 f i g ，2 - 6e n d c a r t i a g ej o i n t s ( a ) w e l d i n g ( b ) s i d e j o i n to fs c r e w i n g ( c ) u p j o i n to fs c r e w i n g 2 4 主梁的构造和主要尺寸的确定 箱形主梁的主要构件是上盖板、下盖板和两块垂直腹板。如果为了减轻自重做成等 强度梁，则腹板的下边和下盖板应做成抛物线形，但是通常为了制造方便，腹板中部为 矩形而两端做成梯形，同时使下盖板两端向上倾斜。这时梯形高度取为“3 1 ( 图2 7a 、b ) ，t 、 c = i 三一l ( 2 1 ) 5l o 一般c 等于2 3 m 。 主梁在跨度中部的高度h ，根据起重机桥架刚度的要求和制造的经验，一般按照l 的大小取如下值： 户 一iijjiijji 面铲 基于a u t o c a d 的新型系列桥式起重机设计系统 ：f 上土k l 1 41 8 j ( 2 - 2 ) 当小跨度时取较大值，大跨度时取较小值，在相同跨度下，大起重量又比小起重量的高 度取得大一些。 b ) _ 一i ! ：上一一一j 图2 7 箱形主梁的构造图 卜上盖板：2 一下盖板：3 一腹板：4 一大加劲板：5 一水平加劲角钢 f i g 2 - 7b o xt y p em a i ng i r d e r l - u p p e rc o v e rb o a r d2 n e t h e rc o v e rb o a r d3 s i d e - b o a r d s 4 c l a p b o a r d s5 h o r i z o n t a la n g l ei r o n s 主梁在端梁联结处的高度h 。可取 日。= ( o 4 0 6 归( 2 - 3 ) 当跨度较大而起重量较小时，h o 宣取较小值，否则取较大值。 两腹板的厚度6 一般在偏轨箱形主梁中可以取不同。上下盖板的厚度6 。常取同值， 但有时上盖板可比下盖板稍厚一些。这些板厚的值与起重量有关。 为了保证桥架具有足够的水平刚度，主梁两腹板内壁的间距b 不能太小，一般规定 为： 基于a u t o c a d 的新型系列桥式起重机设计系统 6 旦且6 量( 2 4 ) 35 0 同时，根据焊接施工条件的需要，这个距离还必须大于3 5 0 r a m 。当b 确定后可以按下面 的关系定出上、下盖板的宽度b ： b = b + 2 ( 6 + 1 0 ) r a m ( 手工焊) b = b + 2 ( 6 + 2 0 ) m m ( 自动焊) 从充分发挥材料的抗弯能力的角度看，主梁的腹板应尽量取高些、用薄些，而上、 下盖板可以用厚些。但是考虑到运输和制造过程的碰撞以及锈蚀的影响，腹板的厚度不 应该小于6 m m 。在箱形主梁中腹板的高度与厚度的比值h 6 通常达到1 8 0 2 4 0 。 为了保持腹板的局部稳定性，一般h 6 ) 7 0 时，便需要在主梁腹板内布置一些垂 直的横向加大劲板。在靠近端梁处两块加劲板的距离a 。h ；而在跨中为a = ( 1 5 2 ) h ， 且a = 卜2 2 m 。若梁宽较大，横向加劲板中部可开孑l ，但是应保证b ，( h 3 0 + 4 0 ) m m ，加劲 板厚度不应小于1 1 5 b ，。 当h 6 ) 1 6 0 时，必须在离上盖板( o 2 o 2 5 ) h 的地方再添设纵向加劲板条( 或角 钢) ，以增加腹板受压缩区的局部稳定性，当小加劲板和纵向加劲角钢同肘存在时，可 以适当减小加劲板的高度，并使纵向加劲角钢焊在小加劲板的下边( 图2 7c 中5 ) 。 2 5 桥架结构设计原则 在设计桥式起重机的桥架结构时，必须满足以下基本要求“： l 、桥架的强度和刚度要足够。要保持桥架的强度，就必须使计算准确和主、端粱 截面尺寸选择恰当；要保证桥架的整体刚性，就不仅要求主、端梁的刚度必须大一些外， 而且要求主、端粱之间的连接要十分牢固。 2 、桥架自重要尽可能减轻，因为桥架是超重机最沉的一部分，桥架重量的减轻具 有很大的经济意义。但是，也不能片面追求重量而影响使用可靠性和整机的工作性能。 3 、作为系列产品设计时，应尽可能做到减少桥架结构各部