20t桥式起重机毕业设计

1 摘摘 要要 桥式起重机主要应用于大型加工企业 如钢铁 冶金和建材等行业 完成生产过程中的起重和吊装等工作 其中用于生产车间的桥式起重机 是起重机的一个主要类型 由于起重机行驶在高空 作业范围能扫过整个 厂房的建筑面积 具有非常重要的和不可替代的作用 因而深受用户欢迎 得到了很大发展 桥式起重机主要由机械部分 金属结构和电气三大部分所组成 机 械部分是指起升 运行 变幅和旋转等机构 还有起升机构 金属结构是 构成起重机械的躯体 是安装各机构和支托它们全部重量的主体部分 电 气是起重机械动作的能源 各机构都是单独驱动的 构成桥式起重机的主要金属结构部分是桥架 它横架在车间两侧吊车 梁的轨道上 并沿轨道前后运行 除桥架外 还有小车 小车上装有起升 机构和运行机构 可以带着吊起的物品沿桥架上的轨道运行 于是桥架的 前后运行和小车沿桥架的运行以及起升机构的升降动作 三者所构成的立 体空间范围是桥式起重机吊运物品的有效空间 通用桥式起重机一般都具 有三个机构 起升机构 起重量稍大的有主副两套起升机构 小车运行机 构和大车运行机构 另外还包括栏杆 司机室等 本论文研究的是电动双梁桥式起重机 额定起重量 75 20t 设计的 主要内容是小车运行机构和小车的起升机构的设计计算 大车的起升机构 的主要计算 2 目录目录 第一章第一章 背景技术背景技术 3 第二章第二章文献评估文献评估 11 第三章第三章起重机的技术与说明起重机的技术与说明 19 3 13 1 起重机主起升机构计算 19 3 23 2 起重机小车运行机构计算 28 3 33 3 起重机副起升机构计算 37 3 43 4 大车运行机构计算 46 致致 谢谢 56 参考文献参考文献 57 3 第一章第一章 背景技术背景技术 起重机作为冶金行业安全 正常生产必不可少的关键和重要设备 其 工作的可靠性 安全性 先进性一直受到人们的高度重视 但受传统冶金 工艺的制约 改革开放前的三十年国内冶金起重机基本是在原苏联的模式 下做一些小型的改进和发展 随着改革开放的不断深入 大量国外先进技 术的引入 现代冶金起重机也发生了较大的变化 本文结合国内冶金企业 冶金工艺的改进及最终用户的使用要求 对冶金起重机的发展趋势谈一些 看法 例如 冶金起重机作为冶金行业安全 正常生产必不可少的关键和重 要设备 其工作的可靠性 安全性 先进性一直受到人们的高度重视 但 受传统冶金工艺的制约 改革开放前的三十年国内冶金起重机基本是在原 苏联的模式下做一些小型的改进和发展 随着改革开放的不断深入 大量 国外先进技术的引入 现代冶金起重机也发生了较大的变化 本文结合国 内冶金企业冶金工艺的改进及最终用户的使用要求 对冶金起重机的发展 趋势谈一些看法 冶金起重机一般人们主要指服务于冶金企业的铸造起重机 料箱加料 起重机 板坯搬运起重机 钢卷夹钳起重机 磁盘起重机和服务于冶金厂 工作级别较高的其它桥式起重机 由于冶金企业炼钢 铸坯 铸锭 轧钢 工艺的改变 脱锭起重机 均热炉夹钳起重机 刚性料耙起重机 平炉桥 式加料起重机 均热炉揭盖起重机等传统冶金起重机已逐步趋于淘汰 这 4 里不做进一步的分析 仅就前面几种现在冶金企业大量使用的起重机其发 展趋向做一些初步的分析探讨 起重量大型化 工作速度高速化现代冶金起重机发展的主要趋势之一 是起重量大型化 工作速度高速化 随着社会的发展对冶金企业的要求也 在逐步提高 这不仅表现在对冶金产品的数量要求上 更重要的是表现在 对冶金产品的质量和品种方面 由于社会需求的增加推动和促进了冶金企 业的技术改造和技术进步 大型转炉 连铸 连轧技术的应用 对冶金起 重机的大型化和高速度提出了更高的要求 现就国内主要冶金起重机生产 企业铸造起重机的发展情况做一简单的统计 从上表可以看出 五十年来 主钩起升速度和起重量均有较大幅度的提高 起升 运行机构均采用调速系统早在 70 80 年代 随着交流调速技 术的发展和成熟 国外各著名起重机制造厂纷纷推出各机构调速的承诺 调速范围因采用的调速方式不同而不同 现设计大量使用的是定子调压和 变频调速系统 起升机构以定子调压为多 运行机构以变频为多 机构采 用调速以后具有以下明显优点 a 机构起 制动平稳当机构起 制动时仅以正常速度的 1 10 或 1 20 微速起动或制动时 被吊物体平稳运行 对起吊钢水包的铸造起重 机特别有利 b 可有效减少制动器闸块的磨损 c 被吊物体能准确定位 d 减少对金属结构 桥架或小车架 和传动系统的冲击 延长使用寿命 5 e 可有效改善操作工人的工作环境 f 减少起动对电网的冲击 使用调速系统后也带来如下问题 a 起重机的造价提高 b 对维修电工的技术水平要求较高 虽然采用调速系统后会增加设备 成本 加大维修难度 但随着技术的进步 调速系统的造价也在逐步降低 而其优越性却越加明显 系统调速以后 其工作情况的改变为其发展奠定 了坚实的基础 监测传感控制技术广泛应用 使用性能和可靠度大大提高随着科学技 术的进步 各种监测 传感控制技术在冶金起重机上得到了广泛的应用 从而使起重机的使用性能得到很大的提高 使冶金起重机从以前简单意义 上物料搬运工具变成目前的物流 信息流综合传送设备 秤量装置 在铸造起重机上设置数字式秤量装置 小显示屏放在司机 室内 大显示屏设在主端梁下 朝向地面 使盛钢桶内的钢水重量随时显 示 该数据联到计算机房内 一方面可累计每日的产量 另一方面可根据 连续板坯的大小 块数来决定盛钢桶应盛放的钢水量 减少浪费 随着各 种大型高精度电子秤的应用 冶金起重机在搬运物品的同时 还可完成产 量的统计 超载断电和报警等功能 故障显示 记录 打印装置在连续生产的钢铁企业里 时间就是金钱 在起重机出了故障后 希望维修时间减至最短 故障显示装置可将正发生 故障的部 零件名称在司机室内的显示屏上显示出来 维修人员立即知道 故障发生的部位 可大大缩短维修时间 易出故障的电气和机械的零部件 6 由业主列出清单 起重机制造厂按业主要求设置故障显示点 一旦被监测 零部件出现故障 就会在屏幕上显示出来 避免更大故障的发生 该装置 除具有显示功能外 还具备记录 打印功能 备查找故障原因 落实核对 责任的需要 二 三维定位装置吊具在空间的位置可通过本装置在司机室内的显示 屏上显示 定位精度可控制在 10mm 以下 可满足各类自动作业线的工艺 要求 司机可通过显示屏上显示的数字直观地确定吊具或物体是否已到达 该物体应到达的位置 大大缩短起吊时间 也避免物体的晃动 可有效提 高生产效率 防碰撞装置过去为防止二台起重机碰撞 仅安装限位开关和缓冲器 现有激光式或雷达式防碰撞装置 在一台起重机设发射装置 在另一台起 重机设接受或反射装置 达到预先设定的间距时 就发出报警 避免发生 相撞 安全制动器在吊运重要物体 如 核原料 液态金属 大水电站的发 电机转子等 起重机的主起升机构的卷筒上设置安全制动器 在该卷筒一 侧法兰的轮缘上根据制动力矩的需要可设置一对 二对甚至三对瓦块 由 专设的液压站进行控制 起动时 安全制动器先打开 设在高速轴上的工 作制动器后打开 制动时 工作制动器先制动 安全制动器滞后几秒再制 动 安全制动器的作用是保证工作制动器与安全制动器之间所有传动链环 节中任一传动件损坏或断裂时 被吊物件均可安全 把各种监测 传感技 术适当地应用在起重机上 实现对冶金起重机的有线或无线控制 既是现 代冶金起重机发展的方向 同时也应成为个设计工作者应该努力的目标 7 控制技术程序化 遥控技术在特殊环境中使用随着计算机软 硬件技 术的发展和日臻完善 实现程序化控制的起重机也已成为可能 且其控制 范围变得日益广泛 控制功能变得日益完善 各种冶金起重机按照人们事 先约定的模式执行一定的工作任务已成为现实 为了更准确 即时的完成 各种工作任务 各种冶金起重机通过有线或无线与主控设备联动 在主控 室控制已成为可能 遥控冶金起重机和程控冶金起重机已在部分冶金企业 中使用 遥控冶金起重机一般用在一些高粉尘 高污染的危险作业区 如 武钢一炼钢出渣跨 珠江钢厂 八一钢厂等都有遥控起重机在用 而程控 冶金起重机一般用在一些作业效率较高的场合 为提高起重机的使用寿命 减小冲击 提高操作的准确性 运行效率和改善司机的操作环境 宝钢三 期工程中的 1580 干熄焦提升机等都有一定范围的使用 程控起重机和遥 控起重机将得到一定的发展 并逐步被冶金企业所采用 结构型式标准化 生产模式国际化我们之所以把 结构型式标准化 生产模式国际化 作为现代冶金起重机的主要发展趋势提出 主要出于以 下两方面的考虑 a 市场经济对冶金起重机的客观要求由于经济运行体制已由计划转向 了市场 这样为设备采购单位在短时间内利用招投标形式选择质优 价低 产品提供了有力和有利的条件 设备生产厂没有结构型式的标准化和生产 模式的国际化就很难达到用户的要求 b 信息 通信技术的发展为实现产品结构型式标准化 生产模式国际 化提供了充分的物质和技术支持 实现结构型式的标准化还可以把经过实 8 践检验成熟可靠的结构型式应用于新的产品中 避免结构型式的不合理产 生的技术质量问题 从而提高产品的质量 吊车型式普通化 吊具型式专用化把 吊车型式普通化 吊具型式专 用化 作为现代冶金起重机的一个发展趋势提出 主要是出于冶金企业铸 坯轧制技术的更新 即由传统的铸锭 脱锭 钢锭加热 初轧 热轧 到 现在的连铸 连轧 配合传统工艺时 冶金企业需要有 桥式加料起重机 料箱加料起重机 铸造起重机 脱锭起重机 均热炉钳式起重机 均热炉 揭盖起重机 板坯夹钳起重机 刚性料耙起重机 含磁盘 钢卷夹钳起重 机等多种起重机来完成其工艺过程 而采用连铸 连轧工艺时 冶金厂只 要有料箱加料 铸造 板坯夹钳 钢卷夹钳等几种起重机即可完成全部工 艺过程中的物料搬运 使吊车型式得到极大的简化 由于冶金产品品种需 求的多样性 各种专用吊具也应用而生 如配合精整跨的卧卷吊具 立卷 吊具 自对中立卷吊具 揭盖吊具 L 型钩钢板吊具 C 型钩 与可人控 旋转的吊钩配合使用 可实现多种操作功能 2 典型结构和传动型式的分析和认识 2 1 铸造起重机主起升机构的发 展趋势铸造起重机主传动采用星形减速机应成为现代铸造起重机发展的趋 势 现在在用的铸造起重机大部分是采用棘轮棘爪传动 之所以采用棘轮 棘爪的传动有两个原因 一是棘轮棘爪对保证铸造起重机的安全运行确有 其优点 二是星形减速机最初在铸造起重机上使用时连续出过几次问题 冶金部专门下文对星形传动予以停用 经过几十年的反思 以及星形减速 机在进口铸造起重机上使用验证的良好业绩和控制监测技术的发展 我们 认为星形传动在铸造起重机上的应用将逐步扩大 原因有二 其一星形传 9 动基本具备原棘轮棘爪传动的优点 还可实现单电机长时间连续安全运行 其二对以前星形传动造成事故的原因的认识逐步趋于一致 即结构性问题 而非原理性问题 只要通过改进和完善设计就可以避免 加之电气控制监 测技术的进步 星形传动的安全运行已经可以得到有效的保证 板坯夹钳起重机的夹钳装置重力夹钳 电动开闭的重力夹钳 动力夹 钳三种夹钳装置中 动力夹钳因其成本较高 扩大推广受到一定的影响 但由于其优越的工作性能 特别是钳口可实现准确的三维跟踪 可靠夹起 梯形坯 较高的工作效率和不损失起升高度 为实现冶金企业的自动化具 有无可比拟的优点 因而我们认为动力式板坯夹钳起重机在现代冶金起重 机发展上将占越来越重要的作用 桥架 小车架整体加工 桥架 小车架包括一些大型结构件整体加工 是保证冶金起重机产品质量的一项重要措施和有效途径 由于冶金起重机 工作的特殊性 对质量提出了较高的要求 小车架整体加工指焊在小车架 上的电动机底座 制动器底座 减速器支承座 卷筒支承座 和小车车轮 支承座等机座一次性地划线加工而成 相互间的形位 尺寸公差由机床保 证 因此装配工作变得特别简单 只要把电动机 制动器 减速器 卷筒 车轮就位即可 不像旧的办法 它们间的形位 尺寸误差靠塞垫片来调节 简而言之 这些部件间的形位公差由机床精度保证与装配工人的技术等级 无关 排除了人为因素 因而大大提高了装配精度和使用性能 同时也大 大缩短了用户的维修时间 基础传动与控制随着冶金工业的连续化生产 要求冶金起重机具有可 靠性高 调试及定位性能好 具有故障自诊断 操作平稳舒适等功能 其 10 控制结构为 工业 PC 机 PLC 基础传动 基础传动采用变频调速 运行过 程由传统的人为速度控制将逐步过度到准确的 PLC 位置控制 工作信息将 自动传给上位机 工业 PC 最终与整个工厂的管理和控制系统相联是冶金 起重机基础传动与控制发展的主要趋势 基础传动基础传动将以全数字式可控硅定子调压调速 变频调速为主 导 起升机构将采用调压调速或无逆变失败的可逆变式变频调速 例如西 门子 AFE 运行将以变频调速为主 自动控制 PLC 将完成所有自动控制的功能 通过现场总线 如 Profibus 实现对各机构调速装置的速度及定位控制 该方式通讯信息量 大 连线简单 可靠性高 对于板坯连铸使用的板坯夹钳连续自动堆垛 连轧后的钢卷连续自动堆垛 PLC 将根据设定 自动完成定时 定位自动 夹坯 自动定位堆垛 整个过程将自动完成 重复循环 系统将具有自诊 断功能 以确保运行可靠性 故障时 可切换到司机人工操作 并随时从 任一工艺流程点切入自动过程 这将使效率更高 设备运行更合理 故障监测与控制 装在司机室的 PC 机或触摸屏人机界面 将能够显 示各机构运行状态故障信息 并可在 PC 机上设置工艺要求指令 下载至 PLC 启动自动控制功能 实现工艺要求的自动控制过程 工业 PC 机还可 通过通讯实现与工厂管理网的联网 从而实现生产管理自动化 11 第二章第二章 文献评估文献评估 沈阳工业大学 吴芳在 大型塔式起重机非接触式力矩保护技术研究 一文中分析了塔式起重机是工业和民用建筑施工中完成重物吊装工作的主 要设备 具有工作效率高 使用范围广 操作容易 安装拆卸简便等优点 近年来 核电站及建筑业的迅速发展 为塔式起重机的发展创造了前所未 有的发展机会 但同时也提出了挑战 塔式起重机安全事故随着起重机数 量的猛增而频繁发生 减少塔式起重机事故 提高塔式起重机安全性能和 作业效率迫在眉睫 力矩限制器是装备在塔式起重机上的重要超载保护装 置 它为塔式起重机的安全工作提供保障 传统的力矩保护装置是采用一 个机械式的力矩传感器 利用机械变形产生电信号 再将这一信号放大 为操作者提供显示或保护信号 但这种接触式的力矩保护存在着不可避免 的误差 为了提高其可靠性和精度 减小误差 本文在对国内外现有的力 矩限制器进行了深入详尽的对比和分析基础上 借鉴和传承了它们的成功 经验 充分利用现代电子 计算机 传感测控等方面的技术成果 提出了 非接触式的设计思想 进行了新型起重机力矩限制器的研制 该系统的解 决方案具有通用性好 高精度 低成本等优点 1 武汉科技大学机械自动化学院 谢建刚 李尧在 新型双粱铸造起 重机的设计 一文中对新型双梁铸造起重机重新进行设计 使其新设计中 有四根钢绳 并且可以利用现有 50t 起重机的桥架及小车架达到原四梁铸 造起重机的功能和安全指标 铸造起重机的工作任务是非常危险的 因为 其起吊的钢水包里的液态金属温度高达 1200 C 一旦钢水包脱落 带来的 12 是灾难性的后果 故铸造起重机的设计规则中对可靠性的要求非常高 国 标 GB11 83 起重机设计规范 里面对起升机构的制动器安全储备作出了 规定 而 炼钢操作规程 里面规定了起吊钢水包应采用铸造起重机 这 一要求也正与其相应的工作任务一致 此文优点在于 新设计的双梁铸造 起重机与四梁起重机一样有四根承载钢绳 其中任何一根钢绳突然脱落或 断裂均不影响吊钩的平衡 不会导致钢水包的倾覆 运输钢水一类的液态 金属 必须使用有安全冗余设计的铸造起重机 这样可以避免相关事故发 生 本文设计的双梁铸造起重机在中小钢厂因其价格便宜 改造工作量较 小 有一定的推广价值 2 上海西重所重型机械成套有限公司 蔡丽娟 孙承波与宝山钢铁股份 有限公司 戴至前 陈平原在所发表的 桥式起重机节能调速技术改造 一文中阐述了自己在桥式起重机节能调速方面的改造方案 即 在国外 进口产品技术基础上 借鉴其他行业的应用经验 采用变频调速控制装 置改造桥式起重机的调压调速装置 并尽可能地保留原有设备配置 实 现了低成本高性能的改造目标 为同类设备改造提供了技术借鉴 这样 做的优点 我认为变频调速系统运行可靠 响应速度快 节能环保 调 速稳定 故障率低 是起升机构理想的控制装置 完全达到了改造目标 在AFE产品基础上自主集成的桥式起重机变频调速系统为国内首创 技术 性能与西门子成套产品相同 但装置成本明显降低 调试和现场服务的 费用更低 能为系统的正常运行和维护提供技术支持 改造后的变频调 速系统节能效果明显 1台160 kW电机主钩 以1年330 d 每天工作16 h 计算 能节电40万kW h 节省电费超过25万元 3 杨丹对 轨道集装箱龙门起重机运动数值仿真及动力学分析 一 文中龙门起重机主梁结构是起重机工作时最重要的承载部件 其力学性能 对整机的正常运转有直接影响 目前在龙门起重机结构的设计和故障诊断 13 中有以下两方面的问题有待解决 1 过去 在设计和验算中仅是对起重机 金属结构在工作状态下的起始 中间等几个在经验上看来是危险的位置进 行结构分析 而对起重机在从小车起吊载荷到终止整个工作过程中的应力 等力学参量均不知晓 主要是由于实际工作中这项工作太繁琐而无法实现 本文的第一个解决的问题便是对龙门起重机结构在工作状态下的整个运动 过程进行运动数值仿真 2 起升机构起制动时对龙门起重机结构产生强烈 的冲击动载荷 其对整个龙门起重机结构的动态响应未知 针对以上两个 问题 本论文以龙门起重机结构为研究对象 以有限元法和机械动力学为 理论基础和分析手段 运用参数化技术和有限元分析软件 ANSYS 对小车吊 载运行过程中的龙门起重机结构进行了运动数值仿真 研究了龙门起重机 结构的动态特性和龙门起重机结构在起吊时的动力学响应 并采用 VisualBasic 开发了相应的数值运动和动力仿真软件 主要研究工作如下 1 用 ANSYS 的内部命令和 APDL 语言以及参数化技术建立了龙门起重机结构的有限元参数化模型 它 使得有限元分析过程中对模型的修改以及再次计算很方便 快捷 而且不 容易出错 2 用建立好的有限元参数化模型和 ANSYS 的内部命令以及 APDL 语言 编写了小车吊载运动过程中起重机运动数值仿真的命令流文件 具体实现 了仿真 获得了仿真动画 经分析得出了有参考价值的结论 3 研究了龙门起重机结构的动态特性 结合有限元参数化模型编写 了模态分析的命令流文件 提取了前 10 阶固有频率 主振型及其振型图 14 并对结果进行了分析 4 对龙门起重机结构在货物突然起吊受到动载荷的情况进行了瞬 态分析 结合有限元参数化模型编写了瞬态分析的命令流文件 该瞬态分 析主要是以小车满载跨中为基点进行分析的 获得了龙门起重机突然起吊 的瞬态动力响应 包括龙门起重机结构主梁垂直位移 垂直速度 垂直加 速度与时间的响应曲线 并对结果进行了分析 5 有效地运用 VisualBasic 软件对龙门起重机结构的运动数值仿真 和动力学分析进行了封装 独立开发了龙门起重机运动和动力数值仿真软 件 4 单海云对 起重机结构安全性评价系统及基于有限元法的可靠性研 究 一文该论文以港口起重机为研究对象 考虑影响起重机结构的各种因 素 确定金属结构的技术状态 对其安全使用期限进行预测 并采用 Vi sual C 6 0 开发了一套主要针对装卸桥和门座起重机的安全性综合评价系统 此外 运用有限元分析软件 ANSYS 对一台龙门起重机进行可靠性分析 全文 的总体结构如下 全文共分为 7 章 在第一章绪论中综合叙述了国内外对 起重机结构安全性评价的研究和现状 未来的发展趋势和方向 机械可靠 性的发展和应用以及该文的研究目的和意义 简单介绍了该文所做的工作 第二章主要阐述了起重机结构安全性评价的理论基础 在该章的第二节中 对起重机金属结构的裂纹形式和分类进行比较详细的描述 同时应用断裂 力学的知识 推导出裂纹扩展速度公式 控制裂纹的进一步扩展 该章的第 三节论述了起重机金属结构的重要技术性能指标 详细讨论了指标状态指 数和权重 并提出了基于模糊数学的随机模糊法来进一步细化结构的状态 15 指数和权重 根据结构的裂化指数评价结构的状态 并对结构的安全使用期 限进行预测 第三章是开发起重机结构安全性评价系统软件的技术基础 简 单介绍了面向对象的可视化技术和程序设计语言 Windows 程序的消息和 程序流程 在第二章和第三章的理论支撑基础上 第四章就是起重机结构安 全性评价系统软件的实际应用实例 并对计算结果进行分析 确定起重机金 属结构的使用状态 第五章对有限元的基本思想和有限元分析软件 ANSYS 进行了简单的介绍 同时也重点介绍了三种可靠性分析的方法 蒙特卡罗法 响应面法 基于敏感性的分析方法 第六章是有限元法在可靠性分析中的 应用实例 以一台龙门起重机为例 详细描述了在有限元中进行可靠性分析 的三个重要步骤 模型文件的生成 可靠性分析阶段 后处理和结果的提 取 因此该文将理论与实践密切结合起来了 该文的最后一章对全文进行了 总结 提出了几点在将来应当继续研究的问题 5 毛文刚对 起重机疲劳寿命估算与疲劳可靠性安全检测 一文起重机 由于能快速方便地对货物进行搬运 转移 在国民经济建设中发挥了越来 越大的作用 但在工作过程中其结构要承受反复交变载荷作用 很容易产 生疲劳破坏 据统计金属结构的破坏有50 90 属于疲劳破坏 因此需 要对其结构进行疲劳寿命估算 并根据起重机的服役状况进行相应的安全 检测 从而保证其能安全有效地运行 本文通过对各种不同起重机实际工 作情况下结构的受力特征进行计算分析 并参考相关的检测规范以及同类 型起重机结构发生破坏的历史记录情况 选取起重机结构的应力测试点 然后在起重机正常工作情况下测试这些点在不同工况下的应力值 并选取 应力相应比较大的点作为疲劳寿命估算点 测量其应力 时间历程 采用 16 雨流计数法对动态采样得到的应力 时间历程进行循环计数统计 编制出 结构的测试疲劳载荷谱 由于结构的现场动态采样时间远比其整个疲劳寿 命短 本文应用疲劳载荷谱理论将测试疲劳载荷谱外推 得出结构整个服 役期间的全寿命疲劳载荷谱 在依据起重机设计规范推导起重机结构构件 的S N曲线时 本文考虑到小于疲劳极限的应力幅值在结构的疲劳载荷谱 中占了很大部分 对结构的累积损伤同样具有很大的影响 因此本文将结 构构件的S N曲线分成两个阶段来表达 最后结合Miner累积损伤法则 计算结构的疲劳损伤值 并根据起重机的实际工作情况 估算出其剩余疲 劳寿命 同时按照上述原理 编制了一套起重机结果疲劳寿命估算程序 为起重机使用和检测部门提供了一种准确 实用的估算起重机疲劳寿命的 新手段 为相关部门对起重机的安全检测和合理应用提供了一个很好的参 考依据 目前国内起重机都是通过定期对其重要部位进行检测后 来判断 结构的安全状况 这种检测方式具有很大的盲目性 本文将基于疲劳可靠 性的安全检测方式应用到起重机结构的安全检测中 并根据实际工作状况 下测量的应力 时间历程进行统计分析 确定出结构的疲劳可靠度指标曲 线 与保证起重机可以安全运行的结构最低目标可靠度指标进行比较 来 判断结构的安全状况以及下次需要再次进行检测的时间间隔 这种基于疲 劳可靠性的起重机结构安全检测方式在起重机刚投入使用初期 要求的检 测次数较少 这样就节约了检测成本 但到了起重机结构服役的后期 由 于累积疲劳损伤的影响 结构的疲劳可靠度指标曲线下降明显 这样根据 基于疲劳可靠性的方式进行检测可以保证在检测期间起重机结构的安全度 水平始终可以满足安全需要 考虑到Matlab在数值计算 图形数据转换等 17 方面的优点 本文所有的工作都以它为计算平台 同时相关部门可以根据 具体的起重机形式 不同的工作环境状况对上述应用程序进行改进 以满 足特殊的需要 6 林伟华对 基于 COSMOS Works 的龙门起重机金属结构的整体静态性 能分析及结构细节设计的研究 一文针对目前国内外龙门起重机的大型起 重设备金属结构设计的现状 发展动态和发展方向及其在现代工业中的重 要作用 进行了龙门起重机金属结构整体和局部细节的课题研究 目前国 内起重机等大型设备金属结构的设计方法多采用以经典力学和数学为基础 的半理论 半经验设计法和模拟法 直觉法等传统设计方法 使设计的精 度比较低 而且对于结构一些细节部分的设计并没有做深入的研究 本文 运用有限元工程分析理论 对龙门起重机金属结构整体静态力学特性以及 结构局部细节处的应力状态分布进行分析 希望达到指导设计 优化设计 方案和提高起重机技术性能的目的 根据上海振华港机公司的设计需要 对其设计的 600t 造船龙门起重机展开研究 就有限元方法用于起重机的 相关理论和实现原理进行了阐述 在现有的结构分析基础上 对龙门起重 机金属结构进行了建模 单元划分 约束处理 载荷处理以及计算分析等 方面的工作 研究主要分龙门起重机整体结构的静态特性分析和结构细节 的应力状态分析两个部分 分析过程使用了新兴的 CAD CAE 集成软件 COSMOS Works 对其在结构分析中的实用性做了研究 得到了结构的主要 力学特性和结构开孔以及相贯钢管节点的应力集中情况 对设计的产品进 行了较为科学的评价并总结了设计中应予以重视的问题 本文旨在对我国 起重机的计算机工程分析应用手段及设计的细节做进一步的分析研究 希 18 望本文中用于分析的一些手段与方法以及一些分析结论对我国起重机行业 的相关研究有借鉴作用 7 邪小健在对 港口起重机钢结构抗脆断设计的研究 一文港口起重 机的钢结构是起重机的重要组成部分 是整台起重机的骨架 起重机设计 规范 GB3811 83 对钢结构提出了抗屈服 抗失稳和抗疲劳失效的安全 性核算要求 但不能保证抗脆性破坏的安全性 在 F E M 标准 欧洲起重机 械设计规范 1998 年修订版 中对钢结构抗脆性破坏提出了钢材质量选择 办法 本文针对现行起重机钢结构设计 从防止结构脆断的角度就如何合 理选用钢材等级做探讨 8 19 第三章第三章 起重机的技术与说明起重机的技术与说明 设计内容设计内容 计计 算算 与与 说说 明明结结 果果 1 1 确定起升 确定起升 机构传动方案 机构传动方案 选择滑轮组和选择滑轮组和 吊钩组吊钩组 2 2 选择钢丝 选择钢丝 绳绳 3 13 1 起重机主起升机构计算起重机主起升机构计算 按照布置宜紧凑的原则 决定采用如下图 3 1 的方案 按 Q 20t 查 1 表 4 1 取滑轮组倍率 ih 3 承载绳分 支数 Z 2ih 6 L1 A 图 3 1 主起升机构计算简图 查 2 附表 9 选图号为 T1 362 1508 吊钩组 得其质 量 G0 467kg 两端滑轮间距 A 87mm 若滑轮组采用滚动轴承 当 ih 3 查 1 表 2 1 得滑 轮组效率 h 0 985 钢丝绳所受最大拉力 Smax 34631 1kg 34 63KN h i GQ 2 0 985 0 32 46720000 ih 3 Z 6 选 T1 362 1508 吊钩 组 20 设计内容设计内容 计计 算算 与与 说说 明明结结 果果 3 3 确定滑 确定滑 轮主要尺寸轮主要尺寸 4 4 确定卷筒 确定卷筒 尺寸 并验算尺寸 并验算 强度强度 查 1 表 2 4 和 3 表 1 2 7 1 2 9 中级工作类型 工作级别 M6 时 安全系数 n 5 5 钢丝绳计算破断拉力 Sb Sb n Smax 5 5 34 63 190 5KN 查 2 附表 1 选用纤维芯钢丝绳 6 19W FC 钢丝公称 抗拉强度 1670MPa 光面钢丝 左右互捻 直径 d 20mm 钢丝绳最小破断拉力 Sb 220 4KN 标记如下 钢丝绳 20NAT6 19W FC1670ZS220 4GB8918 88 滑轮的许用最小直径 D d e 1 20 25 1 480mm 式中系数 e 25 由 1 表 2 4 查得 由 2 附表 2 选用滑轮 直径 D 560mm 取平衡滑轮直径 Dp 0 6 560 336mm 由 2 附表 2 选用 Dp 355mm 滑轮的绳槽部分尺寸可由 2 附表 3 查得 由 2 附表 4 选用钢丝绳 d 20mm D 560mm 滑轮轴直径 D5 100mm 的 E1型滑轮 其标记为 滑轮 E120 560 100 ZB J80 006 8 87 由 2 附表 5 平衡滑轮选用 d 14mm D 225mm 滑轮轴直 径 D5 100mm 的 F 型滑轮 其标记为 滑轮 F14 225 100 ZB J80 006 8 87 卷筒直径 D d e 1 20 20 1 380mm 式中系数 e 20 由 3 表 3 2 2 查得 由 2 附表 13 选用 D 400mm 卷筒绳槽尺寸由 3 附表 3 3 3 查得槽距 t 22mm 槽底半径 r 11mm 卷筒尺寸 d 20mm D 560mm Dp 355mm D 400mm L 2500mm 21 设计内容设计内容 计计 算算 与与 说说 明明结结 果果 L 10 0 42LtZ D iH h 872242 42014 3 31018 2 3 2152 6mm 取 L 2500mm 式中 Z0 附加安全系数 取 Z0 2 L1 卷槽不切槽部分长度 取其等于吊钩组动滑 轮的间距 即 L1 A 87mm 实际长度在绳偏 斜角允许范围内可以适当增减 D0 卷筒计算直径 D0 D d 400 20 420mm 卷筒壁厚 0 02D 6 10 0 02 400 6 10 14 18 取 23mm 卷筒壁压应力验算 N m2 104 93MPa maxy t Snax 042 0 015 0 34630 6 1093 104 选用灰铸铁 HT200 最小抗拉强度 195MPa b 许用压应力 y 130MPa 1 n b 5 1 195 y 故抗压强度足够 maxy 卷筒拉应力验算 由于卷筒长度 L 3D 尚应校验由 弯矩产生的拉应力 卷筒弯矩图示与图 2 15 y maxy 22 设计内容设计内容 计计 算算 与与 说说 明明结结 果果 L1lx 2Smax SmaxSmax L 图 B 卷筒弯矩图 卷筒最大弯矩发生在钢丝绳位于卷筒中间时 w MlSmax 2 1 max LL S 2 872500 34630 41781095N mm 卷筒断面系数 W 0 1 0 1 D DD i 4 4 400 370400 44 1714597 5 mm3 3 mm 式中 卷筒外径 400mm DD 卷筒内径 400 2 15 370mm i D i D 于是 2 43MPa l W Mw 5 1714597 41781095 合成应力 2 43 33 9MPa l l maxy y l 93 104 130 39 式中许用拉应力 39MPa l 2 n b 5 195 l l l l 强度验算通过 28 95KW e N 选电动机 JZR2 52 8 26 613KW x N 23 设计内容设计内容 计计 算算 与与 说说 明明结结 果果 5 5 选电动机 选电动机 6 6 验算电 验算电 动机发热条件动机发热条件 卷筒强度验算通过 故选定卷筒直径 400mm 长度D L 2500mm 卷筒槽形的槽底半径 11mm 槽距 22mm rt 起升高度 18m 倍率 3 H h i 卷筒 A400 2500 11 22 18 3 左 ZB J80 007 2 87 计算静功率 36 19KW j N 60102 0 vGQ 2 9 85 0 60102 46720000 式中 机构总效率 一般 0 8 0 9 取 0 85 电动机计算功率 0 8 36 19 28 95KW e N jdN k 式中系数由 1 表 6 1 查得 对于 级机构 d k 1 M e M 0 75 0 85 取 0 8 d k d k 查 2 附表 30 选用电动机 JZR2 52 8 其 25 30KW 720rpm e N 1 n 2 GD 3 234kg 电动机质量 390kg d 2 m d G 按照等效功率法 求 40 时所需的等效功率 JC 0 5 0 85 36 19 26 613KW x N40k j N 式中 工作级别系数 查 1 表 6 4 对于 M5 M625k 级 0 5 25k 系数 根据机构平均起动时间与平均工作时间 的比重 查得 由 1 表 6 5 一般起 q t g t 升机构 0 1 0 2 取 0 1 由 2 q t g t q t g t x N e N 电动机发热验 算通过 选 ZQ 500 3CA 减速器 7 8m min v xN e N 25 24 设计内容设计内容 计计 算算 与与 说说 明明结结 果果 7 7 选择减 选择减 速器速器 8 8 验算起 验算起 升速度和实际升速度和实际 所需功率所需功率 9 9 校核减 校核减 速器输出轴强速器输出轴强 度度 图 6 6 查得 0 87 由以上计算结果 故初选电动机能满足发热条件 x N e N 卷筒转速 20 9r min j N 0 D Vih 42 0 14 3 32 9 减速器总传动比 34 4 0 i j n n1 9 20 720 查 2 附表 35 选 ZQ 500 3CA 减速器 当工作类型为 中级 相当工作级别为 M6级 时 许用功率 N 12KW 40 17 质量 345 主轴直径 50mm 轴端长0 i g G 1 d 85mm 锥形 1 l 实际起升速度 9 2 7 8m min v 0 0 i i v 17 40 4 34 误差 100 100 14 15 v vv 2 9 2 98 7 实际所需等效功率 26 613 22 15KW 30KWxN v v Nx 2 9 8 7 e N 25 由 1 公式 6 16 得输出轴最大径向力 max R j GaS max 2 1 R 式中 2 34630 69260N 69 26KN 卷筒上卷绕钢 max aS 丝所引起的载荷 5KN 卷筒及轴自重 参考 2 附表 14 估计 j G R 40 5KN ZQ650 减速器输出轴端最大允许径向 max RR max MM 减速器输出轴 强度足够 选用 YWZ5 315 50 制动器 25 设计内容设计内容 计计 算算 与与 说说 明明结结 果果 1010 选择制动 选择制动 器器 1111 选择联 选择联 轴器轴器 载荷 由 1 附表 40 查得 37 13KN 40 5KN max R 526 69 2 1 R 由 1 公式 6 17 得输出轴最大扭矩 0 7 0 8 max M MiMe 0 0 max 式中 9550 397 9Nm 电动机轴 e M 1 25 9550 n Ne 720 30 额定力矩 2 8 当 40 时电动机最大力矩倍数 max JC 减速器传动效率 95 0 0 Nm 减速器输出轴最大容许转矩 由 36500 M 1 附表 36 查得 0 8 2 8 397 9 40 17 0 95 33970Nm max MM 36500Nm 由以上计算 所选减速器能满足要求 所需静制动力矩 z M z KjM z K 0 00 2 ii DGQ h 1 75 85 0 17 4032 42 0 46720000 53 05 m 530 5Nm 式中 1 75 制动安全系数 由 2 第六章查得 z K 由 2 附表 15 选用 YWZ5 315 50 制动器 其制动转矩 360 710Nm 制动轮直径 315mm 制动器质量 ez M z D 61 4 z G 高速联轴器计算转矩 由 1 6 26 式 Nm 3 1074 9 3978 15 1 8 ec MnM 半齿联轴器 CLZ3 图号 S139 C M M t 带制mm315 动轮半齿联轴 器 图号 S124 C MM t 26 设计内容设计内容 计计 算算 与与 说说 明明结结 果果 1212 验算起动 验算起动 时间时间 式中 电动机额定转矩 前节求出 218 e M 1 5 联轴器安全系数 n 1 8 刚性动载系数 一般 1 5 2 0 8 8 由 2 附表 31 查得 JZR2 52 8 电动机轴端为圆锥形 从 2 附表 34 查得 ZQ 500 减速mmd70 mml105 器的高速轴为圆锥形 mmlmmd85 50 靠电动机轴端联轴器 由 1 附表 43 选用 CLZ3半联轴器 其图号为 S139 最大容许转矩 3150Nm 值 M tC M 飞轮力矩kg m 质量 38 5kg 8 1 2 l GD 2 l G 浮动轴的两端为圆柱形mmlmmd115 65 靠减速器轴端联轴器 由 2 附表 45 选用带制mm300 动轮的半齿联轴器 其图号为 S124 最大容许转矩 M t 3150Nm 飞轮力矩 kg m 质量 38 5 8 1 2 l GD 2 kg 为与制动器 YWZ5 315 23 相适应 将 S124 联轴器所需 制动轮 修改为应用mm300 mm315 起动时间 2 0 2 0 1 21 2 38i DGQ GDC MM n t j q q 式中 1 465 0 403 1 8 22 1 2 GDGDGD d Z 3 688kg m 2 静阻力矩 kg m i DGQ M j 2 00 95 41 85 0 17 4032 42 0 46720000 419 5Nm stq735 0 0 18s z t stz77 0 ztt 27 设计内容设计内容 计计 算算 与与 说说 明明结结 果果 1313 验算制动 验算制动 时间时间 平均起动转矩 Nm 8 596 9 3975 15 1 eq MM 85 0 17 403 42 0 46720000 437 5 15 1 5 419 8 596 2 38 720 2 2 q t 0 735s 通常起升机构起动时间 此时 1s 可在电气设计s5 1 q t 时 增加起动电阻 延长起动时间 故所选电动机合适 由 2 式 6 24 得 制动时间 s i DGQ GDC MM n t je z 18 0 85 0 17 403 42 0 46720000 437 5 15 1 4 35710 2 38 720 2 38 2 2 2 00 1 2 2 1 式中 mN ii DGQ M h j 4 3585 0 4 3432 42 0 46720000 2 0 0 查 1 表 6 6 查得许用减速度 a0 2 a v z t 因为 故合适 stz77 0 ztt 28 设计内容设计内容 计计 算算 与与 说说 明明结结 果果 1 1 确定传动 确定传动 方案方案 2 2 选择车轮 选择车轮 及轨道并验算及轨道并验算 其强度其强度 3 23 2 起重机小车运行机构计算起重机小车运行机构计算 经比较后 确定采用下图 4 1 所示传动方案 图 4 1 小车运行机构传动简图 车轮最大轮压 小车质量估计取 Gxc 6000kg 假定轮压均布 则 Pmax 20000 6000 4 6500kg 65000N 车轮最小轮压 Pmin Gxc 4 6000 4 1500kg 15000N 初选车轮 由 2 附表 17 当运行速度1 6 工作级别为 M6 时 车轮 直径 Dc 350mm 轨道型号为 18 kg m P18 许用轮压为 3 496 Pmax 3 5t GB4628 84 规定 直径系为 250 315 400 500 630mm 故初步选定车轮直径 c D 400mm 而后校核强度 c D 强度验算 车轮直径 400mm c D 材料 ZG340 640 轨道 P18 okn 疲劳计算通过 29 设计内容设计内容 计计 算算 与与 说说 明明结结 果果 3 3 运行阻力 运行阻力 的计算的计算 按车轮与轨道为线接触及点接触两种情况验算车轮接触强 度 车轮踏面疲劳计算载荷 Pc 2Pmax Pmin 3 2 65000 15000 3 48333N 车轮材料为 ZG340 640 s 340Mpa b 640Mpa 线接触局部挤压强度 Pc k1DclC1C2 6 0 315 35 8 0 9 60521N 式中 k1 许用线接触应力常数 N mm2 由 2 表 5 2 查得 k1 6 0 l 车轮与轨道有效接触强度 对于 P24 l b 28 2mm C1 转速系数 由 2 表 5 3 车轮转速 Nc v Dc 35 2 3 14 0 4 28 02r min 时 C1 1 02 C2 工作级别 由 2 表 5 4 当为 M6时 C2 0 9 Pc Pc 故通过 点接触局部挤压强度 Pc k2R2C1C2 m3 0 132 157 52 0 4373 0 97 0 9 50277N 式中 k2 许用点接触应力常数 N mm2 由 2 表 5 2 查得 k2 0 132 R 曲率半径 车轮与轨道曲率半径中的大值 车轮 R1 D 2 315 2 157 5mm 轨道 R2 90mm 故取 R 200mm m 由 R1 R2比值所确定的系数 R1 R2 90 157 5 0 45 由 3 表 5 5 查得 m 0 47 Pc Pc 故通过 根据以上计算结果 选定直径 Dc 400 的单轮缘车轮 标记为 车轮 DYL 315 GB4628 84 II max 强度计算通过 线接触及点 接触强度均通 过 N P QQm 5777 30 设计内容设计内容 计计 算算 与与 说说 明明结结 果果 4 4 选电动机 选电动机 摩擦阻力矩 Mm 2 d ukGQM xcm 查附表 19 由 Dc 350mm 车轮组的轴承型号为 7520 据此选 Dc 315 车轮组轴承亦为 7520 轴承内径和外径 的平均值mm 由 1 表 7 1 和表 7 2125 2 16090 d 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 0 代入上式得 满载时运行阻力矩 2 2 125 0 02 00005 0 600020000 QQm M 91kgm 910Nm 运行摩擦阻力 5777N 2 C QQm QQm D M P 2 315 0 910 当无载式 2 d ukGM xcQQm 2 2 125 0 02 00005 0 6000 15kgm 150Nm 2 0 C QQm Qm D M P 952N 2 315 0 150 电动机静功率 Nj m vP cj 1000 609 01000 225777 12 26kw 式中 机构传动效率 取 0 9 式中 Pj Pm Q Q 满载运行时的静阻力 m 驱动电动机台数 m 1 对于桥式起重机的小车运行机构可按下式 0 Qm P 952N 选电动机 J