岸边集装箱起重机总体设计【5张CAD图纸与说明书全套资料】
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5张CAD图纸与说明书全套资料
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辽宁工程技术大学毕业设计（论文）前言随着经济建设高潮的到来，应该伴随出现一个文化建设的高潮。在党的改革开放方针指导下，当今国内工业生产如火如荼，文化建设也是方兴未艾。遗憾的是，起重机方面的文化建设却沉寂已久。岸边集装箱起重机（简称岸桥）是集装箱码头的主力装卸设备和标志性建筑，其在我国各大港口中的地位和作用，历来为人们所重视和关注。岸边集装箱起重机作为港口码头重要的技术物质基础，它体现了港口的生产力水平。在岸边集装箱起重机中，结构件的费用要占整机的很大部分。随着我国经济的高速发展，越来越多的岸边集装箱起重机投入使用，同时也面临一些问题，由于岸边集装箱起重机价格昂贵，用户总是希望尽量延长其使用寿命，制造时降低成本，提高集装箱装卸的工作效率。1 集装箱吊具1.1 集装箱集装箱是一种具有足够承载强度和刚度，具有一定贮存容积，能重复使用，适用多种运输方式、便于货物装卸和整体快速换装的运输设备。由于集装箱的规格繁多，为便于统计计算船舶的载运量、港口码头的吞吐量、库场的通过能力和机械设备的装卸效率等，国际上以20ft(6m)集装箱作为当量箱（TEU-TwentyFeetEquivalentUnit）来进行换算，将20ft(6m)集装箱称为标准箱。这里设计是针对40ft的集装箱（40尺柜：内容积为11.8x2.13x2.18米，配货毛重一般为22吨，体积为54立方米）。1.2 集装箱吊具的构造和特点集装箱吊具是一种起吊集装箱的专用机具，它具有与集装箱箱体相适应的结构，通过位于四角的旋锁与箱体的顶角件连接进行起吊作业。集装箱吊具具有自动伸缩、自动开闭锁、自动对中集装箱等机构和多种连锁安全装置，作业辅助时间短，作业效率高。集装箱吊架如图1-1所示。图1-1集装箱吊架Fig.1-1 Container hanger集装箱吊具的额定起重量取决于相应的集装箱，其外形尺寸不应超过相应集装箱的最大外部尺寸（导向翼外）。我国集装箱吊具型号和尺寸标准（GB 3220-82）.查 起重机设计手册 表3-6-3，选取集装箱吊具型号JD-30 。表1-1 我国标准集装箱吊具的型号、尺寸和规格 Tab.1-1 The model, size and specifications of container spreader型号旋锁中心距的尺寸和极限偏差/mmA B对角旋锁中心距差值/mm 旋锁转角a吊具的额定起重量 /kg相应的集装箱型号JD-3011985616305001AA2 岸桥的通用零部件 钢丝绳、滑轮、卷筒、联轴器等虽是岸桥上的通用标准零部件，但必须进行设计，因为岸桥的高速重载工作要求高可靠性。2.1 钢丝绳2.1.1 钢丝绳卷绕系统钢丝绳是岸桥使用中的主要挠性构件，它具有承载能力大、挠性好、传动平稳可靠、高速运动时无噪音、极少突然断裂等优点，因而被广泛用于岸桥的起升机构、变幅机构、牵引机构上；其缺点是长距离的传动由于自重引起下挠，在起制动瞬时弹跳幅度大。因此，对跳槽的防护、松绳的防护都有较高的要求。钢丝绳由一定数量的钢丝绳和绳芯经过捻制而成。首先将钢丝捻成股，然后将若干股围绕着绳芯制成绳。钢丝是钢丝绳的基本强度单元。起重机用钢丝绳的 强度一般为14001850Mpa之间。绳芯是被绳股所缠绕的挠性芯棒，起到支撑和固定绳股的作用，并可以储存润滑油，增加钢丝绳的挠性。 钢丝绳的卷绕系统，对不同类型的起重机是不同的，在集装箱起重机中，钢丝绳防破断的安全系数如表2-1所示表2-1 钢丝绳安全系数Tab.2-1 The safety factor of rope机构载荷组合系数主起升机构LS+LLE（只考虑纵向方向）5.0-6.0俯仰机构俯仰循环中最大的线拉力最大线拉力，包括一套绳故障引起的冲击6.02.0小车运行机构TL+LS+LL+0.50WLO+LATT+张紧装置的影响5.02.1.2 钢丝绳的选择钢丝绳的主要是在普通捻或称逆向捻（交捻）钢丝绳和顺向捻钢丝绳之间进行选择。两种类型最好都用钢丝绳芯，应当采用镀锌钢丝和始终全部润滑或加油脂润滑，抗拉强度应大约是1770N/mm。安全系数，即最小破断力对正常工作载荷的比必须根据国家标准。 钢丝绳工作时所受的最大拉力 安全系数 S=6钢丝绳破断拉力换算系数 钢丝绳标准中给出的钢丝破断拉力的总和 （2-1） 查 起重机设计手册 表3-1-5选用6x19普通捻钢丝绳表2-2 钢丝绳主要性能Tab.2-2 The main properties of wire rope钢丝绳直径钢丝总截面积/参考自重kg/100m钢丝破断拉力总和/N（不小于）钢丝绳/mm钢丝/mm18.51.2128.87121.82190002.1.3 钢丝绳的寿命和维修影响钢丝绳寿命、磨损的主要因数是：绳的卷绕系统，反向弯曲的影响，钢丝绳通过滑轮时的速度，钢丝绳正常工作载荷和最大载荷之间的比例，安全系数，滑轮绳槽硬度的选择，钢丝绳和滑轮之间、钢丝绳和卷筒之间的偏角，钢丝绳的加油或润滑、及加油或润滑的周期，钢丝绳可能通过的赃物，磨料等的情况，内部和外部的锈蚀。俯仰钢丝绳一般是每5年一换1次，有时甚至每10年换1次。因此，应定期检验钢丝绳和钢丝绳滑轮，加油脂是十分重要的。钢丝绳在制造时已在其内部和外部加过油脂，如果内部油脂不是很正确地加好，则钢丝绳的寿命会大大地缩短。2.1.4 钢丝绳和滑轮或卷筒之间的压力虽然机械的损坏经常是造成钢丝绳要更换的原因，但拉力载荷和弯曲载荷是疲劳的主要原因。如果假设，钢丝绳运转在配合很好的绳槽中，则钢丝绳和绳槽之间的压力由下式给出。 （2-2）式中 p钢丝绳槽中的压力,N/mm； F钢丝绳力，N； D/2滑轮或卷筒的半径，mm； d钢丝绳直径，mm。最大允许的压力是： 在钢Fe（S355）上，约7.0N/mm； 在锰钢或合金钢上，约20.0 N/mm。2.2 滑轮2.2.1 滑轮的构造和材料滑轮用以支撑钢丝绳，并能改变钢丝绳的走向，平衡钢丝绳分支的拉力，组成滑轮组，达到省力或增速的目的。承受负载不大的滑轮，结构尺寸较小，通常作为实体结构，用强度不低于铸铁HT200的材料制造。承受大载荷的滑轮，为了减轻重量，多做成筋板带孔的结构，用强度不低于铸铁HT200、球铁QT40-17和铸钢ZG230-450等材料制造而成。2.2.2 滑轮的尺寸滑轮主要尺寸是滑轮直径D。起重机常用铸造滑轮，其结构尺寸已标准化（ZBJ80006，1-87）滑轮结果尺寸可按钢丝绳直径进行选定。工作滑轮的直径 （2-3） 式中 按钢丝绳中心计算的滑轮直径（mm）： 钢丝绳直径（mm）； 滑轮直径比例系数，与机构工作级别和钢丝绳结构有关。这里选取工作级别为M4 即e=18 查 起重机械 安装使用维修检验手册（上）表2-1-51我们选用基本尺寸为下表的滑轮。表2-3滑轮参数Tab.2-3 Pulley parameters钢丝绳直径d基本尺寸参考尺寸RCMNS尺寸偏差181910.5+0.4032.556411.518153.05.0120122.2.3 滑轮组的倍率若不考虑滑轮中的摩擦和钢丝绳的僵性阻力，则单联滑轮组钢丝绳自由端的拉力为： （2-4） 式中 Q被提升的物体质量（kg）； S钢丝绳自由端拉力（N）； m滑轮倍数率； g重力加速度。 滑轮组倍率m是省力滑轮组倍力数，也是增速滑轮组的增速倍数。 （2-5） 式中 L钢丝绳自由端移动距离； H物品提升距离；钢丝绳线速度；物品的提升速度。滑轮组倍率的选定，对起升机构的总体尺寸影响较大。倍率增大，则钢丝绳分支拉力减小，钢丝绳直径、滑轮和卷筒直径也都减小，在起升速度不变时，需提高卷筒转数，即减小机构传动比。但倍率过大，会使滑轮组本身体积重量增大，同时也会降低效率，加速钢丝绳的磨损。起重量小时，选用小的倍率，随着起我重量增大，倍率相应提高，倍率增大，起升速度相应减小。桥式起重机常用的双联滑轮组倍率数见表2-4。 这里所设计的是针对40ft的集装箱（40尺柜：内容积为11.8x2.13x2.18米，配货毛重一般为22吨，体积为54立方米），因此选取滑轮组倍率。表2-4 桥式起重机常用双联滑轮组倍率 Tab.2-4 The common double-pulley block ratio of bridge crane额定起重量Q/t35812.51620325080100m12233445562.3 卷筒2.3.1 卷筒的类型选择卷筒是起升机构和牵引机构中卷绕钢丝绳的部件。其作用是卷绕储存和卷放钢丝绳并施于钢丝绳一定的拉力和速度。常用卷筒组类型有齿轮联接盘式、周边大齿轮式、短轴式和内装行星齿轮式。我们选用齿轮联接盘式卷筒，是目前桥式起重机卷筒的典型结构。齿轮联接盘式卷筒组为封闭式传动，分组性好，卷筒轴不承受扭矩；缺点是检修时需沿轴向外移卷筒。在绳索牵引机构中，钢丝绳的两端都在卷筒上固定。钢丝绳绕进或绕出卷筒时，钢丝绳偏离螺旋槽两恻的角度不大于，我们取。2.3.2 卷筒的型式卷筒由铸造或焊接经机加工后制成。铸造卷筒一般采用不低于HT-200的灰铸铁，重要的卷筒可采用高强度铸铁或球墨铸铁。采用铸钢时，应不低于ZG230-450。焊接卷筒多采用Q235钢板弯卷焊接而成，重量轻，适宜于大尺寸卷筒。2.3.3 卷筒主要几何尺寸计算几乎每一个国家都有其自己的关于钢丝绳滑轮或卷筒直径（D）对钢丝绳直径（d）的关系的标准。卷筒名义直径D （2-6）式中 D卷筒名义直径（卷筒槽底直径）； d钢丝绳直径； e筒绳直径比。这里选取M8的工作级别，e=25。卷筒名义直径卷筒计算直径（由钢丝绳中心算起的卷筒直径）卷筒上和滑轮内的都有绳槽，卷筒上的绳槽必须够深，以便正确地导向钢丝绳。绳槽计算简图见图2-1。图2-1卷筒绳槽Fig.2-1 Roll groove查 起重机设计手册 表3-3-3表2-5 卷筒绳槽尺寸 Tab.2-5 The size of roll groove钢丝绳直径d绳槽半径标准槽形加深槽形R极限偏差181910.5+0.2021.07.50.82511.50.52.4 联轴器2.4.1 岸桥常用的联轴器联轴器主要用来在两轴这间传递扭矩，补偿小量的角度与径向偏移，同时还能改善传动装置的动态特性。岸桥常用的联轴器有齿式联轴器、梅花弹性联轴器、万向联轴器、蛇型弹簧联轴器。起升、俯仰机构，大、小车运行机构电机与减速器之间使用的联轴器全为高速型，卷筒与减速器之间采用的联轴器则为低速型。岸桥各机构高速轴上使用的联轴器，必须锻钢制造、能润滑，并经过与其最高转数相匹配的动平衡。在人员通过的地方，联轴器装有可拆式防护罩。主起升、俯仰及小车的驱动联轴器应在不拆下各自的电机和减速器就在以分离。要防止润滑油因联轴器的旋转而飞溅到高速轴的制动盘上。加油必须适量。近年来，大量推广不需润滑的梅花弹性联轴器。2.4.2 联轴器使用特性联轴器主要用来联接同轴线布置或基本平行的转轴，传递扭矩同时补偿少许角度和径向偏移，还能改善传递装置的动态特性,半联轴器有时可以兼作制动轮。起重机常用齿轮联轴器。表2-6联轴器使用特性Tab.2-6 The use of coupling联轴器名称使用范围允许使用偏差特点及应用许用转矩/Nm轴径/mm最高转速r/min径向/mm偏角CL型齿轮联轴器7001000000185603003780*0.46.330承载能力高，工作可靠。重量较大，成本较高，对机器的安装精度要求不高，需良好的润滑。可用于正反多变、起动频繁的场合，起升、运行、回转和变幅机构均可使用3 岸桥的驱动3.1 岸桥的负载特点岸桥在选择一个驱动方案时，首先要考虑的是该驱动对象的负载特点。岸桥的负载有以下特点：（1）起升机构的负载是一个位能性负载，当箱重一定时，在任何转速下负载转矩总是保持恒定，而且负载转矩的方向也不随电机转速方向的改变而改变。（2）集装箱岸桥的载荷有效率是50，即经常有一半时间是空吊具运行的。即使是在带箱的时候，也不都是满箱起吊额定负荷。为了提高生产效率，希望在轻载时能提高速度。负载转短与转速成反比，即形成恒功率控制。负载的恒功率性质是就一定的速度范围而言的，当负载很低时，受机械强度和电气系统特殊性的限制，转速不可能无限增大，一般恒功率调速范围为额定速度的22.5倍。（3）起升机构和小车行走机构都是间隔短时重复连续工作制，即对箱、吊箱、运行、对箱，周期性的起停或加减速，间隔很短。它要求具有良好的调速性能，除了要求有足够的热功率和起制动转矩外，还要考虑过载能力的迅速反应和电动机的良好通风散热。（4）起升机构负载下降的过程是一个能量转换的过程，此时的电动机处于发电状态。如何吸收这部分位能，是岸边集装箱岸桥控制必须解决的问题。3.2 驱动系统近年来，随着微处理器和半导体技术的发展，交流变频调速理论不断发展，大功率变频器的性能和可靠性的不断提高，岸桥控制上越来越多地使用了交流变频技术。各大电气剥造商相继推出了自己的交流控制系统，使这项控制技术日趋成熟。实践证明这种交流控制系统具有许多优点：（1）交流电机无需整流子和调换电刷，减少了维护工作量、防护等级高，节省了大量维修费用和维护时间。（2）变频器加装直流电抗器以后，整体装置的功率因素高于0.9；如采用正弦波滤波器，功率因素接近于1。（3）考虑到维护的费用，交流系统有一定的价格优势，且随大容量主电路元件的开发运用，变频驱动的价格尚有较大的下降空间。驱动系统的组成部分如图所示，A.变频调速器B.异步电机C.编码器（也可不用）。图3-1 驱动系统示图Fig.3-1 Drive systems这里选用YTSZ系列冶金及起重用变频调速三相异步电动机。3.3 起升电机的功率计算为了计算起升电机功率，必须考虑以下各项：（1）正常起升时的阻力；（2）加速旋转是质量的惯性阻力；（3）加速线形运动的质量的惯性阻力。负荷的质量 Q=220kN负荷的最大速度 v=60m/min=1m/s所有齿轮传动和钢丝绳滑轮组的效率 =0.90电机转速 n=1000r/min电机轴上的电机、滑轮、齿轮箱转动惯量: （3-1）加速时间 负荷的加速度 （3-2） 1. 正常起升（满载最高速度）的阻力： （3-3） （3-4）2加速旋转的质量的惯性阻力矩： （3-5） （3-6） （3-7）3. 加速线形运动质量的阻力： （3-8） （3-9） （3-10）相加：1.名义（正常）起升 2.旋转质量加速 3.直线运动质量加速 总计 在加速期间，电机能在有限的时间内传递更大的力矩，这样可以从约140%变化到250%这样多。电机必须能提供 相应地 （3-11） (小于，于是可用)选取电机满足： ； ；S-60%额定工作制。选用2个提升电机，则需要2个为122kW的电机。查 机械设计手册 表16-1-74选用YTSZ315M1-6变频速三相异步电动机2个。表3-1起重电动机参数Table 3-1 The parameters lifting motor型号标准功率/kW额定电流/A额定转矩/Nm额定转速r/min转动惯量/kgm质量/kgYTSZ315M1-61252051050.3100034.710253.4 小车运行电机功率的计算我们选用直接驱动小车，对于由电机直接驱动的小车，在恶劣的天气条件下 ，必须考虑驱动车轮和轨道之间打滑的可能性。要考虑的因素主要是：（1）正常运行的阻力；（2）供电或拖令系统的阻力；（3）风对小车负荷的作用的阻力；（4）加速旋转的质量的惯性的阻力；（5）加速线形运动的质量阻力。小车运行速度（m/min） v=150 m/min （m/s） v=2.5m/s小车质量（t） 总负荷质量（t） 总质量（t） 小车车轮阻力（kN/t） f=5kg/t=0.05kN/t齿轮传动效率（包括钢丝绳滑轮）起升绞车在小车的直接驱动小车的起重机,风的作用：, 加速时间 加速度 电机转速 车轮直径 电机和车轮之间减速比 （3-12）旋转部分转动惯性之和（kgm） 由于供电施令系统的阻力，取3kN正常运行的阻力： （3-13） （3-14）拖令系统的阻力： （3-15） （3-16）风的阻力： （3-17） （3-18）加速旋转的质量的惯性阻力： （3-19） （3-20） （保留在驱动内部） （3-21）5加速线形运动质量的阻力： （3-22） （3-23）相加：（直接驱动小车）车轮上驱动力（kN） 需要电机功率(kW)1.正常运行 2.拖令系统 3.风载q=150N/m 正常运行+风载，总计 相加：（加速期间） 车轮上驱动力（kN） 需要电机功率(kW)1.正常运行 2.拖令系统 3.风载q=150N/m 4.加速旋转部分 加速线性运动质量 加速期间，总计 为控制轨道和车轮之间的打滑，现在需要的电机功率必须大于和。是电机的最大力矩系数，不应大于2。所以N必须大于65.5kW和必须大于取。4个车轮都是驱动车论，则直接驱动的小车，需要4个为16.5kW的电机。查 机械设计手册 表 16-1-74 选用YTSZ200M1-6变频速三相异步电动机4个表3-2小车电动机参数Table 3-2 parameters Motor Vehicles型号标准功率/kW额定电流/A额定转矩/Nm额定转速r/min转动惯量/kgm质量/kgYTSZ200M1-6224521010002.90.43004 减速器4.1 减速器的基本型式减速器是起重机上的重要传动部件。它的作用是把电机的高转速，降低到各机构所需要的工作转速。由于封闭齿轮转动结构形式的减速器，齿轮都装在密封的外壳内，灰尘进不去，润滑良好，维修方便使用耐久，所以在起重机上绝大多数都采用封闭式减速器。起升机构的传统布置方式要求采用中心高度小、重量轻的卧式平行轴减速器。减速器的输入轴和输出轴在箱体的同一侧，为了保证电动机和卷筒这间有一定的间距，减速器的中心距不能太小。由于卷筒的一端直接支承在减速器输出轴轴端上，要求输出轴端能承受较大的径向力。桥式起重机运行机构较多采用立式安装的减速器。QJ型减速器系列主要用于起重机的起升机构运行机构和电机变幅机构。减速器的箱体为焊接结构，外行美观，自重轻，单位重量传递的扭矩较大，立式和卧式减速器统一于一种结构型式，从而减少了产品的种类，有利于组织生产。QJ型减速器的工作条件为：（1）齿轮圆周速度不大于15m/s；（2）高速轴转速不大于1500r/min；（3）工作环境温度为-25+45C；（4）可正反两向旋转；（5）输出轴瞬时最大扭矩允许为额定扭矩的2.7倍。4.2 减速器的选择公称传动比：起重电机我们选用公称传动比为10的两级QJR200-10PL型减速器。表4-1减速器中心距Tab.4-1 center distance reducer低速级中心距中心距两级总中心距400280680低速级中心距为名义中心距高速轴采用圆柱轴伸，平键联结。低速轴为P型圆柱轴伸，平键联结。表4-2高速轴参数Tab.4-2 Parameters of axis high-speed 名义中心距/mm高速轴伸/mm低速轴伸/mmNS型KP型40028514065186934013020032137图4-1减速器高速轴伸Fig.4-1 Axis extending high-speed of reducer表4-3减速器技术参数及承载能力Tab.4-3 The reducers technical parameters and carrying capacity输入轴转速 名义中心距 许用输出扭矩 公称传动比100最大许用径向载荷高速轴许用功率1000280750073210005 岸桥中的制动器5.1 制动器制动器是保证岸桥各机构安全正常工作的重要部件，每一套工作机构的传动装置中均设置制动器。重要机构（如主起升、俯仰机构）除了在高速轴上装设制动器外，还应设卷筒制动器。岸桥上使用的制动器主要有盘式制动器和块式制动器两种。块式制动器多应用于大车行走机构。主起升、小车运行、俯仰机构等高速制动器一般用盘式制动器。卷筒应急制动器用盘式制动器和带式制动器。盘式制动器的工作面为圆盘二侧平面，其摩擦副由制动盘和制动块组成，制动块垂直于制动盘施加压力，制动性能可靠、稳定。盘式制动器与块式制动器比较具有以下优点：（1） 制动力矩大，在相同制动力矩情况下飞轮矩小，频繁制动时冲击小。（2） 散热性好，在紧急制动时制动盘的高温得到良好散热。（3） 可实现自动补偿，自动调整补偿制动块与制动盘之间的间隙。（4） 轴向尺寸小，结构紧凑，方便布置和方便装拆。（5） 夹钳可对称式布置，可用增加夹钳数目来增大制动力矩。岸桥的盘式制动器一般在电机制动转速降至5%时进行制动。而卷筒制动器是在机构完全停止工作后进行制动，但在发生意外情况时，或荷重下降速度达到额定下降速度1.15倍时自动进入制动。选择制动器的夹紧力由各机构的额定力矩决定，其安全系数按相应的规范和买方文件要求选用。自动器的自动力矩计算时，一般选取摩擦因数=0.4，而且自动力矩必须是1.6倍名义电机力矩直至2.2倍名义电机力矩。小车运行和起重机运行机构时常使用盘式自动器。5.2 起升制动器下降负荷5.2.1 紧急停止当可能出现一种危险的情况时，需要使起重机下降的负荷实现紧急停止这时按下紧急停止按钮，起升机构没有电气方面的制动，而是紧急停止。这时负荷在重力作用下向下拉，而且在很短的时间内急剧烈地加速，即起动自动器需要的之间内，开始制动，但都是比正常下降的速度更高的速度下起动自动器。这就意味着朝向零速的必要的制动时间比正常情况下要更长。钢丝绳卷绕系统如图5-1（简图）所示。 图5-1钢丝绳卷绕系统简图Fig.5-1 Rope winding system diagram1吊具加负荷的重量Q（kN）： Q=220kN2在卷筒上的钢丝绳的力L（kN）： （5-1） （5-2） 其中n=53电机轴上的力矩： （5-3）卷筒直径齿轮箱速比齿轮箱效率4负荷下降速度v(m/min): 5卷筒上钢丝绳速度: （5-4）6卷筒转速（r/min）： （5-5） 7电机转速（r/min）： （5-6） 8电机轴上从电机、制动器轮和齿轮箱的转动惯量： （5-7）9从吊具加负荷算到电机轴上的转动惯量： （5-8） 10总的转动惯量 （5-9） 11在按下紧急停止按钮之后，负荷由在之内加速（是制动器进去动作的时间），到增加的角速度： （5-10） 12制动器在后起动机械制动时电机轴的旋转速度： （5-11） （5-12）13这时电机和制动器的转速： （5-13） 14卷筒上钢丝绳这时的速度： （5-14） 15有效的制动力矩： （5-15）16有效的制动时间： （5-16） 17总的制动时间： （5-17） 18制动期间钢丝绳在卷筒上的位移： （5-18）在时间内在卷筒上的位移（m）;在内制动是在减速期间，在卷筒上的位移（m）。 （5-19） （5-20） 19在紧急停止期间吊具和负荷在下降方向的总位移： （5-21） 5.2.2 以电机全力矩制动 起重机司机下降负荷，并通过“电气制动”是铰车停止并停住负荷。电气全力矩将作为制动力矩。1吊具加负荷的重量Q（kN）： Q=220kN2在卷筒上的钢丝绳的力L（kN）： 其中n=53电机轴上的力矩： 卷筒直径齿轮箱速比齿轮箱效率4负荷下降速度v(m/min): 5卷筒上钢丝绳速度: 6卷筒转速（r/min）： 7电机转速（r/min）： 8电机轴上从电机、制动器轮和齿轮箱的转动惯量： 9从吊具加负荷算到电机轴上的转动惯量： 10总的转动惯量 11制动立即开始，以名义电机力矩（2个电机总计）N=240kW 在n=1000r/min时 （5-22） （5-23） 12制动器机械制动时电机轴的旋转速度： （5-24） 13有效的制动时间： （5-25） 14在制动期间卷筒上钢丝绳的位移： （5-26） 15在电气制动期间，吊具和负荷在起升方向的总位移（见图5-3）： （5-27） 5.3 起升制动器起升负荷5.3.1 紧急停止 这种情况不像在下降时那么危险。起重机正在起升负荷，而发生意外的情况，这时起重机司机必须起动急停按钮。这种情况下起升机构不是电气制动的，而是紧急停止。负荷首先是靠重力减速，在很短的时间内，即制动器起动的时间内，起动的制动器比正常起升速度低的速度开始制动负荷。1吊具加负荷的重量Q（kN）： Q=220kN2在卷筒上的钢丝绳的力L（kN）： 其中n=53电机轴上的力矩： 卷筒直径齿轮箱速比齿轮箱效率4负荷下降速度v(m/min): 5卷筒上钢丝绳速度: 6卷筒转速（r/min）： 7电机转速（r/min）： 8电机轴上从电机、制动器轮和齿轮箱的转动惯量： 9从吊具加负荷算到电机轴上的转动惯量： 10总的转动惯量 11在按下紧急停止按钮之后，在（是制动器进去动作的时间）之内由使负荷减速： 在这里是负值12在后，起动的制动器在电机轴如下的转速下开始机械制动：13这时电机和制动器的转速： 14卷筒上钢丝绳这时的速度： 15有效的制动力矩： 16有效的制动时间： （8-28）17总的制动时间： 18制动期间钢丝绳在卷筒上的位移： 在时间内在卷筒上的位移（m）; 在s内制动是在减速期间，在卷筒上的位移（m）。 19在紧急停止期间吊具和负荷在起升方向的总位移： 5.3.2 以电机全力矩制动 起重机司机起升负荷通过“电气制动”使铰车停止来停止负荷。电气全力矩将作为制动力矩。1吊具加负荷的重量Q（kN）： Q=220kN2在卷筒上的钢丝绳的力L（kN）： 其中n=53电机轴上的力矩： 卷筒直径齿轮箱速比齿轮箱效率4负荷下降速度v(m/min): 5卷筒上钢丝绳速度: 6卷筒转速（r/min）： 7电机转速（r/min）： 8电机轴上从电机、制动器轮和齿轮箱的转动惯量： 9从吊具加负荷算到电机轴上的转动惯量： 10总的转动惯量 11制动立即开始，以名义电机力矩（2个电机总计）N=240kW 在n=1000r/min时 12制动器机械制动时电机轴的旋转速度： 13有效的制动时间： 14在制动期间卷筒上钢丝绳的位移： 15在电气制动期间，吊具和负荷在起升方向的总位移： 6 轨道和车轮6.1 轨道起重机的运行轨道有三种：起重机钢轨、P型铁路钢轨和方钢。方钢可看作是平顶钢轨，由于对车轮的磨损大，现在已很少用。钢轨通常用含碳、锰较高的钢材（C=0.5%0.8%、Mn=0.6%1.5%）轨制成。起重机钢轨的典型材料为U71Mn,方钢主要用Q275的方钢或扁钢制成。这里选取起重机小车运行的轨道型号为P38。查 起重机械安装使用维修检验手册 表2-1-128 起重机轨道基本尺寸表6-1小车轨道参数 Table 6-1 The parameters of car orbital mm轨道型号P3813427.76811443.966.767.330013图6-1小车轨道简图Fig.6-1 Trolley track sketch检查钢轨、螺栓、夹板有无裂纹、松脱和腐蚀。如发现裂纹应及时更换新件，如有其余缺陷应及时修理。钢轨上的裂纹可用线路轨道探测器检查，裂纹有垂直轨道的横裂纹，也有顺着轨道的纵向裂纹和斜向裂纹。如果产生较小的横向裂纹可采用鱼尾板联接；斜向或纵向裂纹则要去掉有裂纹部分，换上新的轨道。钢轨顶面如有较小的疤痕或损伤时，可用电焊补平，在用砂轮打光。轨顶面的侧面磨损都不应超过3mm。鱼尾板的联接螺栓不得少于4个，一般应有6个。小车轨道，每组垫铁不应超过两快，长度不应小于100mm，宽度应比钢轨底宽1020mm，两组垫铁间距不应小于200mm。垫铁与轨道底面实际接触面积不应小于名义接触面积的60%，局部间隙不应大于1mm。 钢轨标准长度为：9，9.5，10，10.5，11，11.5，12，12.5m。6.2 计算起重机运行车轮的直径按照车轮踏面与轨道顶部形状的不同，其接触处可能是一直线（实际是矩形面积），称为线接触，也可能是一点（实际是小椭圆面积），称为点接触。线接触的受力情况较好，但往往由于机架变形和安装偏差等因素，使线接触应力分布不尽人意，因而在起重机的运行机构中常常采用点接触结构。起重机车轮所承受的载荷与运行机构会去系统的载荷无关，可直接根据起重机外载荷的平衡条件求得。计算平均轮压如下： （6-1） 式中平均车轮负荷（kN）； 最大车轮负荷（kN）； 最小车轮负荷（kN）； C工作制系数，考虑起重机1个小时的工作时间。 工作制是40% C=1:对于Fe600或Fe700的制造轨道为700kN/cm轨道宽： K（cm）轨道曲率半径： r（cm）：车轮直径 （6-2） 查 起重机械安装使用维修检验手册(上) 表2-1-118 选用车轮 DYL-500 GB4628-84。表6-2小车车轮参数Tab.6-2 The parameters of car wheels基本尺寸/mm参考尺寸/mm参考质量/kgDD1BB1DB2CBXYSd1d2D2D3Rr500540130140130701020604020540430320205115.87 结论本文设计了岸边集装箱起重机的总体机构及各部重要零件，完成了设计要求。根据现场工况对设备的要求集装箱的毛重，确定了钢丝绳、集装箱的型号，并根据钢丝绳的直径，选取了滑轮和卷筒，根据起重运行阻力，选取合适功率的驱动电动机，确定起重机的制动、和相关的减速装置。根据行走小车的重量选取了小车车轮、轨道和相关零、部件，完成岸边起重机整体设计。同时获取各零件的形状、结构、尺寸和位置等。由于本人的水平和时间有限，具体的细节方面设计的还不够完善，还请老师指导和改正。致谢本文的研究工作是在导师康文龙老师的关怀和悉心指导下完成的，在我的学业和论文的研究工作中无不倾注着李老师辛勤的汗水和心血。康老师的严谨治学态度、高度的责任感和敬业精神、渊博的知识、敏锐的洞察力和独到的见解使我深受启迪，时时鞭策和激励着我。从尊敬的康老师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。在此我要向康老师致以最诚挚的感谢和深深的敬意。衷心祝愿康老师身体健康、生活愉快!在多年的学习生活中，还得到了机械工程学院各位老师的热情关心和帮助，在此衷心地向他们表示感谢!对多年含辛茹苦养育我、对我寄予厚望的父母表示深深地感谢;感谢我的兄弟姐妹在我求学路上给予的理解、关心和支持。最后，向所有关心和帮助过我的领导、老师、同学和朋友表示由衷的谢意!衷心地感谢在百忙之中评阅我的论文和参加我答辩的各位专家、教授!参考文献1 张质文.起重机设计手册M中国铁道出版社 19972 万力起重机械（上）M冶金工业出板社，2000 3 万力起重机械（下）M冶金工业出板社，20004 刘建勋电动滚筒设计与选用手册M化学工业出版社，20005 陈敢泽.现代起重机管理与实用技术M科学出版社 20006 成大先机械设计手册 第三版 第2卷M化学工业出版社，19937 崔碧海.起重技术M重庆大学出版社 20068 岸边桥式起重机技术新进展J2001,2:2427 9 确定岸边集装箱起重机的规格J水运工程,2002,11:424510 Ing.J.Verschoof. Cranes Design,Practice And MaintenanceM Shanghai Scientific and Technical Publishers 2002附录A现代机械设计方案机械产品的方案设计通常无法采用纯数学演算的方法进行，也难以用数学模型进行完整的描述，而需根据产品特征进行形式化的描述，借助于设计专家的知识和经验进行推理和决策。因此，欲实现计算机辅助产品的方案设计，必须解决计算机存储和运用产品设计知识和专家设计决策等有关方面的问题，由此形成基于产品特征知识的设计方法。目前，智能化设计方法主要是利用三维图形软件和虚拟现实技术进行设计，直观性较好，开发初期用户可以在一定程度上直接参与到设计中，但系统性较差，且零部件的结构、形状、尺寸、位置的合理确定，要求软件具有较高的智能化程度，或者有丰富经验的设计者参与。1、结构模块化设计方法从规划产品的角度提出：定义设计任务时以功能化的产品结构为基础，引用已有的产品解(如通用零件部件等)描述设计任务，即分解任务时就考虑每个分任务是否存在对应的产品解，这样，能够在产品规划阶段就消除设计任务中可能存在的矛盾，早期预测生产能力、费用，以及开发设计过程中计划的可调整性，由此提高设计效率和设计的可靠性，同时也降低新产品的成本。Feldmann将描述设计任务的功能化产品结构分为四层，(1)产品(2)功能组成(3)主要功能组件(4)功能元件。并采用面向应用的结构化特征目录，对功能元件进行更为具体的定性和定量描述。同时研制出适合于产品开发早期和设计初期使用的工具软件STRAT。认为专用机械中多数功能可以采用已有的产品解，而具有新型解的专用功能只是少数，因此，在专用机械设计中采用功能化的产品结构，对于评价专用机械的设计、制造风 险十分有利。提倡在产品功能分析的基础上，将产品分解成具有某种功能的一个或几个模块化的基本结构，通过选择和组合这些模块化基本结构组建成不同的产品。这些基本结构可以是零件、部件，甚至是一个系统。理想的模块化基本结构应该具有标准化的接口(联接和配合部)，并且是系列化、通用化、集成化、层次化、灵便化、经济化，具有互换性、相容性和相关性。我国结合软件构件技术和CAD技术，将变形设计与组合设计相结合，根据分级模块化原理，将加工中心机床由大到小分为产品级、部件级、组件级和元件级，并利用专家知识和CAD技术将它们组合成不同品种、不同规格的功能模块，再由这些功能模块组合成不同的加工中心总体方案。以设计为目录作为选择变异机械结构的工具，提出将设计的解元素进行完整的、结构化的编排，形成解集设计目录。并在解集设计目录中列出评论每一个解的附加信息，非常有利于设计工程师选择解元素。根据机械零部件的联接特征，将其归纳成四种类型：1)元件间直接定位，并具 有自调整性的部件；2) 结构上具有共性的组合件；3)具有嵌套式结构及嵌套式元件的联接 ；4)具有模块化结构和模块化元件的联接。并采用准符号表示典型元件和元件间的连接规则，由此实现元件间联接的算法化和概念的可视化。在进行机械系统的方案设计中，用“功能建立”模块对功能进行分解，并规定功能分解的最佳“粒化”程度是功能与机构型式的一一对应。“结构建立”模块则作为功能解的选择对象以便于实现映射算法。2、基于产品特征知识的设计方法基于产品特征知识设计方法的主要特点是：用计算机能够识别的语言描述产品的特征及其设计领域专家的知识和经验，建立相应的知识库及推理机，再利用已存储的领域知识和建立的推理机制实现计算机辅助产品的方案设计。机械系统的方案设计主要是依据产品所具有的特征，以及设计领域专家的知识和经验进行推量和决策，完成机构的型、数综合。欲实现这一阶段的计算机辅助设计，必须研究知识的自动获取、表达、集成、协调、管理和使用。为此，国内外设计学者针对机械系统方案设计知识的自动化处理做了大量的研究工作，采用的方法可归纳为下述几种。2.1编码法根据“运动转换”功能(简称功能元)将机构进行分类，并利用代码描述功能元和机构类别，由此建立起“机构系统方案设计专家系统”知识库。在此基础上，将二元逻辑推理与模糊综合评判原理相结合，建立了该“专家系统”的推理机制，并用于四工位专用机床的方案设计中。利用生物进化理论，通过自然选择和有性繁殖使生物体得以演化的原理，在机构方案设计中，运用网络图论方法将机构的结构表达为拓扑图，再通过编码技术，把机构的结构和性能转化为个体染色体的二进制数串，并根据设计要求编制适应值，运用生物进化理论控制繁殖机制，通过选择、交叉、突然变异等手段，淘汰适应值低的不适应个体，以极快的进化过程得到适应性最优的个体，即最符合设计要求的机构方案。 2.2知识的混合型表达法针对复杂机械系统的方案设计，采用混合型的知识表达方式描述设计中的各类知识尤为适合，这一点已得到我国许多设计学者的共识。在研制复杂产品方案设计智能决策支持系统DMDSS中，将规则、框架、过程和神经网络等知识表示方法有机地结合在一起，以适应设计中不同类型知识的描述。将多种单一的知识表达方法(规则、框架和过程)，按面向对象的编程原则，用框架的槽表示对象的属性，用规则表示对象的动态特征，用过程表示知识的处理，组成一种混合型的知识表达型式，并成功地研制出“面向对象的数控龙门铣床变速箱方案设计智能系统GBCDIS”和“变速箱结构设计专家系统GBSDES”。2.3利用基于知识的开发工具在联轴器的CAD系统中，利用基于知识的开发工具NEXPERT-OBJECT，借助于面向对象的方法，创建了面向对象的设计方法数据库，为设计者进行联轴器的方案设计和结构设计提供了广泛且可靠的设计方法谱。则利用NEXPERT描述直线导轨设计中需要基于知识进行设计的内容，由此寻求出基于知识的解，并开发出直线导轨设计专家系统。2.4设计目录法构造了“功能模块”、“功能元解”和“机构组”三级递进式设计目录，并将这三级递进式设计目录作为机械传动原理方案智能设计系统的知识库和开发设计的辅助工具。2.5基于实例的方法在研制设计型专家系统的知识库中，采用基本谓词描述设计要求、设计条件和选取的方案，用框架结构描述“工程实例”和各种“概念实体”，通过基于实例的推理技术产生候选解来配匹产品的设计要求。3、智能化设计方法智能化设计方法的主要特点是：根据设计方法学理论，借助于三维图形软件、智能化设计软件和虚拟现实技术，以及多媒体、超媒体工具进行产品的开发设计、表达产品的构思、描述 产品的结构。在利用数学系统理论的同时，考虑了系统工程理论、产品设计技术和系统开发方法学VDI2221，研制出适合于产品设计初期使用的多媒体开发系统软件MUSE。在进行自动取款机设计时，把产品的整个开发过程概括为“产品规划”、“开发”和“生产规划”三个阶段，并且充分利用了现有的CAD尖端技术虚拟现实技术。1) 产品规划构思产品。其任务是确定产品的外部特性，如色彩、形状、表面质量、人机工程等等，并将最初的设想用CAD立体模型表示出，建立能够体现整个产品外形的简单模型，该模型可以在虚拟环境中建立，借助于数据帽和三维鼠标，用户还可在一定程度上参与到这一环境中，并且能够迅速地生成不同的造型和色彩。立体模型是检测外部形状效果的依据，也是几何图形显示设计变量的依据，同时还是开发过程中各类分析的基础。 2) 开发设计产品。该阶段主要根据“系统合成”原理，在立体模型上配置和集成解元素，解元素根据设计目标的不同有不同的含义：可以是基本元素，如螺栓、轴或轮毂联接等；也可以是复合元素，如机、电、电子部件、控制技术或软件组成的传动系统；还可以是要求、特性、形状等等。将实现功能的关键性解元素配置到立体模型上之后，即可对产品的配置(设计模型中解元素间的关系)进行分析，产品配置分析是综合“产品规划”和“开发”结果的重要手段。3) 生产规划加工和装配产品。在这一阶段中，主要论述了装配过程中CAD技术的应用，提出用计算机图像显示解元素在相应位置的装配过程，即通过虚拟装配模型揭示造形和装配间的关系，由此发现难点和问题，并找出解决问题的方法，并认为将CAD技术综合应用于产品开发的三个阶段，可以使设计过程的综合与分析在“产品规划”、“开发”和“生产规划”中连续地交替进行。因此，可以较早地发现各个阶段中存在的问题，使产品在开发进程中不断地细化和完善。我国利用虚拟现实技术进行设计还处于刚刚起步阶段。利用面向对象的技术，重点研究了按时序合成的机构组合方案设计专家系统，并借助于具有高性能图形和交换处理能力的OpenGL技术，在三维环境中从各个角度对专家系统设计出的方案进行观察，如运动中机构间的衔接状况是否产生冲突等等。将构造标准模块、产品整体构造及其制造工艺和使用说明的拟订(见图1)称之为快速成型技术。建议在产品开发过程中将快速成型技术、多媒体技术以及虚拟表达与神经网络(应用于各个阶段求解过程需要的场合)结合应用。指出随着计算机软、硬件的不断完善，应尽可能地将多媒体图形处理技术应用于产品开发中，例如三维图形(立体模型)代替装配、拆卸和设计联接件时所需的立体结构想象力等等。利用智能型CAD系统SIGRAPH-DESIGN作为开发平台，将产品的开发过程分为概念设计、装配设计和零件设计，并以变量设计技术为基础，建立了胶印机凸轮连杆机构的概念模型。从文献介绍的研究工作看，其概念模型是在确定了机构型、数综合的基础上，借助于软件SIGRAPH-DESIGN提供的变量设计功能，使原理图随着机构的结构参数变化而变化，并将概念模型的参数传递给下一级的装配模型、零件设计。网络技术的蓬勃发展，异地协同设计与制造，以及从用户对产品的功能需求设计加工装配成品这一并行工程的实现成为可能。但是，达到这些目标的重要前提条件之一，就是实现产品方案设计效果的三维可视化。为此，不仅三维图形软件、智能化设计软件愈来愈多地应用于产品的方案设计中，虚拟现实技术以及多媒体、超媒体工具也在产品的方案设计中初露锋芒。目前，德国等发达国家正着力于研究超媒体技术、产品数据交换标准STEP，以及标准虚拟现实造型语言VRML(Internet 上基于虚拟环境的标准交换格式)在产品设计中的应用。机械产品的方案设计正朝着计算机辅助实现、智能化设计和满足异地协同设计制造需求的方向迈进，由于产品方案设计计算机实现方法的研究起步较晚，目前还没有成熟的、能够达到上述目标的方案设计工具软件。作者认为，综合运用文中四种类型设计方法是达到这一目标有效途径。虽然这些方法的综合运用涉及的领域较多，不仅与机械设计的领域知识有关，而且还涉及到系统工程理论、人工智能理论、计算机软硬件工程、网络技术等各方面的领域知识，但仍然是产品方案设计必须努力的方向。国外在这方面的研究已初见成效，我国设计学者也已意识到CAD技术与国际交流合作的重要性，及其应当采取的措施。掘进机性能优化掘进机是最灵活的，因此，作为最常见的机械化挖土机，利用在建造隧道或开发和生产在地下矿井中。这些机器是非常灵活，而且可以挖掘的各种大小，形状和类型的开口。从安装的观点上看，即时存取的支撑面就能对他们有非常有利的支持。此外，他们较少资本密集，比其他大多数机械化设备，掘进机由此可以具有了有利的经济性好的优势。不过，运营商也察觉到，掘进机在切削阻力和磨料的岩层的局限性，限制了这些机器在采矿和民间地下施工的广泛应用。一般来说，岩石的形成与一无侧限抗压强度在超过100兆帕斯卡(15000 PSI)的是被视为不适合开挖掘进机 ，除非它是高度节或裂缝。这个限额，反映了在对部分机刀具在挖掘时遇到的阻力和磨料岩层接触的岩石，缺乏刚度，以及作为过分较高的点成本和低产量的利率。不过掘进机，以温和的阻力力和非适度软磨料岩中普遍使用。他们所面对的问题，就是要克服的岩石强度和耐磨性，他们可以削减。在为了改善掘进机的切削能力，过去超过20年对钻头和截割头设计已进行了广泛的研究。这些研究结果表明，钻头必须实现深穿透，让有效率的切割，高生产，避免过度有点磨损。但是，更深的截割，需要在截割头部增大强度，这就需要高截割电机功率和高的抗变形能力。因此，在最近几年，具有较高的切割功率和刚度的重型硬岩机器由制造商开发并引入市场。表现一台机器与某一特定重量和安装截割头的功率匹配的参数是 高度依赖于截割头的设计和钻头的安装分配。改进牙轮钻头保证良好的截割头力平衡可以产生高得多的生产利率，减小由于截割头的振动引起的生产率的下降。本文介绍了地球力学研究所电磁干扰(EMI)的科罗拉多矿业学院(CSM)一项研究的结果表现在的对截割头设计参数和使用的方法来优化头设计，以尽量减少头部震动，并获得最大限度地生产率。影响掘进机的生产率和截割成本的几个参数，包括：岩石参数，如岩石的压缩和拉伸强度，磨蚀矿物含量(即石英)的抗拉强度、百分比，岩石结构整体岩体分类和支持的要求。和矩阵式和硬度，存在面向力学性能的矿物复合材料，和弹性的行为岩石材料。地面条件，例如程度联接(RQD)，综合状况、地下水、断层带、混杂的面孔情况和整体岩石大量分类和支持需要。机器规格，包括机器重量， 截割力， 切截速度，摆动速度，最大的可掘高度、截割头类型(轴向或横向)，钻头的类型、大小和其他特征、钻头的在截割头上的 数量和安装方式位置。操作参数，如形状，大小，长度和开放，倾斜度，轮流或交叉削减，连续的切割和扩大行动中，有多少岩层在隧道的道路，地面支持的方法，和工作时间表的意义人数轮班每天天内，每星期的百分比等。综合这些参数确定了某一特定机在某一个岩石参数和地面条件下的生产能力。在1994年尼尔的会议上，已经给出了大量的充分考虑影响掘进机的性能和生产率的参数估计方法。在这些参数，也有一些无法控制。它们包括岩石和地面条件，以及一些运行参数。因此，当一条隧道或巷道确定的条件下，具体到某一项目，唯一的可控参数就是掘进机参数。一般情况下，第一步是要确定是否掘进机是可行的和可以工作一个合理的生产速度下的特定情况。第二步是选择工人阶级和一般规格的机器加以考虑为就业之间的机器可以在市场上。第三步是符合目前各种特色的岩石和地面的条件，另一方面，以尽量提高其产出率。这可以通过深入研究，设计参数和优化设计的实践来实现。另外，对于现有的机器已经工作在各站上的，它始终是有利于进行这种研究，以增加生产力并降低开挖成本。在掘进机的运用中，有许多研究致力于，可能的参数修改，实现更高的产出率。此外，掘进机截割的岩石强度极限为在该行业里需要移动作业的硬岩掘进机面临的问题。以下是一些解决为提高截割头的生产力和扩大他们的经济适用于硬岩的办法。当运用巷道掘进机时，有关于达到更高的生产率的可能的修改做了许多研究。 并且，巷道掘进机的岩石力量极限经常挑战归结于需要对于在产业的一种流动硬岩挖掘机。 下列是为增加巷道掘进机生产力提议的有些解答并且扩大他们对硬岩的经济适用性：-改变在材料和设计的钻头；-改善机械设计反应整体截割头截齿的力；-改善截割头设计。首要的考虑，在钻头设计涉及到的限制是，在与岩石作用时，钻头的形状和岩石力学性能影响着施加在岩石上的力量。显然，为实现更深的截割，需要较高的切削力，可作用于对钻头的是有限制的最高力量。而在切割石英丰富的岩石类型中，截齿材料必须具有一定的耐磨和韧性，以承受冲击载荷。使用碳化钨与钴合金，部分解决了这个问题和改进截齿的寿命。此外，新的钎焊及表面处理技术，以改善耐磨性截齿桑克斯增强截齿的耐磨性。在条款位形状，指向攻击(圆锥)截割头，虽然他们是不是自封的激化，有时声称，增加了截齿的寿命和工作效率，由于他们的能力，保持一定的配置文件一个较长时期内的时间。使用这些位几乎已成为标准的重型掘进机并改善他们的工作效率。应用切割技术对掘进机可以改善刀具的寿命，使这些机器攻击更硬的岩石。 一微型切割机最近已在科罗拉多矿业学院研制成功。该截齿的平均直径是12.5厘米(5英寸)，安装一个5厘米(2英寸)的悬臂式轴用滚针轴承。截割同样的深度，微型截齿上的截割力要比常规的盘型刀盘上的截割力要小得多。微型截割头是重量轻，遇到问题，能够很容易处理和更换，而且钻头在掘进机截割头上大约需要同一空间大小作为为标准。这些独特的功能，采用微型截齿是一个非常有前途的解决适用范围扩大至截割头能开挖困难的岩层的方案。机械设计，主要是根据机械的性能和作用于截割头上的截割力。机器的质量和整体几何尺寸决定可用于截割头上力的大小和最大力的方向。在本质上，该掘进机的能力，性能参数(即掘进机掘进能力，截割电机，升降能力，后支撑力)是取决于机器的质量。较大的机器质量是通常与较大的截割头想匹配，以便为反应掘进需要实现的较高的生产率。其中的限制因素，传统上一直是掘进机掘进轴向力或以截割力的大小来确定机型。这股力量通常是由牵引的努力抓取工具产生的，这是被普遍认为缺乏效率的，尤其是运用在软，湿的楼层。安装伸缩臂对新一代的截割头 ，在相当大的程度上，缓解这个问题。伸缩臂提供推进力，而机器仍然平稳。这使得更好地利用机器的质量和摩擦之间的履带式和地面。安装了一套插孔，以增加掘进的能力和较高的安装截割头的功率，也有助于改善截割头的切削能力 。偶尔，面积较大航道已被用来增加截割电机功率，并允许更好地利用机器大规模增加生产率，而在机械液压系统不需要任何改变。两种类型的掘进机，撷取(横向)和铣削(在网上或轴流式)截割头，撷取类型更适合于坚硬的岩石切割。这是由此产生的阻力是沿着煤层壁的方向，(而不是垂直)，在掘进过程更有效地削减阻力，更好地利用机器的质量来产生更有效的摩擦力。对两种类型的截割头型式，进行优化设计是必要的，以配合岩石切割的特点和最大限度地生产率。设计参数包括截齿间隔，截齿位置，其倾斜角度，斜的角度。间距之间的截线必须通过分析岩石破坏行为和预期的深度渗透来进行优化。此外，截割头的布局必须平衡，通过控制刀具的位置，以创造一个更合适的(队)的分布，以尽量减少震动。这个问题是至关重要的，因为增加的间距程度不足会影响刀具数量和潜在的更高的震动。头部振动可产生不利影响的生产速度，机器的寿命和维修。因此，通过优化截割头设计，取得了良好的平衡截齿的分布数据和减少振动，可以提高的表现，给定机器和最主要的优化目标，目前所讨论的文件在以下各节附录BTHE PROGRAMMES OF MODERN MECHANICAL DESIGN The mechanical design of products that is not purely mathematical calculations using the methods, also difficult to use mathematical models to describe the complete, and must be in accordance with product features Formal description help design expert knowledge and experience for reasoning and decision-making. Thus, for the purpose of computer-aided design products, the need to address the use of computer storage and product design knowledge and design experts, and other parties to the decision-making problem, The resulting product characteristics of knowledge-based design methods. At present, the intelligent design method is to use 3D graphics software and virtual reality technology in design, visualization better, Users can develop early in a certain degree of direct participation in the design, but systemic poor, and parts of the structure, shape, Size, location to determine the reasonable, demand software with high degree of intelligence, or have extensive experience in the designers. 2, the modular design structure From the perspective of planning products : definition of design tasks to the functional structure-based products, The product has been used solutions (such as common parts and components, etc.) to describe the design task, That the decomposition of tasks on each task to consider whether there are corresponding to the product solution, so that in the product planning stage design tasks to eliminate potential conflicts, early production forecasts, costs, and the development of the design process of adjustment, which can improve design efficiency and reliability, while also reducing the cost of new product. Feldmann will describe the design of the function of the product mix is divided into four tiers, (1) Product (2) functional components (3) major functional components (4) functional components. And using application-oriented features of the directory structure, the functional components for more specific qualitative and quantitative description. Meanwhile developed products suited to the development of an early design stage and the use of the software tools STRAT. That the majority of machinery specialized functions can be used existing product solutions, and with the new solution is only a small number of special features, Therefore, the exclusive use of mechanical design functions of the product mix, machinery specialized for the evaluation of the design, manufacturing risks are very favorable. Promotion of the product function on the basis of the analysis, will be divided into products with a particular function in one or several of the basic modular structure, through options and combinations of these basic modular structure formed into different products. These basic structures can be parts, components, or even a system. Ideal modular structure should have a standardized interface (Department of connectivity and tie), and is serialized, and generalized, integrated, hierarchical, flexible, economy, interchangeability is, compatibility and relevance. Chinas combination of software component technology and CAD technology, design and deformation of composite design combined according to the classification modular theory, machine processing center will be divided into small and product level, component level, component level and component level, and the use of expert knowledge and technology to their CAD portfolio into different varieties, the functional module specifications, by the combination of these functional modules into different processing center overall program. The design for the directory as a choice variation mechanical structure tools, design elements for the solution of integrity, Structure of the organization formed Solution Set design catalog. And the solution set design directory listed a comment on each of Additional Information Solutions, is very conducive to the solution design engineers to choose elements. According to the mechanical parts connectivity features, be grouped into four types : 1) direct inter-positioning components, and self-adjustment of components; 2) structure common to the assembly; 3) having a nested structure and nested components connectivity; 4) modular structure with modular components and connectivity. And the potential use of symbols said typical components and the connecting element rules, This realization of the connection between the components of the algorithm and the concept of visualization.Mechanical systems during the design, the functional establishment of a module to function decomposition, and a functional decomposition of the best pills with the degree of functional institutions type correspondence. Structure establishment of a module, as a functional solution of choice in order to achieve mapping algorithm. 2, the characteristics of knowledge-based Product design knowledge-based product design characteristics of the main features : using computers to identify the language to describe the characteristics of the product and its design experts in the field of knowledge and experience, corresponding inference engine and knowledge base, Reuse stored domain knowledge and reasoning mechanism established by the Computer Aided Design program. Mechanical systems design is mainly based on the products with the characteristics and the design of experts in the field of knowledge and experience in policy-making and implementation capacity, completing the type, consolidated. To achieve this stage of the computer-aided design, research must automatic acquisition of knowledge, expression, integration, coordination, management and use. To this end, scholars at home and abroad design mechanical systems design knowledge of automated processing done a lot of research work, The method can be summarized in the following several. 2.1coding method Under the conversion campaign functions (functions) to organizations classified, and the use of codes to describe functional yuan and the institutional category, which established the System Design Expert System knowledge base. On this basis, binary logic and fuzzy theory combined the establishment of the expert systems of the reasoning mechanism, and work spaces for four Special Machine Design program. Use of the theory of biological evolution through natural selection and sexual reproduction to the evolution of organisms principle, At the institutional design, the use of network theory to map the structure of expression topology map, and through the coding technology put the structure and properties of individual chromosome into a binary string of a few, and prepared in accordance with the design requirements fitness, use of the theory of biological evolution control reproductive mechanism, through selection, crossover, sudden variations, and other means adapt to the low value out unsuitable individuals, a rapid evolutionary process is the optimal adaptive individual, that is the best design requirements of agency programs. 2.2 knowledge mixed expressions Complex mechanical systems design, adoption of hybrid knowledge expression to describe the design of all types of knowledge is particularly well-suited, This has been our design many scholars consensus. In the development of complex product design intelligent decision support system DMDSS, to the rules, frameworks, process and neural network methods of knowledge representation and combined with the design to suit different types of knowledge described. Of a single variety of methods of knowledge representation (rules, the framework and process), according to the object-oriented programming principles. with the framework of the slots said the attribute with the rules said the dynamic characteristics of objects using a process that knowledge, A mixed composition of the knowledge expression patterns, and successfully developed the object-oriented NC milling machine gearbox design GBCDIS intelligent system and change Speed box structure design expert system GBSDES. 2.3 the use of knowledge-based development tools Coupling in the CAD system, the use of knowledge-based development tools NEXPERT - DCOM. using the object-oriented methods, the creation of object-oriented database design, Coupling of designers for the design and structural design provides a broad and reliable design spectrum. NEXPERT is using the linear guide describes the design needs to be based on knowledge of the design, This seeking out of knowledge-based solutions, and develop linear guideway design expert system.2.4 Design of Contents Construction of modules, functional element solution and body three progressive design directory, This will be three progressive design directory as a mechanical transmission programs Intelligent Design Theory of Knowledge Base system design and development support tools. 2.5 Based on the example of the method In the development of expert system-based design of the knowledge base, using the basic description of the predicate design requirements, conditions and design of the selected program, frame structure described engineering practice and various concept entity, through case-based reasoning technology to generate candidate solutions to the allocation aspirin products design requirements. 3, Intelligent Design Intelligent Design is the main features : design theory, using 3D graphics software, Intelligent design software and virtual reality technology, and multimedia, hypermedia tools for product development design, Expression product ideas, describing the structure of products. In the use of mathematical theory at the same time, in consideration of the theory of systems engineering, product design technology and systems development methodologies VDI2221. developed for product design in the early development of the multimedia system software MUSE. Automatic teller machines during the design, the entire product development process as product planning development and production planning stage three, and full use of existing CAD cutting-edge technologies - virtual reality technology. 1) Product Planning-concept products. Its task is to determine the external product characteristics, such as color, shape, surface quality, ergonomics, etc., and the idea of using the initial three-dimensional CAD model shows that the establishment of products to reflect the shape of a simple model, The model can establish virtual environment, using data cap and 3D mouse, Users also to some extent involved in the environment, and can quickly generate different shapes and colors. Detection is a three-dimensional model of the effect of the external shape, as well as a design variable geometry shows that the basis for the same time the process of developing various types of analysis. 2) development-design products. According to the main stage, Synthesis System principle, a three-dimensional model of the configuration and integration solution elements, Solutions based on the design elements of the different goals have different meanings : it is the basic elements, such as bolts, or wheel shaft connected; it can also be a composite elements, such as mechanical, electrical and electronic components, control technology or software components of the drive system; It may also be requested, character, shape, and so on. To achieve functional solution of the key elements of the three-dimensional distribution model, will be the configuration of products (design model solution to the relations between elements), Product Configuration analysis is integrated product planning and development an important means of the results. 3) production planning-processing and assembling products. At this stage, mainly discusses the assembly process of CAD technology, proposed using computer image display solution elements in the corresponding location of the assembly process. through virtual assembly model reveals fashion and the relationship between the assembly, which found difficulties and problems, and find a way to solve problems, and that technology will be integrated CAD product development for the three stages, the design process can be integrated with the analysis of the product planning, development and production planning to the alternating row. Therefore, it can be found in all the earlier stages of the problems that exist so that their products in the development process of continually refined and improved. Chinas use of virtual reality technology is still in the design phase has just begun. The use of object-oriented technology, focus on the chronology of the agencies synthesis package design expert system, and with the help of high-performance graphics and the ability to handle the exchange of OpenGL technology, in 3D environment from all angles right expert system design program for observation, If inter-agency campaign convergence position of conflict, and so on.Construction of the standard modules, overall product structure and its manufacturing process and use the design (see Figure 1) as rapid prototyping technology. Recommended in the product development process will be rapid prototyping technology, multimedia technology and virtual expression and neural networks (used in various stages of the process required for the occasion) combined application. With that computer software and hardware to keep on improving. will be possible to multimedia graphics processing technology for product development, For example, 3D graphics (3D model) to replace assembly, demolition and design Connector when the three-dimensional structure of the imagination, and so on. Intelligent CAD system SIGRAPH-DESIGN as a development platform product development process is divided into conceptual design, assembly design and components design and design variables to technology as the foundation, a cam linkage Offset conceptual model. From the literature on the research work, the concept of the model is to determine the type of institutions, a number of consolidated basis, using software SIGRAPH-DESIGN design variables for the function, With the diagram so that the structure and change parameters, and the concept of model parameters passed to the assembly under one model, parts design. Network technology to flourish, Collaborative Design and Manufacturing, and the users of products from the functional requirements Design processing finished assembling the parallel project of the possible. However, to achieve these objectives by one of the important prerequisites for that product design effect of 3-D visualization. To this end, 3D graphics software, intelligent design software used in more and more products to the design, Virtual reality technology and multimedia, hypermedia tool is the design of products began to bear fruit. Currently, Germany and other developed countries are focused on research-media technology, product data exchange standards STEP, and the standard Virtual Reality Modeling Language VRML (Virtual Internet platform environment based on the standard exchange format) Product design applications. Mechanical Products programs are moving towards computer-aided design to achieve, Intelligent Design Collaborative and meet the needs of design and manufacturing direction. product design computer method of a late start, but there were no mature, to achieve the above objectives of the program design software tools. The writer believes that the integrated use of four types of text is designed to achieve this objective effective way. Although these methods are integrated use of the field more, not only with the mechanical design of the domain knowledge, but also to the theory of systems engineering, artificial intelligence, computer hardware and software engineering, Network technology and other fields of knowledge, it is still necessary product design efforts. Abroad in research in this area has achieved initial success. My design scholars have been aware of CAD technology and international exchange and cooperation of the importance and the measures that should be taken. ROADHEADERS PERFORMANCE OPTIMIZATIONRoadheaders are the most flexible and thus the most common mechanized excavators utilized in the construction of tunnels or development and production in underground mines. These machines are very mobile and can excavate various size， shape and type of openings. They provide immediate access to the face which is very favorable from a support installation viewpoint. Also they are less capital intensive than most other mechanized tunneling machines and therefore， can provide favorable economics. The limitation of roadheaders in cutting hard and abrasive rock formations， along with being operator sensitive， however， restricts the widespread application of these machines in mining and civil underground construction. Generally， a rock formation with an unconfined compressive strength in excess of 100 MPa (15，000 psi) is considered to be unsuitable for excavation by roadheaders unless it is highly jointed or fractured. This limit reflects the lack of stiffness on the part of machine to hold the cutters in contact with the rock， as well as the excessively higher bit costs and low production rates that are encountered in excavation of hard and/or abrasive rock formations. However， roadheaders are commonly used in soft to moderately hard and non to moderately abrasive rocks. The challenge they face is to overcome the limit of rock strength and abrasiveness that they can cut. In order to improve the cutting ability of roadheaders， extensive studies on bit and cutterhead designs have been conducted over the past two decades. The result of these studies show that bits must achieve deep penetrations to allow efficient cutting， high production， and prevent excessive bit wear. Deeper penetrations， however， create high forces on the head， which require high machine power and mass to react to these forces. Therefore， heavy duty hard rock machines with higher power and more mass have been developed and introduced into the market by manufacturers in recent years. The performance of a machine with a given weight and installed cutterhead power is highly dependent on the head design and bit allocation. A well balanced cutterhead can produce much higher production rates due to reduced vibration of the head and improved rock bit contact. This paper presents the results of a study performed at the Earth Mechanics Institute (EMI) of the Colorado School of Mines (CSM) on the cutterhead design parameters and the approaches used to optimize the head design to minimize head vibrations and to maximize production rates. The roadheader production rate and bit costs are controlled by several parameters including： Rock parameters， such as rock compressive and tensile strength， percent of hard and abrasive mineral content (i.e. quartz)， rock fabric and matrix type and hardness， existence of oriented mechanical properties in the mineral composite， and elastic behavior of rock material. Ground conditions， such as degree of jointing (RQD)， joint conditions， ground water， fault zones， mixed face situations， and overall rock mass classification and support requirements. Machine specification， including machine weight， cutterhead power， sumping， arcing， lifting， and lowering forces， cutterhead type (axial or transverse)， bit type， size， and other characteristics， number and allocation of bits on the cutterhead， and capacity of the back up system. Operational parameters， such as shape， size， and length of opening， inclination， turns or cross cuts， sequence of cutting and enlargement operation， number of rock formations in the tunneling path， ground support method， and work schedule meaning number of shifts per day and days per week etc.A combination of these parameters determines the production capacity of a given machine in a certain rock formation and ground condition. A full account of parameters affecting roadheader performance and methods for production estimates is given in Neil 1994. Among these parameters， there are some that can not be controlled. They include the rock and ground conditions as well as some operational parameters. Therefore， when a tunnel or drift is planned to be excavated under a certain condition with requirements specific to the particular project， the only controllable parameters are machine parameters. Normally， the first step is to determine whether roadheaders are feasible and can work with a reasonable production rate under given situation. Second step is to select the class and general specifications of machine to be considered for the job among the machines available in the market. Third step is to match the current machine characteristics to the rock and ground conditions in hand to maximize its production rate. This can be accomplished through a thorough study of design parameters and design optimization practice. Also， for the existing machines already working in the job site， it is always beneficial to conduct such study to increase the productivity and reduce excavation costs. There have been numerous studies on possible modifications to achieve higher production rates when utilizing roadheaders. Also， the rock strength limit for roadheaders has been constantly challenged due to the need for a mobile hard rock excavator in the industry. The following are some solutions proposed for increasing the productivity of roadheaders and extend their economic applicability to harder rocks： - change in material and design of bits， - improve the machine design to respond to the overall cutting head forces，- improve the cutterhead design.Th
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