200t门式起重机设计说明书

2 起升机构主要部件的设计计算引言起重运输机械通常用于搬运物料，随着大规模现代化生产运输的发展，对于各种起重机械的需求也越来越大，尤其是中小型起重机械以其灵活的高效的特性，在国名经济发展中发挥着重要作用。本文以十吨门式起重机起升机构为例，对其主要组成部分进行设计计算。2.1主要参数200t门式起重机的基本参数:起升重量Q=200t，起升高度H=16m，起升速度V=13.3m/s，跨度22.5m,工作制度M6。2.2确定起升机构传动方案起升机构的设计应该确保满足起重机的主要工作性能，要合理选择机构型式，要使机构工作可靠，结构简单，自重轻和维修保养方便等。 起升机构的传动方案大体可分为闭式传动和开式传动。 （1）闭式传动在电动机和卷筒之间，大多数情况采用传动效率高的圆柱齿轮减速器，而蜗轮减速器由于传动效率低，除特殊环境采用外，一般较少应用，如图2-1所示。图2-1 开式传动 （2）开式传动在电动机和减速器之间，除减速器外还有开式齿轮传动，这种构造类型适用于起升速度较低的情况，如我国生产的大型门式起重机（Q80t）的起升机构多采用这种型式，由于开式齿轮传动适用于圆周速度较低的情况，因此都将其放在靠近卷筒的最后一级传动中，以保证正常工作。综合以上观点，又考虑到本课题的主要参数，选用传动效率高的闭式传动，如图2-2所示。图2-2闭式传动起升方案 1-电动机；2-带制动轮的全齿联轴器；3-制动器；4-减速器；5-全齿联轴器；6-轴承座；7-卷筒；8-带制动轮的半齿联轴器；9-浮动轴；10-半齿联轴器；11-减速器；12-制动轮 起升机构的设计计算主要包括：根据总体设计要求选择合理的结构型式，并确定机构的传动布置方案；按给定的整机主要参数（最大额定起重量、起升高度、起升速度等）确定起升机构参数，并确定机构各部件的结构类型和尺寸；以及机构动力装置的选择计算等。 起升机构的起重零部件的选择计算主要包括：吊钩、起升机构滑轮组倍率、起重钢丝绳、滑轮与卷筒。起升机构的布置如图2.1所示： 图2.3 起升机构布置方案2.3 确定吊钩和滑轮组 吊钩分单钓和双钓，一般场合采用单钓，当起升重量较大时宜用双钩，根据200t其升重量选择单钩。吊钩材质以低碳合金钢或碳素结构钢为主。查标选用G13，自重99KG. 滑轮组分为单联滑轮组和双联滑轮组。单联滑轮组工作时，重物在垂直位移的同时，还会产生水平位移，将对卷筒支承造成附加载荷，而双联滑轮组在工作时重物无水平位移，当两边钢丝绳拉力有差别时，可以自动均载负载。故根据起升重量要求，选用双联滑轮组。如下图所示： 2.4.1双滑轮组 2.4.2单滑轮组 图2.4 滑轮组简图按，查文献8表（2-1）选滑轮组倍率，承载绳分支数：。查文献2选图号为G15吊钩组，得其质量：，两动滑轮间距。2.4 钢丝绳的计算2.4.1 钢丝绳所受最大拉力钢丝绳是由0.20.4mm的优秀碳素钢光钢丝捻制而成，具有强度高，耐磨性好，挠性好，无方向性，弹性大，能承受冲击。根据静载荷使用计算法选择钢丝绳。 若滑轮组采用滚动轴承，当滑轮组倍率时，查文献8表(2-1)得滑轮组效率。 刚丝绳所受最大拉力 (2-1)式中 取物装置重量（kgf）； a滑轮组形势的系数，当为单滑轮组时 a=1； 双滑轮组时 a=2； 滑轮组的效率，可查表可得为 0.985 查文献8表（2-2）得为中级工作类型，中级工作类型（工作级别）时安全系数。 表2-1钢丝绳滑轮组效率轴承形式滑轮组效率滑轮组倍率23456810滑动0.9750.950.9250.900.880.840.80滚动0.990.9850.9750.970.960.9450.915 表2-2钢丝绳安全系数n和轮绳直径比e钢丝绳的用途起升和变幅用工作类型轻级5.02016中级5.52518重级6.030352025钢丝绳的破断拉力总和 (2-2) 式中 为钢丝绳所受最大拉力；查文献1选用瓦林型纤维芯钢丝绳，钢丝公称抗拉强度，光面钢丝，右交互捻，直径，钢丝绳最小破断拉力，标记如下：钢丝绳: 14NAT619W+FC1770ZS10867.4GB/T8918-19962.4.2 钢丝绳允许的偏斜角2.4.2.1 钢丝绳进出滑轮时的允许偏角: (2-3) 式中由文献2查得: ；。所以 。2.4.2.2 钢丝绳进出卷筒时允许偏角：，查文献2。向空槽方向，向邻槽方向。2.5 卷筒的计算2.5.1 卷筒材料 一般用不低于HT20-40的铸铁，特殊需要的可用ZG25，ZG35铸铁。铸钢卷筒由于成本高，并且限于铸造工艺，壁厚并不能减少很多，因为很少采用。重要卷筒可用采用球墨铸铁。大型卷筒多用A3，16Mn钢板卷成筒形焊接而成，焊接卷筒特别适宜用于单件生产，可以降低自重。 2.5.2 卷筒直径计算 (2-4) 式中 为卷筒和滑轮的名义直径，即槽底直径（mm）； 为钢丝绳直径，即外接圆直径（mm）； 轮绳直径比，由表 （起重运输机械 表2-4）中查出为25； 卷筒的计算直径（钢丝绳缠绕圈截面中心直径）取，卷筒绳槽尺寸由文献2查得槽距，槽底半径。 2.5.3 卷筒长度 (2-5)式中起重机最大高度： ； 卷筒的计算直径：； 附加安全圈数，一般取圈：取； 绳槽节距：查文献2，取； 卷筒不切槽部分长度：取其等于吊钩滑轮的间距；取 。卷筒的壁厚： (2-6)取。 2.5.4 卷筒壁压应力验算 (2-7)式中多层卷绕系数， 取单层则； 应力减小系数，考虑绳圈绕入时对筒壁应力有减小作用，一般可取； 钢丝绳最大静拉力，； 卷筒壁厚，； 绳槽节距，；将数值代入上式，得：。对铸铁卷筒HT20-40，则文献6查得其最小抗拉强度。许用压应力： (2-8) ，故卷筒压缩强度足够。 2.5.5 卷筒应力验算由于卷筒长度，尚应校验由弯矩产生的拉应力，卷筒弯矩图如图2.5。图2.5卷筒受力简图卷筒的最大弯矩发生在钢丝绳位于卷筒是中间时: (2-9)卷筒断面系数: (2-10)式中卷筒外径,； 卷筒内径,于是 (2-11)合成应力: (2-12)式中许用应力 由文献6查，。 所以 ，卷筒强度验算通过。故选定卷筒直径，长度，卷筒槽的槽底半径，槽距；起升高度H=16m，倍率a=3靠近减速器一端的卷筒槽为向左的A型卷筒，标记为：卷筒：左 JB/T 9006.21999卷筒如图2.6所示： 图2.6卷筒图 2.6 绳端固定装置的计算根据钢绳直径为，由文献2选择压板固定装置（图2.7）并将压板的绳槽改用梯形槽。双头螺柱的直径M24。图2.7 钢绳固定端简图用压板固定钢丝绳,已知卷筒长度计算采用的附加圈数，绳索与卷筒绳槽间的摩擦系数。则在绳端固处的作用力： (2-13)压板螺栓所受之拉力： (2-14)式中压板梯形槽与钢绳的换算摩擦系数。当时： (2-15)螺柱由拉力和弯矩作用的合成应力： (2-16) 式中（螺栓数）； （螺纹内径）； （弯矩）。 螺栓材料为，由文献6查取屈服极限，则许用拉伸应力为：（由文献6取安全系数）。， 因为，故通过强度验算。2.7 取物装置2.7.1 确定吊钩装置构造方案吊钩本身就是一个机械零件，通常都与动滑轮组合成吊钩组进行工作。吊钩组有两种形式；一种是长型吊钩组；另一种是短型吊钩组。吊钩装置用于三倍率双联滑轮组，所以必须采用长型的构造方案。吊钩钩身的截面形状有圆形，方形，梯形或字形。从受力情况分析，以字形截面最为合理，但锻造工艺较复杂。梯形截面受力较合理，锻造容易。锻造吊钩的材料一般采用号钢。起重量较小的吊钩也可采用或；片式吊钩由切割成型的多片钢板构成，其厚度不得小于20mm并使板钩在高度方向与钢板轧制方向一致。工程起重机常用T字形或梯形截面的锻造单钩。通过吊钩已经标准化，设计时可查阅有关手册直接选用。采用非标准吊钩或需对所选项吊钩进行强度验算时，可按下述方法进行。由文献3选择一个锻造单面吊钩,钩号为，材料采用号,吊钩如2.8图所示： 图2.8吊钩2.7.2 吊钩主体结构的主要尺寸的计算根据文献3当选择吊钩类型为直柄号吊钩，由文献5表所得。 吊钩螺母最小工作高度查文献4选M56螺母： mm (2-17)考虑设置防松螺栓，实际取螺纹高度：。螺母外径：mm (2-18)取。2.7.3 吊钩强度验算吊钩轴的颈部螺纹M56处拉伸应力： (2-19) 式中螺纹内径，由文献4查得，； 动力系数，由文献4查得。由文献6查得等级，安全系数，材料号钢，由文献6查得，故，故满足强度要求。2.7.4 吊钩弯曲部分断面A-A强度验算 其受拉力，偏心力距，由 (2-20)式中 得出：。MPa (2-21) MPa (2-22)因为,故满足强度要求。其应力分布如图2.9所示。 图2.9 吊钩弯曲处应力分布2.7.5 吊钩弯曲部分断面B-B强度验算系物绳张力一侧：kg (2-23)图2.10 钢丝绳一侧受力由上图2.10钢丝绳受力图可得：kg (2-24)MPa (2-25) (2-26)故满足强度要求。因为B-B断面尺寸按理当比断面小，但由于断面有强烈的磨损，一般取与断面相同的尺寸。2.7.6 推力球轴承的选择由于轴承在工作过程中很少转动，故可根据额定静负荷选择。由文献3选51211(GB/T301-1995)推力球轴承，由文献3查得其额定静负荷，由文献7查得载荷系数。轴承当量静负荷： (2-27)所以安全。式中安全系数由文献3选用。2.7.7 吊钩横梁的计算由文献1可知，横梁两侧拉板的间距是由滑轮之间尺寸所决定。横轴可做为一简支梁来进行强度计算。横梁的计算载荷如图2.11(a)： (2-28)式中由文献1查取动载系数。 横梁的最大弯矩： (2-29)中间断面的截面模数如图2.11b： (2-30)114图2.11 吊钩横梁和滑轮轴的计算简图弯曲应力： (2-31)横梁材料由文献6查取，许用应力。故横轴强度足够。其中式中为安全系数见文献6。2.7.8 滑轮轴的计算滑轮轴是一个简支梁，支点距离。它的作用是承受滑轮的三个压力，为计算简便起见，把三个力看作集中力如图2.11c。滑轮的作用力： (2-32)轴上的弯矩（和断面）：131 (2-33)和断面模数： (2-34)弯曲应力： (2-35)滑轮轴的材料与吊钩横轴相同，亦为号钢，许用应力也相同。，故强度足够。2.7.9 拉板的强度校核图2.12 拉板简图 拉板的尺寸如图2.12所示，断面a-a的拉伸应力：15 (2-36)式中应力集中系数，由文献1查得。拉板材料为Q-235号钢，由文献6得了屈服极限和安全系数，许用拉伸应力： (2-37)垂直断面内侧拉应力最大，其为： (2-38)又因为吊钩横梁的轴颈，材料铸钢ZG340-640，由文献6查出，由文献6查得安全系数为。 153 起升运行机构设计起升机构的工作过程：1、在装载地点起升物品；2、在负载情况下水平移动物品；3、在卸载地点下降并卸去物品；4、在五载情况下起升并水平移动返回到装载地点。如此重复循环地工作，每运送一次物品的时间称为一个周期。对于起升机构，在一个工作周期内，有两段工作时期和两段停歇时期。工作时期即起升物品和瞎讲物品时期；停歇时期即起升机构不工作而运行机构往返或旋转机构往返工作的时期。每一工作时期又分为起动，等速运转和制动三个阶段。图3-1 所示的是起升机构工作过程的速度-时间图解。速度的正值表示起升物品；速度的负值表示下降物品。机构计算主要就是计算上面所说的起动、平稳运动和制动三个阶段的力矩，以及在这些力矩的基础上进而选择电动机、减速器和制动器三种主要部件。以下结合典型起升机构简图讲诉计算方法。图3.1起升机构工作过程速度-时间图解3.1 力矩的计算零部件的计算与选择和力矩有关。如平稳上升阶段和上升起动阶段的力矩与选择电动机有关；而平稳下降和下降制动阶段的力矩又将决定制动器的选择。故以下着重讨论这四个阶段的作用力矩。 3.1.1 平稳上升阶段平稳上升就是等速起升载荷，这时卷筒上的载荷力矩为： (3-1)折算到电动机轴上的静阻力矩则为: (3-2) 式中 、分别为额定起重量（N）和取物装置（N）；卷筒计算直径；、滑轮组的倍率和效率；、减速器的传动比和效率；箭筒的效率，当用滚动轴承时，； 当用滑动轴承时，；起升机构总传动比，其值 ；起升机构总效率，其值。对于齿轮传动，当用滚动轴承时，。3.1.2 平稳下降阶段平稳下降就是等速下降载荷，这时为了防止载荷自由下落，通常采用电动机的反接制动法，使载荷在控制速度状态下降。也就是用电动机产生的制动力矩（并考虑机构摩擦力矩的影响）来平衡有载荷所产生的的力矩。这时电动机所产生的制动力矩，也就等于当载荷下降时的静阻力矩，即 (3-3) 因机构摩擦力矩无法详细计算，只能按来考虑。上述与公式（3-2）的区别仅为所在位置不同，因为哦擦里方向永远与运动放心相反，这时他帮助制动，所以房子公式中的分子位置。在起升机构的停歇阶段，电动机已停止转动，而制动器则同时合闸。这时制动器所产生的制动力矩是用来克服起升机构的再喝自行下降的静阻力矩，故其值亦为。3.1.3 上升起动阶段在上升起动时，载荷由静止达到额定起升速度，其中必然要经过一加速过程。这时电动机除了要克服静阻力矩之外，还要发出额外的力矩以克服惯性力所产生的惯性力矩。故起动力矩应为： （3-4）式中起动时克服惯性力的总动力矩 使机构转动零件加速时（换算到第一轴上）的动力矩 使载重等直线移动的质量加速时（换算到第一轴）的动力矩 。计算： （3-5）一般计算时，令 式中 电动机转子的飞轮矩； 联轴器的飞轮矩。一般情况下，可取。计算：假定机构等加速度起动，则起动时平均加速度于是物品的惯性力应为： 在计算过程中，起升速度V的单位应用m/s；而的方向应与加速度的方向相反，亦即与重力的方向一致。因此，电动机在起动时为平衡物品惯性力所需的动力矩，可按与计算相似的方法进行计算，即 （3-6）因 式中为卷筒转速（rpm）。故 （3-7）将公式（3-3）、（3-5）、（3-7）代入公式（3-4）并加以整理，得 （3-8）上式中的值就是欲使载荷在秒内启东而夹在电动机轴上的起动力矩。但因电动机的起动力矩并非常量，故实际上是代表由上升起动到等速上升这段起动过程中的平均起动力矩。3.1.4 下降制动阶段如前所述，起升机构在上升制动阶段，因载荷力矩是帮助制动的，所需要的制动力矩不打，故一般可不计算。但在下降制动阶段则不然，惯性力矩与载荷力矩的方向是一致的，所需要的制动力矩最大，必须加以计算。这时，家在制动器轴上的力矩，除了要克服载荷的静阻力矩外，还要克服由运动质量的惯性力所产生的力矩。因此，所需要的制动应为：= （3-9）式中 制动时间3.2 电动机的选择3.2.1 电动机的功率确定起升机构静功率： (3-10)式中机构总效率是由三部分组成：滑轮组效率、卷筒效率和减速器效率，由文献3查得一般，取。电动机的计算功率： (3-11)式中 系数由文献1表3-1查得，对于级机构，。查文献1选用电机，其，电机质量。表3-1 起升机构值电动机形式起重机工作特性及机构工作级别JZR2、YZR、JZRHM1M6级M7级M8级慢速（13m/min），经常满载的起重机0.750.850.850.951.01.10.91.0JZ、YZM1M6级及防爆起重机0.9JOM1M4级及某些特殊机构1.93.2.2 验算电动机发热条件电动机的发热验算 (3-12)其中 由此，初选电动机能满足不过热条件。3.3 减速器的选择3.3.1 减速器传动比卷筒转速： (3-13)减速器总传动比： (3-14)式中 电动机额定转速； 卷筒转速；3.3.2 减速器的选取查文献1选用ZQ-60减速器，当工作类型为中级时，许用功率，质量，输入轴直径，轴端长度（锥形）。3.3.3 输出轴强度校核输出轴最大径向力Rmax (3-15)式中:卷筒上卷引起的载荷；卷筒及轴自重，由文献1估算；减速器输出轴端最大允许向载荷，由1查得。输出最大扭矩： (3-16)式中:电机轴额定力矩； 当时电机最大转矩倍数，由文献1查出； 减速器传动效率； 减速器输出轴最大容许转矩；所以： 由上计算，所选取减速器能满足要求。3.4 起升速度和实际所需功率3.4.1 实际速度验算货物实际速度： (3-17) 误差： (3-18)3.4.2 实际功率实际所需等效功率： (3-19)3.5 制动器的选择根据物体下降时的扭矩 由文献3查得选用：电力液压推杆制动器。参数： 制动直径； 制动力矩；配用推动器型号：； 电机功率；配用制动架型号：ZDJ-300/25Z。制动转矩： (3-20)制动器如图3.2所示： 图3.2YWZ-300/25制动器3.6 起升和制动时间验算 3.6.1 起动时间验算机构起动和制动时，产生加速度和惯性力。如起动和制动时间过长，加速度小，要影响起重机的生产率；如起动和制动时间过短,加速度太大，会给金属结构和传动部件施加很大的动载荷。因此,必须把起动和制动时间(或起动加速度与制动减速度)控制在一定的范围内。起动时间： (3-21)式中电动机额定转速， (3-22)静阻力矩： (3-23)平均起动转矩： (3-24)所以 (3-25)通常起升机构起动时间为，此处小于，可在电气设计时，增加起动电阻，延长起动时间，故所选电动机合适。3.6.2 制动时间验算制动时间: (3-26)式中 (3-27)由文献1查得许用加速度，故：，符合要求。3.7 高速浮动轴的计算3.7.1 疲劳计算 由文献2查的起升机构疲劳计算基本载荷 (3-28)式中 动载系数，； 起升载荷动载系数（物品起升或下降制动的动载效应），由前节选定轴径，因此扭转应力： (3-29)轴材料用号钢，弯曲：， 扭矩：； 轴受脉动循环的许用扭转应力：式中 考虑零件几何形状和零件表面状况的应力集中系数； 与零件几何形状有关，对于零件表面有急过渡和开有键槽及紧配合区段，； 与零件表面加工光洁度有关，对于粗糙度为3.2, ； 对于粗糙度为12.5；,此处取； 考虑材料对应力循环不对称的敏感系数，对碳钢及低合金钢； 安全系数，。所以 。故 通过。3.7.2 强度验算 轴所受最大转矩： (3-30)最大扭转应力： (3-31)许用扭转应力： (3-32)式中 安全系数，。因为 ，故通过。浮动轴的构造如图3.3所示，中间轴径：，取。图3.3