桥式起重机设计毕业论文.doc

2011届机械设计制造及其自动化专业毕业设计桥式起重机设计毕业论文目 录1 绪论11.1 桥式起重机的介绍11.2 桥式起重机设计的总体方案31.2.1主梁和桥架的设计41.2.2端梁的设计42 大车运行机构的设计42.1 设计的基本原则和要求42.1.1机构传动方案42.1.2大车运行机构具体布置的主要问题52.2 大车运行机构的计算52.2.1确定机构传动方案52.2.2大车车轮与轨道的选择及其强度校核62.2.3运行阻力运算82.2.4选择电动机82.2.5验算电动机的发热条件92.2.6减速器的选择92.2.7验算运行速度和实际所需功率 92.2.8验算起动时间102.2.9起动工况下校核减速器功率112.2.10验算启动不打滑条件112.2.11选择制动器132.2.12选择联轴器132.2.13浮动轴的验算142.2.14缓冲器的选择163 桥架结构的计算173.1 主要尺寸的确定173.1.1大车轮距173.1.2主梁高度173.1.3端梁高度173.1.4桥架端部梯形高度173.1.5主梁腹板高度173.1.6确定主梁截面尺寸173.1.7加劲板的布置尺寸183.2 主梁的计算193.2.1计算载荷确定193.2.2主梁垂直最大弯矩193.2.3主梁水平最大弯矩193.2.4主梁的强度验算203.2.5主梁的垂直刚度验算223.2.6主梁的水平刚度验算223.3 端梁的计算233.3.1计算载荷的确定233.3.2端梁垂直最大弯矩233.3.3梁的水平弯矩233.3.4端梁截面尺寸的确定243.3.5端梁的强度验算243.4 主要焊缝的计算243.4.1端梁端部上翼缘焊缝243.4.2端梁端部下翼缘焊缝273.4.3主梁与端梁的连接焊缝273.4.4主梁上盖板焊缝274 基于软件PRO/ENGINEER的三维造型结构设计28 4.1 三维软件PROE的简介28 4.2 三维制图的简要过程28 4.2.1大车结构的三维设计28 4.2.2小车结构的三维设计30 4.2.3整车装配31 结束语 33 参考文献 34致谢351 绪论1.1 桥式起重机的介绍中国古代灌溉农田用的桔是臂架型起重机的雏形。14世纪，西欧出现了人力和畜力驱动的转动臂架型起重机。19世纪前期，出现了桥式起重机；起重机的重要磨损件如轴、齿轮和吊具等开始采用金属材料制造，并开始采用水力驱动。19世纪后期，蒸汽驱动的起重机逐渐取代了水力驱动的起重机。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。起重机主要包括起升机构、运行机构、变幅机构、回转机构和金属结构等。起升机构是起重机的基本工作机构，大多是由吊挂系统和绞车组成，也有通过液压系统升降重物的。运行机构用以纵向水平运移重物或调整起重机的工作位置，一般是由电动机、减速器、制动器和车轮组成。变幅机构只配备在臂架型起重机上，臂架仰起时幅度减小，俯下时幅度增大，分平衡变幅和非平衡变幅两种。回转机构用以使臂架回转，是由驱动装置和回转支承装置组成。金属结构是起重机的骨架，主要承载件如桥架、臂架和门架可为箱形结构或桁架结构，也可为腹板结构，有的可用型钢作为支承梁。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。桥式起重机的桥架沿铺设在两侧高架上的轨道纵向运行，起重小车沿铺设在桥架上的轨道横向运行，构成一矩形的工作范围，就可以充分利用桥架下面的空间吊运物料，不受地面设备的阻碍。 桥式起重机广泛地应用在室内外仓库、厂房、码头和露天贮料场等处。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。 普通桥式起重机一般由起重小车、桥架运行机构、桥架金属结构组成。起重小车又由起升机构、小车运行机构和小车架三部分组成。 起升机构包括电动机、制动器、减速器、卷筒和滑轮组。电动机通过减速器，带动卷筒转动，使钢丝绳绕上卷筒或从卷筒放下，以升降重物。小车架是支托和安装起升机构和小车运行机构等部件的机架，通常为焊接结构。起重机运行机构的驱动方式又可以分为两类：一类为集中驱动，即用一台电动机带动长传动轴驱动两边的主动车轮；另一类为分别驱动、即两边的主动车轮各用一台电动机驱动。中、小型桥式起重机较多采用制动器、减速器和电动机组合成一体的“三合一”驱动方式，大起重量的普通桥式起重机为便于安装和调整，驱动装置常采用万向联轴器。 从结构上来说起重机(crane)运行机构一般只用四个主动和从动车轮，如果起重量很大，常用增加车轮的办法来降低轮压。当车轮超过四个时，必须采用铰接均衡车架装置，使起重机的载荷均匀地分布在各车轮上3。 桥架的金属结构由主梁和端梁组成，分为单主梁桥架和双梁桥架两类。单主梁桥架由单根主梁和位于跨度两边的端梁组成，双梁桥架由两根主梁和端梁组成。 主梁与端梁刚性连接，端梁两端装有车轮，用以支承桥架在高架上运行。主梁上焊有轨道，供起重小车运行。桥架主梁的结构类型较多比较典型的有箱形结构、四桁架结构和空腹桁架结构。 箱形结构又可分为正轨箱形双梁、偏轨箱形双梁、偏轨箱形单主梁等几种。正轨箱形双梁是广泛采用的一种基本形式，主梁由上、下翼缘板和两侧的垂直腹板组成，小车钢轨布置在上翼缘板的中心线上，它的结构简单，制造方便，适于成批生产，但自重较大。偏轨箱形双梁和偏轨箱形单主梁的截面都是由上、下翼缘板和不等厚的主副腹板组成，小车钢轨布置在主腹板上方，箱体内的短加劲板可以省去，其中偏轨箱形单主梁是由一根宽翼缘箱形主梁代替两根主梁，自重较小，但制造较复杂。四桁架式结构由四片平面桁架组合成封闭型空间结构，在上水平桁架表面一般铺有走台板，自重轻，刚度大，但与其他结构相比，外形尺寸大，制造较复杂，疲劳强度较低，已较少生产。 空腹桁架结构类似偏轨箱形主梁，由四片钢板组成一封闭结构，除主腹板为实腹工字形梁外，其余三片钢板上按照设计要求切割成许多窗口，形成一个无斜杆的空腹桁架，在上、下水平桁架表面铺有走台板，起重机运行机构及电气设备装在桥架内部，自重较轻，整体刚度大，这在中国是较为广泛采用的一种型式。普通桥式起重机主要采用电力驱动，一般是在司机室内操纵，也有远距离控制的。起重量可达五百吨，跨度可达60米。 为了确保起重作业安全可靠，起重机装有较完善的安全装置，以便在意外的情况下，起到保护机件或提醒操作人员注意，从而起到安全保护作用4。 （1）液压系统中各溢流阀：可抑制回路中的异常高压，以防止液压油泵及马达的损坏，并防止处于过载状态。 （2）.吊臂变幅安全装置：当不测事故发生，吊臂变幅油缸回路中的高压软管或油管爆裂或切断时，液压回路中的平衡阀就起作用，锁闭来自油缸下腔的工作油，使吊臂不致下跌，从而确保作业的安全性。 （3）.吊臂伸缩安全装置：当不测事故发生，吊臂伸缩油缸回路中的高压软管或油管爆裂或切断时，液压回路中的平衡阀就起作用，锁闭来自油缸下腔的工作油，使吊会自己缩回，从而确保作业的安全性。 （4）.高度限位装置：吊钩起升到规定的高度后，碰触限位重锤，打开行程开关，过绕指标灯即亮，同时切断吊钩起升、吊臂伸出、吊臂伏到等动作的操作而确保安全。这时只要操纵吊钩下降，吊臂缩回或吊臂仰起(即向安全方操作)等手柄时，使限位重锤解除约束，操作即恢复正常。在特殊的场合，如仍需要作微量的过绕操作，可按下仪表盒上的释放按钮，此时限位的作用便解除，但此时的操作必须十分谨慎小心，以防发生事故。 （5）.支腿锁定装置：当不测事故发生，通往支腿垂直油缸的高压软管或油管破裂或切割时，液压系统中的双向液压锁能封锁支腿封锁油缸两腔的压力油，使支腿不缩或甩出，从而确保起重作业的安全性。 （6）.起重量指示器：起重量指示器设置在基本臂的合侧方(即操纵室的右侧面)，操作者坐在操纵室内便能清楚地观察到，能准确地指示出吊臂的仰角及对应工况下起重机允许的额定起重量。 （7）.起重特性表：设置在操纵室内前侧下墙板上，该表列出了各种臂长和各种工作幅度下的额定起重量和起重高度，以便操作时查阅。起重作业时，切不可超过表中规定的数值。为了确保起重作业安全可靠，起重机装有较完善的安全装置，以便在意外的情况下，起到保护机件或提醒操作人员注意，从而起到安全保护作用。1.2 桥式起重机设计的总体方案 起重机课程设计的主要参数:表1.1 起重机课程设计参数 工作级别A5跨度L（m）25.5主起升副起升小车运行大车运行起升重量Q（t）163起升高H(m)1214工作V(m/min)9.518.544.274工作级别A5A5A5A5JC%75%75%75%75%1.2.1 主梁和桥架的设计主梁跨度25.5m ,主要构件是上盖板、下盖板和两块垂直腹板，主梁和端梁采用搭接形式，走台的宽度取决于端梁的长度和大车运行机构的平面尺寸，司机室采用闭式一侧安装，腹板上加横向加劲板和纵向加劲条或者角钢来固定，纵向加劲条的焊接采用自动焊，主梁翼缘板和腹板的焊接采用贴角焊缝，腹板的下边和下盖板硬做成抛物线形。1.2.2 端梁的设计端梁采用箱型的实体板梁式结构，是由车轮组合端梁架组成，端梁的中间截面也是由上盖板，下盖板和两块腹板组成；通常把端梁制成制成三个分段，端梁是由两段通过连接板和角钢用高强螺栓连接而成。端梁的主要尺寸是依据主梁的跨度，大车的轮距和小车的轨距来确定的；大车的运行采用分别驱动的方案。在装配起重机的时候，先将端梁的一段与其中的一根主梁连接在一起，然后再将端梁的两段连接起来。 下面对主梁，端梁，桥架进行详细计算和校核。2 大车运行机构的设计2.1 设计的基本原则和要求大车运行机构的设计通常和桥架的设计一起考虑，两者的设计工作要交叉进行，一般的设计步骤：1. 确定桥架结构的形式和大车运行机构的传方式2. 布置桥架的结构尺寸3. 安排大车运行机构的具体位置和尺寸4. 综合考虑二者的关系和完成部分的设计 对大车运行机构设计的基本要求是：1. 机构要紧凑，重量要轻2. 和桥架配合要合适，这样桥架设计容易，机构好布置3. 尽量减轻主梁的扭转载荷，不影响桥架刚度4. 维修检修方便，机构布置合理2.1.1 机构传动方案大车机构传动方案，基本分为两类：分别传动和集中传动，桥式起重机常用的跨度（10.5-32M）范围均可用分别传动的方案，本设计跨度为25.5m采用分别传动的方案。2.1.2 大车运行机构具体布置的主要问题1. 联轴器的选择2. 轴承位置的安排3. 轴长度的确定这三着是互相联系的。在具体布置大车运行机构的零部件时应该注意以几点：1. 因为大车运行机构要安装在起重机桥架上，桥架的运行速度很高，而且受载之后向下挠曲，机构零部件在桥架上的安装可能不十分准确，所以如果单从保持机构的运动性能和补偿安装的不准确性着眼，凡是靠近电动机、减速器和车轮的轴，最好都用浮动轴。2. 为了减少主梁的扭转载荷，应该使机构零件尽量靠近主梁而远离走台栏杆；尽量靠近端梁，使端梁能直接支撑一部分零部件的重量。3. 对于分别传动的大车运行机构应该参考现有的资料，在浮动轴有足够的长度的条件下，使安装运行机构的平台减小，占用桥架的一个节间到两个节间的长度，总之考虑到桥架的设计和制造方便。4. 制动器要安装在靠近电动机，使浮动轴可以在运行机构制动时发挥吸收冲击动能的作用。2.2 大车运行机构的计算参数：起重机估计总重G=30.5t，桥架跨度L=25.5m，起重量Q=16t，大车运行速度Vdc=74m/min，工作级别为A5级，机构运行持续率为JC%=25%，小车的重量为Gxc=6.611t，桥架为箱形结构。2.2.1 确定机构传动方案 本起重机设计的传动方案如图所示：图2.1 大车运行机构1电动机 2制动器 3高速浮动轴 4联轴器 5减速器 6联轴器 7低速浮动轴 8联轴器 9车轮2.2.2 大车车轮与轨道的选择及其强度校核 如图所示的重量分布，计算大车车轮的最大轮压和最小轮压。图2.2 大车轮压受力图满载时，最大轮压：Pmax= （2.1）= =165.932KN空载时，最小轮压：Pmin= （2.2） = =61.0187KN 式中的e为主钩中心线离端梁的中心线的最小距离e=1.544m车轮踏面疲劳计算载荷： P=（2*165.932+61.019）/3=130.961KN （2.3） 车轮材料，采用ZG340-640(调制)，=700MP，=380MP，由附表18选择车轮直径D=500mm，由 1表5-1 查得轨道型号为QU70（起重机专用轨道）按车轮与轨道为点接触和线接触两种情况来验算车轮的接触强度 1）点接触局部挤压强度验算： P=kRcc/m=281257N （2.4） k-许用点应力常数(N/mm),由【1】表5-2，取k=0.181 R-曲率半径，由车轮和轨道两者曲率半径中取最大值。取QU70的曲率半径为400mm M-由轨顶和车轮的曲率半径之比（r/R）所确定的系数,由【1】表5-5查得，m=0.461c-转数系数，由【1】表5-3，车轮转速n=/D=74/0.5=47.134r/min,c=0.9515. c-工作级别系数,由表5-4，M级别，c=1 PP 故验算通过 2）线接触局部挤压强度验算 P=kDlcc=219796.5KN （2.5）式中， k -许用点应力常数(N/mm),由【1】表5-2，取k=6.6 l-车轮与轨道的有效接触长度，QU70中，l=70mm c-转数系数，由【1】表5-3，车轮转速n=/D=74/0.5=47.134r/min,c=0.9515. c-工作级别系数,由表5-4，M级别，c=1 PP 故验算通过2.2.3 运行阻力运算 摩擦总阻力距 Mm=（Q+G）（K+*d/2）由【3】 Dc=500mm车轮的轴承型号为：7520， 轴承内径和外径的平均值为：（100+180）/2=140mm由【2】中表9-2到表9-4查得：滚动摩擦系数K=0.0006m，轴承摩擦系数=0.02，附加阻力系数=1.2，代入上式中：当满载时的运行阻力矩：Mm（Q=Q）= Mm(Q=Q)=b(Q+G)( k +m) =1.2（160000+305000）（0.0006+0.020.14/2） =1116Nm （2.6）运行摩擦阻力：Pm（Q=Q）=4464N （2.7）空载时：Mm（Q=0）=G（K+d/2） （2.8） =1.2305000（0.0006+0.020.14/2） =732N P m（Q=0）= Mm（Q=0）/（Dc/2） （2.9） =7322/0.5 =2928N2.2.4 选择电动机电动机静功率：Nj=PjVdc/（1000m ） （2.10）=446474/1000/60/0.95/2=2.90KW式中 Pj=Pm（Q=Q）满载运行时的静阻力(P m（Q=0）=4464N) m=2驱动电动机的台数初选电动机功率：N=Kd*Nj=1.19*2.90=3.45KW式中Kd-电动机功率增大系数，由【2】表7-6查得Kd=1.19查【1】表31-27选用电动机YZR160M1；Ne=5.8KW，n1=927r/min，（GD2）=0.547kgm2，电动机的重量Gd=154kg2.2.5 验算电动机的发热条件等效功率：Nx=K25rNj ） =0.751.32.90 =2.82KW （2.11）式中K25工作类型系数，由1查得当JC%=25时，K25=0.75r由1按照起重机工作场所得tq/tg=0.25，r=1.3由此可知：NxNe,故初选电动机发热条件通过。 选择电动机：YZR160M12.2.6 减速器的选择车轮的转数：nc=Vdc/（Dc）=74/3.14/0.5=47.13r/min （2.12）机构传动比： i。=n1/nc=927/47.13=19.67 （2.13） 查【1】表35，选用两台ZQ-350-V-1Z减速器i=20.49；N=9.2KW，当输入转速为1000r/min时，可见NjN。2.2.7 验算运行速度和实际所需功率实际运行的速度：V=Vdc i。/ i。=7419.67/20.49=71.04m/min （2.14）误差：=（Vdc-V）/ Vdc=（74-871.04）/74100%=4%15%合适 （2.15）实际所需的电动机功率：N=NjV/ Vdc=2.59071.04/74=22.784KW （2.16）由于NjN,故所选减速器功率合适。2.2.10 验算启动不打滑条件由于起重机室内使用,故坡度阻力及风阻力不考虑在内.以下按三种情况计算.1.两台电动机空载时同时驱动：n=nz 式中p1=61019+165932=226951N主动轮轮压p2= p1=226915N从动轮轮压 f=0.2粘着系数(室内工作) nz防止打滑的安全系数.nz1.051.2 n = （2.26） =3.84 nnz,故两台电动机空载启动不会打滑2.事故状态 当只有一个驱动装置工作,而无载小车位于工作着的驱动装置这一边时,则 n=nz 式中 （2.27） p1=765932N主动轮轮压 p2=2+=287990N从动轮轮压 一台电动机工作时空载启动时间 = =9.41 s n= =4.16s nnz,故不打滑.3.事故状态 当只有一个驱动装置工作,而无载小车远离工作着的驱动装置这一边时,则式中 P1=61019N主动轮轮压 P2=2=392883N从动轮轮压= 9.41S 与第二种工况相同 n= =2.42s nnz，故也不会打滑2.2.11 选择制动器由【2】中所述,取制动时间tz=6s按空载计算动力矩,令Q=0,带入1的（7-16）得:Mz=式中 （2.28）= （2.29） =-21.2115NmPp=0.002G=3050000.002=610N 坡度阻力Pmin=G=2440NM=2制动器台数.两套驱动装置工作Mz= （2.30）=28 Nm 现选用两台YWZ-200/23的制动器，查【1】附表15其制动力矩M=112 Nm，为避免打滑，使用时将其制动力矩调制28 Nm以下2.2.12 选择联轴器根据传动方案,每套机构的高速轴和低速轴都采用浮动轴.1.机构高速轴上的计算扭矩：=119.51.4=167.3 Nm （2.31）式中MI连轴器的等效力矩. MI=259.75=119.5 Nm （2.32）等效系数 取=2查2表2-6（A5A6级）Mel=95550*=119.5 Nm由【1】附表29查的:电动机YZR160M,轴端为圆锥形,d1=48mm,L=110mm;由附表34查得ZQ350减速器,高速轴端为d=40mm,l=60mm,故在靠电机端从由附表43选两个凸缘联轴器（靠近电机端为圆锥形，浮动轴端d=35mm;MI=3150Nm,(GD2)ZL=0.314Kgm,重量G=18.4Kg） ；在靠近减速器端，由附表43选用两个凸缘联轴器，在靠近减速器端为圆锥形，浮动轴端直径为d=35mm;MI=7110 Nm, (GD2)L=0.107Kgm, 重量G=9.46Kg. 高速轴上转动零件的飞轮矩之和为： (GD2)ZL+(GD2)L=0.314+0.107=0.421 Kgm与原估算的基本相符，故不需要再算。2.低速轴的计算扭矩： （2.33） =167.320.490.95=3256.58 Nm 由【1】附表34得，ZQ350减速器低速轴端为圆锥形，d=65mm，l=105mm 由【1】附表19查得，Dc=500mm，主动车轮伸出轴为圆锥形，d=75mm，l=105mm 故从【1】附表42中选用4个联轴节： GICLZ 另两个GICLZ2.2.13 浮动轴的验算1）.疲劳强度的计算低速浮动轴的等效力矩：MI=1Meli=1.459.7520.490.95=1625.11Nm （2.34）式中1等效系数，由2表2-6查得1=1.4由上节已取得浮动轴端直径D=60mm，故其扭转应力为： MPa （2.35）由于浮动轴载荷变化为循环（因为浮动轴在运行过程中正反转矩相同），所以许用扭转应力为： （2.36） =49.1MPa式中，材料用45号钢，取sb=600MPa; ss=300MPa,则t-1=0.22sb=0.22600=132MPa2；ts=0.6ss=0.630000=180MPaK=KxKm=1.61.2=1.92 （2.37）考虑零件的几何形状表面状况的应力集中系数，由第二章第五节及2第四章查得：Kx=1.6，Km=1.2，nI=1.4安全系数，由表2-18查得tnt-1k 故疲劳强度验算通过。2）.静强度的计算计算强度扭矩：Mmax=2Meli （2.38） =2.559.7520.490.95=2907 Nm式中2动力系数，查2表2-5的2=2.5扭转应力：t=67MPa （2.39）许用扭转剪应力：MPa （2.40） t=365.7mm b=510mm 因此，取b=550mm 盖板厚度：B=b+2+40=602mm（自动焊） 取B=600mm （3.5） 主梁实际高度：H=h+2=1280+2*10=1300mm （3.6） 同理，主梁支撑面的腹板高度取h=520mm，这时，支撑截面的实际高度H=h+2=540mm 主梁中间截面和支撑截面的尺寸简图分别示意于下图：图3.1 主梁中间截面示意图（左） 主梁支撑截面的尺寸简图（右）3.1.7 加劲板的布置尺寸 为保证主梁截面中受压件的局部稳定性，需要设置一些加劲构件 主梁大加劲板间距： ah=1280mm，取 a=1200mm （3.7） 主梁端部（梯形部分）小加劲板的间距： a=400mm （3.8） 主梁中部（矩形部分）小加劲板的间距： a=（1.52）h=19202560mm 取a=2100mm （3.9） 最小抗扭弯度W=90.12 a/P=1.478 （3.10）式中， P-小车轮压，取平均值，并设小车自重为G=66110N -动力系数，由【1】图2-2曲线=1.1（起升高度9.5m） -钢轨的许用应力， =170MPa 因此，根据布置方便，取 a=a/3=700mm 由于腹板的高厚比h/=1280/6=217160,所以要设置水平加劲杆，以保证腹板局部稳定性，采用45*45*5角钢做水平加劲杆。3.2 主梁的计算3.2.1 计算载荷确定 查【1】图7-11曲线得半个桥架（不包括端梁）的自重，G=110000N， q=G/L=110000/2550=43.14N/cm （3.11） 查【1】表7-3得，主梁由于分别驱动，大车运行机构的长传动轴系引起的均布载荷： Q=q=1.18*43.14=50.9N/cm （3.12） 由【1】表7-4， P=57000N,P=56000N 考虑动力系数的小车车轮的计算轮压值： P=P=62700N （3.13） P=P=61600N （3.14）式中，=1.15-动力系数，由【1】图2-2中曲线查得。3.2.2主梁垂直最大弯矩 =+ （3.15） 设敞开式司机操纵室的重量G=10000N，其重心距支点的距离为l=320cm =135*10N/m3.2.3 主梁水平最大弯矩 =0.8 （3.16）式中：g重力加速度，g=9.81，a大车起动、制动加速度平均值， a= 不计及冲击系数和动载系数时主梁垂直最大弯矩，由下式算得： =+Gl+Gl=100*10N/m （3.17） 因此主梁的水平最大弯矩： =163.2.4 主梁的强度验算 主梁中间截面的最大弯曲应力根据【1】公式7-19计算： （3.18）式中： 主梁中间截面对水平重心轴线x-x的抗弯截面模数，其近似值为： =（）h= （3.19） 主梁中间截面对垂直重心轴