20073006064_陆冰_LH10电动葫芦双梁起重机设计.docx

1 前言1.1 起重机的发展历史中国古代灌溉农田用的桔是臂架型起重机的雏形。14世纪，西欧人开始使用人力和畜力驱动的转动臂架型起重机。19世纪的前期，桥式起重机出现；轴、齿轮和吊具等起重机的重要磨损件开始采用金属材料制造，并开始采用水力驱动。19世纪后期，水力驱动的起重机逐渐被蒸汽驱动的起重机所取代。20世纪20年代开始，由于电气工业和内燃机工业迅速发展，以电动机或内燃机为动力装置的各种起重机基本形成并开始发展1。电动葫芦起重机是工业生产中厂房中使用较多的起重设备之一，有单梁、双梁等不同结构机型，随着各种吨位电动葫芦产品系列化的发展，通过利用电动葫芦代替起重机中的卷扬机构，欧洲，日本等国家早已利用这种新式提升机构代替原先的双梁起重机，形成了新的双梁桥式起重机系列。较有代表性的是芬兰的kone公司和德国demag公司产品2。70年代末80年代初，由一机部委托武汉起重机厂、武汉钢铁学院开发了lh型电动葫芦双梁起重机系列产品。该系列在一定程度上简化了桥式起重机的结构，降低了机器重量，节省了机器成本。它吸收了国外同类产品的优点，但由于受传统设计思想的局限，桥架结构仍然过于庞大复杂，而且由于电动葫芦置于主梁顶部的小车之下，占用空间高度h仍然较大3。随着大起重量的电动葫芦的发展，葫芦双梁桥式起重机也开始兴起，在国外（如西德、芬兰、日本、英国）早已形成系列，并且广泛推广使用。然而在我国桥式类型起重机系列型谱中仍然是一项空白。为了适应我国社会主义建设发展的需要，武汉起重机厂受命于1974年研制成功一台20吨、跨度为13.5米的电动葫芦双梁起重机。各级主管部门都十分重视和支持它的问世，随后武汉起重又研制出10台520吨，跨度不同的电动葫芦双梁起重机，经武汉钢铁学院对其进行电测试验，证明其性能非常良好，强度、刚度十分符合设计要求，工业运转情况完全合乎需要。1977年由一机部重型矿山机械总局发文组成了以武汉钢铁学院、武汉起重机厂为主的联合设计组，进行了产品系列化的设计。现以完成6种跨度为7.5米、10.5米、13.5米、16.5米、19.5米、22.5米，四种吨位为5吨、10吨、20/5吨、32/10吨，48种排列组合系列产品的设计任务，并已批量生产4。1.2电动葫芦双梁起重机的发展和研究现状目前国际上的电动葫芦双梁起重机最具有代表性的产品应该为德国德马格起重机有限公司生产的系列电动葫芦起重机，电动葫芦起重机正朝着安全、可靠、高效、免维护和智能化的方向发展。电动葫芦双梁起重机的更新和发展往往取决于电动葫芦的升级与进步，而电动葫芦在很大程度上取决于电气传动与控制的改进。将机械技术和电子技术相结合，将想进的计算机技术、微电子技术、电力电子技术、光缆技术、液压技术、模糊控制技术应用到机械的驱动和控制系统，实现电动葫芦的自动化和智能化。在结构方面，国外的钢丝绳电动葫芦，多为方形结构设计，既美观而且便于安装、运输，还能很好的适应模块化设计，便于基型的组合和变换，大大拓宽了电动葫芦的使用范围。国外电动葫芦滑轮组结构及倍率组合方式多样，安装方式除悬挂与固定式外，还有低净空安装、双吊点形式及其他特殊用途的钢丝绳电动葫芦。而我国电动葫芦在这些方面基本是空白5。国内各起重机厂家在国外先进生产的冲击下也纷纷起技术革新之路，在电动葫芦控制技术方面也有了长足的进步，但与国外的电动葫芦控制技术相比还有较大的技术差距，尤其是在防爆葫芦控制技术上，与国外差距更大，国内仍然停留在继电器接触控制的水平上，急需要提高控制水平来提高国内电动葫芦双梁起重机的整体水平和国际竞争力6。电动葫芦双梁起重机的研究，现在已经非常成熟，各个部件都已经有了成熟的选择，已经形成了模块化。各个不同的模块相互组合可以组成可以满足不同要求的起重机。但科技永无止境，随着电动葫芦的升级，控制系统的升级，电动葫芦双梁起重机也在不断升级，已经初步实现自动化和智能化 14。1.3 起重机的发展趋势物料搬运距今已经有五千多年的发展历史，已经变成人类生产活动中的重要组成部分。随着自动化程度的提高，生产规模的扩大，作为物料搬运重要设备的起重机械在现代化生产过程中作用愈来愈大，应用越来越广，对起重机的要求也越来越高。起重机正经历着一场前所未有的巨大变革。（1）用模块化设计代替传统的整机设计方法，将起重机上功能基本相同的构件、部件和零件制成有多种用途，有相同联接要素和可互换的标准模块，通过不同模块的相互组合，形成不同类型和规格的起重机7。（2）由于工业生产规模的不断扩大，生产效率日益提高，以及产品生产过程中物料装卸搬运费用所占比例逐渐增加，促使大型或高速起重机的需求量不断增长。起重量越来越大，工作速度越来越高，并对能耗和可靠性提出更高的要求。起重机已成为自动化生产流程中的重要环节。起重机不但要容易操作，容易维护，而且安全性要好，可靠性要高，要求具有优异的耐久性、无故障性、维修性和使用经济性8。（3）起重机的更新和发展，在很大程度上取决于电气传动与控制的改进。将机械技术和电子技术相结合，将先进的计算机技术、微电子技术、电力电子技术、光缆技术、液压技术、模糊控制技术应用到机械的驱动和控制系统，实现起重机的自动化和智能化9。（4）在起重机单机自动化的基础上，通过计算机把各种起重运输机械组成一个物料搬运集成系统，通过中央控制室的控制，与生产设备有机结合，与生产系统协调配合10。（5）有相当批量的起重机是在通用的场合使用，工作并不很繁重。这类起重机批量大、用途广，考虑综合效益，要求起重机尽量降低外形高度，简化结构，减小自重和轮压，也可使整个建筑物高度下降，建筑结构轻型化，降低造价。因此电动葫芦双粱起重机和梁式起重机会有更快的发展，并将大部分取代中小吨位的一般用途双粱起重机11。（6）结构方面采用薄壁型材和异形钢、减少结构的拼接焊缝，提高抗疲劳性能。采用各种高强度低合金钢新材料，提高承载能力，改善受力条件，减轻自重和增加外形美观。双粱起重机的桥架结构型式大多采用箱形四梁结构，主梁与端梁采用高强度螺栓联接，便于运输与安装12。 在机构方面进一步开发新型传动零部件，简化机构。“三合一”运行机构是当今世界轻、中级起重机运行机构的主流，将电动机、减速器和制动器合为一体，具有结构紧凑、轻巧美观、拆装方便、调整简单、运行平稳、配套范围大等优点。在电控方面开发性能好、成本低、可靠性高的调速系统和电控系统，发展半自动和全自动操纵。采用机电仪液一体化技术，提高使用性能和可靠性，增加起重机的功能。今后会更加注重起重机的安全性，研制新型安全保护装置。重视司机的工作条件，应用人体工程学设计司机室，降低司机的劳动强度。模糊控制作为新的控制方法已引人注目13。2电动葫芦双梁起重机的总体设计 电动葫芦双梁起重机是一种新型起重机，通过用电动葫芦代替传统双梁吊钩起重机的卷扬机构作为提升机构，其优点是体积小，自重轻，便于维护与维修。电动葫芦双梁起重机的设计，我主要通过起升机构的设计、小车运行机构的设计与大车运行机构的设计三个方面来进行。2.1 电动葫芦双梁起重机的总体布置2.1.1桥架电动葫芦双梁起重机（见图2.1）以半偏轨箱形主梁桥架为主体，将电动葫芦置于小车上代替卷扬机构，大、小车运行机构皆采用三合一驱动装置。桥架由两根主梁和两根端梁用螺栓联接构成完整框架，传动侧布置栏杆和检修走台，电缆导电代替滑线导电，电缆导电侧不加走台和栏杆。桥架总的设计原则是把桥架结构中的非受力构件（滑线角钢、走台等）节约下来的材料用于受力构件（主梁），以提高主梁的刚度和强度。电动葫芦双梁起重机桥架的主梁和端梁全都采用箱形截面，主梁用板材拼接，端梁为直接压制成型。主梁和端梁通过焊接相连，在电动葫芦双梁起重机的设计中，我们选择一接一搭式和对接形式 4。1-电气机构 2-葫芦小车机构 3-大车运行机构4-起重机桥架图2.1 电动葫芦双梁起重机整体结构2.1.2大车运行机构由于电动葫芦双梁起重机自重比较轻，并且其大车运行速度低于普通双梁桥式起重机的大车运行速度，因此其运行结构可以做到结构紧凑。因此我采用由电动机、减速器、制动器等主要部件组成的三体合一的运行部件（简称三合一）。这种三合一部件（见图2.2）体积小、重量轻，装在端梁或轴承箱上并脱离走台，运行机构不受走台变形和主梁下挠带来的影响。三合一成组性好，运转可靠、装配方便5。图2.2三合一制动器2.1.3车轮组结构在机械结构中，轴毂链接的形式有很多，如键联接、花键联接、过盈配合联接等都被广泛采用。在我的系列设计中，对车轮与轴的联接直接采用了圆锥面无键连接。它的优点有结构相对简单，对中性较好，承载能力大，能够避免由于键槽引起的应力集中，并且装拆容易6。2.1.4葫芦小车电动葫芦双梁起重机的小车采用半偏轨式布置。葫芦小车（见图2.3）的设计是该产品设计工作中的核心部分，它的特点是选用配套电动葫芦代替卷扬装置作起升机构7。图2.3电动葫芦1 被动车轮组 2 3t电动葫芦 3 螺栓 4 螺母 5 垫圈6 10t电动葫芦 7 螺栓 8 螺母 9 垫圈 10 缓冲器2.1.5电机和电控设备起升电机由对应配套的电动葫芦确定，其功率范围为7.5-30kw。运行电机选用yzsr系列或zdy型系列，其功率范围0.8-5kw。3大车运行机构的设计 电动葫芦双梁起重机的大车运行机构，是带动电动葫芦小车机构在厂房内做前后运动的机构，以达到将物料转移的目的。在大车运行机构的设计中，必须考虑到葫芦小车的自重、起重机的起重量和起重机的自重，然后参考大车运行机构的运行速度再进行车轮与轨道、电动机，减速器、制动器的选择。3.1主要设计参数起重机起重量：q=100kn桥架跨度：l=10.5m大车运行速度：v=30m/min起重机估计重量：g=9960kg=96.6kn小车的重量:g=40kn3.2确定传动方案由于电动葫芦双梁起重机的自重轻，并且其大车运行速度低于普通双梁桥式起重机，因此可以将其运行机构中的电动机、减速器、制动器等主要部件组成运行部件。简称三合一机构，作到结构紧凑。 这种三合一部件重量轻、体积小，脱离走台装在端梁或轴承箱上，运行机构不受走台变形和主梁下挠带来的影响。三合一成组性好，装配方便、运转可靠1。3.3计算大车的最大轮压和最小轮压满载时的最大轮压： p=74.15kn (3.1)空载时的最大轮压： p=31.29kn (3.2)空载时的最小轮压： p=17.36kn (3.3)式中的e为主钩中心线离端梁的中心线的最小距离e=1.5m车轮踏面疲劳计算载荷： p=55.22kn (3.4)因此选择车轮直径d=500mm3.4运行阻力计算摩擦总阻力距 m (3.5)查表得d=500mm车轮的轴承型号为22220，轴承内外径的平均值为140mm，滚动摩擦系数k=0.0006，轴承摩擦系数u=0.02，附加阻力系数=1.5,带入上式中：3.4.1当满载时的运行阻力距 m= (q+g)(k+)=589.8n (3.6)运行摩擦力 p=2359.2n (3.7)3.4.2当空载时的运行阻力距 m=g(k+u)=289.8 n (3.8) p=1159.2n (3.9)3.5选择电动机3.5.1电动机的静功率 n=0.66kw (3.10)式中p= p满载运行时的静阻力初选电动机的功率n=kn=0.86kw式中，k电动机功率增大系数，查得k=1.3因此，根据产品目录表选择电动机类型为yzpey2200-4/2.22，n=1.5kw，n=925r/min，g=65kg，(gd)d=0.1105kgm3.5.2验算电动机的发热功率条件等效功率 ： n=k=0.64kw (3.11)由此可知n n（电机功率），故初选电机发热条件通过。3.6减速器的选择车轮的转速： n=38.2r/min (3.12)机构传动比 i=24.2 (3.13)因此选择zq-250-2型减速器，i=31.5，n=1.9kw13.7制动器的选择取制动时间t=5s按空载计算动力矩，令q=0，得 m (3.14)式中 m=-4.14 (3.15) p=0.002g=193.2n (3.16) p=772.8n (3.17)m=2为制动器的台数，两套驱动装置工作。m=7.58nm由起重机课程设计手册选择制动器y-200/23，其制动转矩m=112 nm134小车运行机构的设计 电动葫芦小车运行机构，是带动起升电动葫芦做横向运动的机构，通过它来完成起升机构的左右移动。我通过小车装载的电动葫芦的起重量，以及自身的重量还有小车的运行速度，来进行车轮与轨道、电机、减速器、制动器等的选择与设计，最终是小车达到要求。4.1主要设计参数：起重量：10t/3t小车运行速度：20m/min小车估计自重：4000kg4.2小车运行机构的传动方案由于电动葫芦双梁起重机的自重轻，并且其小车运行速度低于普通双梁桥式起重机，因此可以将其运行机构中的电动机、减速器、制动器等主要部件组成运行部件。简称三合一机构，作到结构紧凑。 这种三合一部件重量轻、体积小，脱离走台装在端梁或轴承箱上，运行机构不受走台变形和主梁下挠带来的影响。三合一成组性好，装配方便、运转可靠。44.3选择车轮与轨道车轮最大轮压：假设轮压分布均匀 p=35000n (4.1)车轮最小轮压： p=10000n (4.2)因此查起重机课程设计手册得，当运行速度1.6，工作级别为中级时，车轮直径d=350mm，轨道型号为18kg/m（p18）的许用轮压为3.49t=p=3.5t。根据gb/4628-84规定，直径系列为d=250,315,400,500,630mm，故选定车轮直径为d=315mm。134.4电动葫芦小车运行阻力计算摩擦阻力距 m (4.3)查起重机课程设计手册得，由d=350mm车轮组的轴承型号为7518，据此选d=315mm车轮组轴承亦为7518，轴承内外径的平局值d=125mm，还查得滚动摩擦系数k=0.0005，轴承摩擦系数u=0.02，附加阻力系数=2.01因此m=490nm运行摩擦阻力 p=3111n (4.4)当空载时 m=g（k+u）=140 nm (4.5) p=888.9n (4.6)4.5电动机的计算与选择电动机静功率 n=1.16kw (4.7)式中p满载时的静阻力= p 机构传动效率 m驱动电机台数初选电动机功率n=k=1.334kw因此查起重机课程设计手册选择电动机zdy22-4/1.52型电动机。n=1.5kw，n=925r/min，g=65kg，(gd)d=0.1105kgm由于电动葫芦小车运行速度低，利用等级和载荷状态都不高，所以运行电机一般不必验算过载和发热。134.6减速器的计算与选择车轮转速 n=22.2r/min (4.8)机构传动比 i=41.67 (4.9)因此选用zsc-600-2型减速器，i=46.7,n=11.5kw4.7制动器的计算与选择对于小车运行机构制动时间t34s，取t=3s，因此需要制动力矩 m=8.95nm (4.10)由起重机课程设计手册选择制动器ywz-200/23,，其制动转矩m=112 nm135起升机构的设计 电动葫芦双梁起重机的起升机构，是利用电动葫芦代替传统双梁起重机的卷扬机构作为提升机构。这种改变，使得起重机的提升机构结构变的更加紧凑，重量同样减轻，并且便于维护与维修。我进行的起升机构的设计，是通过钢丝绳、吊钩、滑轮组、卷筒、电动机、减速器和制动器的计算与选择进行的。最终保障起重机的起升机构能够达到起升要求。5.1起升机构的设计参数主要参数：起重量：10/3t起升高度：12m起升速度：7/8m/min5.2吊钩的选用 (5.1)5.3 钢丝绳的选用5.3.1 钢丝绳最大静拉力的计算钢丝绳的最大静拉力： (5.2) (5.3)q额定起重量吊钩组质量m滑轮组倍率滑轮组效率5.3.2钢丝绳的选择：查表得，中级工作类型（工作级别m5时），安全系数n=5.5。钢丝绳的破断拉力 =n=5.517.52=96.36kn (5.4)所以，选择钢芯钢丝绳611w+fc，钢丝公称抗拉强度1670mp，直径16mm，则钢丝绳最小破断拉力=116.5kn5.4卷筒基本参数和强度计算5.4.1卷筒最小直径的确定为确保钢丝绳具有一定的使用寿命，卷筒的直径应该满足： d（e-1）d (5.5)对于中级工作类型的桥式起重机，一般e=25 d（25-1）16=384 (5.6)故选用d=400mm5.4.2 卷筒相关尺寸确定电动葫芦卷筒绳槽采用浅槽槽距t=d+(12)=16+2=18mm绳槽半径r=0.55d=160.55=8.8mm槽深h=0.28d=0.2016=4.48mm圆角r=0.51.5mm绳槽圈数 z=+z (5.7)z绳槽圈数h起升高度q滑轮组倍率z安全圈，一般取z=2 =d+d=416 (5.8) z=4.75 (5.9)5.4.3卷筒长度和厚度计算（双联卷筒结构）长度 l=2（l+ l+ l）+ l (5.10)其中 l=（+ z）l=262.5 (5.11) l=2r=55.264 (5.12)l 、l为空余部分和固定钢丝绳所需要长度，l= l=3t=318mm=54mml为卷筒左右绳槽之间的部分长度 l= l-2htga=415-213000.1=155mm (5.13)其中l为吊钩组两侧滑轮绳槽中心线之间的距离l=415mmh为当吊钩滑轮组位于上部分极限位置时，卷筒轴和滑轮轴之间的距离h=1300mma为卷筒上绕出的钢丝绳分支相对于铅垂线的允许偏斜角，取tga=0.1因此卷筒长度l=2（262.5+542）+155=896mm验公式确定h=0.02d+（610）=17mm取h=20mm 5.4.4卷筒转速 n=16.02r/min (5.14)5.5电动机的选择与校验按起升载荷，额定起升速度和起升机构的效率计算起升电机净功率 n= (5.15)其中，n 电动机净功率 v起升速度7m/min q 起升载荷力10300n 起升机构总效率0.90因此n=13.03kw电动机原则满足nk n其中k为起升机构按净功率初选电机的系数，因jc%=40，取k=0.60n=7.8kw，查电动机产品目录表，选用电机型号zd51-4/13，功率n=13kw，转速n=735r/min。电动葫芦起重机因起重量低，利用等级和载荷状态都不高，所以起升电机一般不必验算过载和发热。5.6起升减速器的计算与选择5.6.1起升机构传动比计算：传动系统的总速比为电动机额定转速与卷筒转速之比。卷筒转速： n=16.02r/min (5.16)传动比总速比按下式计算： i=44.8 (5.17)故选择zq-500-i-3ca减速器5.7制动器的设计计算制动器装在高速轴上，其制动力矩应满足： mkm (5.18)式中，k为制动安全系数，中级类型k为1.75m为满载时制动轴上的静力矩； m=14.35kgm (5.19) km=251.13nm (5.20)故选择ywz-315/23型制动器，其制动转矩m=180280nm，制动轮直径d=315mm，制动器质量g=44.6kg135.8起动时间验算5.8.1起动时间验算 t= (5.21)式中n为电动机转速，n=725r/minv为起升速度，v=7m/min=0.1167m/s为起升机构总效率， =0.9k为考虑其他转动件飞轮矩影响系数，换算