桥式起重机机构设计

2 桥式起重机行走及提升机构传动方案选择2.1 桥式起重机小车行走及提升机构组成部分桥式起重机又称天车，是横架于车间、厂房和货场上空进行物料吊运的起重设备。它主要由电气、起重小车、大车运行机构和桥架四部分组成。其中起重小车又可分为提升机构、小车运行机构和小车架。图2-1 总体装配效果图2.1.1 起重机主要技术参数及其选择设计参数如下：起重量：30t，提升高度：10m，跨度：20m；提升速度：5m/min；工作级别：M5级；机构接电持续率：25%。（1）起重量查起重机设计手册（以下简称手册）表 1-1-1 起重量系列（GB/T 783-1987）可知： 额定起重量为32t一般情况下，当起重量超过10t，常设二个提升机构，即主提升机构和副提升机构，选择主钩起重量32t，副钩起重量5t（2）提升高度 查手册 表1-1-2电动桥式起重机提升高度系列（GB/T 790-1995）可知： 当 Q50 t，主钩提升高度：16m 副钩提升高度：18m （3）跨度 查手册 表1-1-6桥式起重机跨度系列（GB/T 790-1995）可知： 当 Q50 t，有通道则起重机跨度选取 22m，厂房跨度选取24m； 无通道则起重机跨度选取 22.5m，厂房跨度选取24m；2.1.2 起重机工作级别（1）起重机的使用等级 按GB/T 3811-2008起重机设计规范，查手册表1-2-1起重机的使用等级（GB/T 3811-2008，ISO 4301-1986）可知：使用等级为 U5，对应的起重机总工作循环数 CT 满足：2.50105CT5.00105（2）起重机提升载荷状态级别 载荷状态按 Q2 设计，即较少吊运额定载荷，经常吊运中重载荷。此时起重机的载荷谱系数为： 0.1253D)：b=MumaxWbpMPa （3.10）式中 Mumax-由钢丝绳最大拉力引起卷筒的最大弯矩，卷筒的弯矩发生在钢丝绳位于卷筒中间时：Mumax=Smaxl=SmaxL-A2=431771500-3672= Nmm W-抗弯截面模数，W=0.1(D4-D04)D=0.14004-= mm （3.11） D0-卷筒内径，D0=D-2=370 mm则b=MumaxW=459714.27 MPabp （3.12）许用拉应力：bp=b2=1952=97.5 MPa则卷筒强度验算满足3.1.5 卷筒稳定性验算对于 D1200 mm，L2D 的大尺寸钢卷筒，必须对卷筒壁进行稳定性验算。(1)失去稳定时的临界压力Fw=525003R3=52500=26.88 N （3.13）(2)卷筒壁单位压应力pr=2FmaxDP=220=10.79 N （3.14）(3)稳定性系数验算K=Fwpr=26.8810.79=2.51.31.5 （3.15）则卷筒稳定性验算满足。3.1.6 吊钩的选择根据手册表4-4-2可知，选择钩号为20的直柄单钩，采用锻造成形。(1) 孔钩直径：单钩 D3035Q32.532=183.85 mm圆整为 D=185 mm(2) 其他尺寸：hD1.01.2=203.5 mmS0.75D=138.75 mml122.5h=457.88 mml20.5h=101.75 mm柄部直径为106 mm，所选材料为Q345qD吊钩装配示意图如下：图3-5吊钩装配示意图3.1.7 电动机选型按手册公式 3-1-4 计算电动机的稳态提升功率为：P N=Q1000 =5/0.8=34.0 kW （3.16）式中 -机构的总效率，=Zdtc，在此 Z 为滑轮组效率；d 为导向滑轮效率；t 为卷筒效率；c 为传动效率。采用闭式圆柱齿轮则 0.8表3-1 提升机构的 JC 值、CZ 值和 G 值起重机型式用途提升机构副提升机构JC/%CZGJC/%CZG吊钩式桥式起重机电站安装及检修用1525150G21525150G1车间及仓库用25150G225150G2繁重的车间、仓库用40300G225150G2则使用绕线转子异步电动机功率应满足下式要求：PnG PN=0.834.0=27.2 kW （3.17）式中 G 取 G2，查手册表 3-1-5 稳态负载平均系数得 G2=0.8（1）卷筒转速：nt=60 avD+d10-3=6045/603.140.418=15.24 rmin （3.18）（2）提升机构传动比：i0=nnt=.24=65.6 （3.19）查附表选用电动机 YZR 225 M-6，其中额定功率为 34 kW，额定转速为n1=957 r/min3.1.8 验算电动机发热条件（1）电动机轴上所需的转矩：MN=QD+d10-32 ai=0.4182465.60.8=324.97 Nm （3.20）（2）电动机过载校验：PNHmmQv1000 =2.512.8510000.860=30.36 kW （3.21）式中 PN-电动机的额定功率m-最大转矩与额定转矩之比，当 p7.5 kW时，m 为2.8 H-系数，对于绕线转子异电动机取2.5（3）电动机发热校核：PS=GPQvq1000=27.2 kW （3.22）式中 PS-稳态平均功率 G-稳态负载平均系数，查手册表 5-1-77 可知，G=G2=0.8 PQ-额定提升载荷 vq-额定提升速度 -提升机构总效率查表 5-1-80 可知 PPS，故所选电动机能满足发热条件。3.1.9 选择减速器（1）卷筒转速：nt=60 avD+d10-3=6045/603.140.418=15.24 rmin （3.23） （2）减速器总传动比：i0=nnt=95015.24=62.34（3）减速器的名义功率：pn=pckKA PnK=1.2527.20.8=42.5 kWpp=62 kW （3.24）QJ型起重机减速器用于提升机构的选用方法如下：P121+21.12I-5Pn=0.52.2127.2=29.92 kW （3.25）式中 2-提升动载系数，车间起重机提升状态级别为 HC3，查手册表 1-3-5 可知，2=0.51，2min=1.15。根据式3.26得2=2min+2vq=1.2 （3.26）选用中心距 a=500 mm，输出转矩 N=42500 Nm，公称传动比 i=63标记为：减速器 QJRS-D500-63IV P JB/T8905.2-1999图3-6 QJRS减速器平面图（4）减速器验算：轴端最大径向力 Fmax 按下式校验：Fmax=2S+Gt2=1.243177.2+60002=54812.6 N （3.27）式中 Gt-卷筒自重约 400600 kg，取最大 600 kg 计算表3-2 减速器输出轴端最大允许径向载荷名义中心距/mm400450500560630710最大允许径向载荷/NQJR型35000550006000075000QJS型QJRS型550006400093000由表可知 F=93000，因为 FmaxF，故减速器输出轴的强度满足。3.1.10 选择制动器对于中小功率的驱动机构（驱动功率在 160 kW 以下）的制动装置，仍然以鼓式制动器为主。提升机构的制动转矩应满足下式要求：MZKZQ0D2ai=1.80.4180.82462.34=386.22 Nm （3.28）式中 MZ-制动器制动转矩 KZ-制动安全系数，查手册表 3-1-9 可知，取 KZ=1.8 D-按最外层钢丝绳中心计算的卷筒卷绕直径 -传动装置和滑轮组的总效率河南某企业制动器生产产品图片如下：图3-7 YWZ电力液压鼓式制动器查该企业产品参数表选用电力液压鼓式制动器，标记为：YWZ-30045-6303.1.11 选择联轴器提升机构中的联轴器应满足下式要求：M=k1k3Mmax=1263.5 NmM=1600 Nm （3.29）式中 M-所传扭矩的计算值 Mmax-按第类载荷计算的轴传最大扭矩，对高速轴Mmax=0.70.8mMn=701.93 Nm，对低速轴Mmax=2Mj Mn-电动机的额定转矩Mn=9550Pn=9550=334.25 Nm （3.30） M-联轴器许用转矩 k1-联轴器重要程度系数，对提升机构 k1=1.8 k3-角度偏差系数，选用非齿轮联轴器 k3=1选用 LZZ 型带制动轮弹性柱销齿式联轴器，标记为：LZZ3联轴器 YB3282J1D3560GBT5015-20033.1.12 起、制动时间验算起动时间和起动平均加速度验算，根据起重机不同的使用要求，对提升机构起（制）动时间或平均加（减）速度只选其中一项校核计算即可起动时间tq按下式计算：tq=nkJ1+J2+J39.55Mdq-MN=0.836 stq （3.31）式中 n-电动机额定转速 k-其他传动件的转动惯量折算到电动机轴上的影响系数，取 k=1.1 J1-电动机转子的转动惯量，查手册可知 J1=1.5 kgm2 J2-电动机轴上制动轮和联轴器的转动惯量，查机械设计手册可知：J2=0.24 kgm2 J3-作提升运动的物品的惯量折算到电动机轴上的转动惯量，按下式计算：J3=QD24ga2i2=0.022 kgm2 （3.32） Mdq-电动机平均起动转矩，按下式计算Mdq=ASMn=568.23 Nm （3.33） AS-电动机平均起动转矩倍数，查手册表 1-3-5 可知取 AS=1.7 MN-稳态提升额定载荷时电动机轴上的转矩 tq-推荐起动时间，查手册表 3-1-11 可知 0.7 stq3 s则起、制动时间验算满足要求。3.2 副提升机构设计由于副提升机构的设计与提升机构的设计有很大相似之处，几乎可以说只是变换了一组参数，为了使计算篇幅凝练简洁，更加凸显设计的思路与方法，故在此不对副提升机构的各个零部件作详细计算与校核，只在下列表格中列出对应数据，相关公式的选择请参照主提升机构设计计算部分。3.3 主、副提升机构设计参数对比 机构名称主要参数起升机构副起升机构起重量t325起升速度m/min515起升高度m1012钢丝绳直径mm1810结构1819 W+IWS619 W+IWR最大静拉力N43177.213220.3破断拉力kN19959.49卷筒型号单层卷绕双联卷筒单层卷绕双联卷筒尺寸A 4001500-1020-104-左A 3151000-5.511.5-122-左滑轮型号AA尺寸18450-9010260-45吊钩钩号202.5电动机型号YZR 225 M1-8YZR 180 L-6功率kW3517转速r/min957955减速器型号QJRS-D 500-63 IVPQJRS-D 335-40 IVP传动比i62.3432.48联轴器型号LZZ型带制动轮弹性柱销齿式联轴器LZZ型带制动轮弹性柱销齿式联轴器转矩Nm1263.5613.7制动器型号电力液压鼓式制动器电力液压鼓式制动器标记YWZ-30045-630YWZ-20025-200个数单双单双制动力矩Nm386.222386.2218021803.4 本章小结设计提升机构时，综合参考了起重机设计手册、机械设计手册和相关论文文献关于提升机构的设计计算部分，发现了大部分仍然采用的是传统设计方法，在选择零部件具体型号时还是需要依据工程人员的经验。所以本次设计是在无任何工程背景下偏安全的设计，与实际工程应用有一定差距。4 运行机构设计4.1 小车运行机构设计4.1.1 选择车轮与轨道国内外起重机设计规范中关于车轮直径的设计计算普遍采用的是按车轮与轨道接触疲劳强度确定车轮直径的设计方法，主要理论源自赫兹线弹性接触理论。有轨式运行机构设计中，车轮与轨道的选择和验算至关重要。（1）车轮分类按有无轮缘可分为三种，即双轮缘车轮、单轮缘车轮和无轮缘车轮，其中双轮缘车轮用于桥、门式起重机大车走行轮，轮缘高为 25mm30mm，单轮缘车轮常用于桥、门式起重机的小车走行轮，轮缘高为 20mm25mm。这三种车轮已经标准化，标准号为 JBT 6392-2008，基本尺寸见下图：双轮缘车轮 单轮缘车轮 图4-1 车轮分类（2）线接触的允许轮压PCK1DLC1C2 （4.1）式中 K1-与材料有关的许用线接触应力常数 D-车轮直径 L-车轮与轨道有效接触长度 对具有平坦承压面的轨道，轨顶总宽度为B2，每边倒圆角半径为r1，则L=B2-2r1 C1-转速系数，按手册表 4-8-7 取 C1=1.095 C2-工作级别系数，按手册表 4-8-8 取 C2=1.00图4-2 车轮与轨道接触方式 表4-1 系数K1、K2车轮材料的抗拉强度b Nmm2K1K25003.80.0536005.60.16506.00.1327006.80.1818007.20.245起重机钢轨截面 p型铁路钢轨截面图4-3起重机常用钢轨截面图特征轮压 P0 ：P0=K1DL （4.2）则允许轮压：PL=P0C1C2 （4.3）（3）车轮与钢轨的匹配见表4-2表4-2 车轮与轨道D轻轨9 12 15 22kg/m kg/m kg/m kg/m热轧钢轨38 kg/m 43kg/m起重机钢轨QU70 QU80 QU100B2B2B220032.125032.138.142.8650.831532.138.142.8650.8687070804006870708050068707080100630687070801007106870708010080068707080100r16.356.357.947.941313688B909595100100105110110135145135145135145155160185190注：1）轻轨按照GB/T 11264选取2）热轧钢轨按照GB/T 2585-2007选取3）起重机钢轨按照YB/T 5055-1993选取4）表中B值上方用于小车车轮，下方用于大车车轮5）优先选用黑体的匹配组合（4）车轮的疲劳计算载荷PC=2Pmax+Pmin3=1.152+=85333 N 式中 Pmax-起重机正常工作下时的最大轮压，取 N Pmin-起重机正常工作下时的最小轮压，取 32000 N 1.15是考虑轮压分布不均引起的车轮轮压增大系数（5）选择车轮与轨道车轮材料选用65 Mn，其抗拉强度为 b=735 MPa，查表可知 K1=6.94根据特征轮压表，初选车轮直径为 315，热轧钢轨43 kg/m，P0=99099 N对于桥式起重机常选用单轮缘车轮，小车架跨度小，刚度好，不易脱轨。选用直径 D=315 mm，轮宽 B=110 mm标记如下：车轮 DL-315110 JBT 6392-2008轨道为选用43 kg/m的p型铁路钢轨（6）车轮强度校核车轮允许轮压：PL=P0C1C2=990991.0951= N等效工作轮压即车轮疲劳计算载荷 PCPL，故车轮疲劳强度满足要求。对于小车而言，车轮的最大静轮压应该是静载试验时的最大轮压，即Pmax= N，因此最大轮压 Pmax1.9P0= N，车轮静强度满足要求。综上，该小车运行机构的车轮直径为 315 mm，轨道为43 kg/m4.1.2 运行阻力计算稳定运行的静阻力Fj由摩擦阻力Fm、坡道阻力Fp和风阻力Fw三项组成Fj=Fm+Fp+Fw=2688+448+0=3136 N （4.4）（1）最大摩擦阻力Fm：主要包括车轮踏面的滚动摩擦阻力、车轮轴承的摩擦阻力以及附加摩擦阻力三部分：Fm=Q+G2f+dD=Q+G=+0.006=2688 N式中 Q-起升载荷（N）； G-运行小车的自重载荷（N）； f-车轮沿轨道的滚动摩擦力臂； -车轮轴承的摩擦阻力系数； d-与轴承相配合处车轮轴的直径（mm）； D-车轮踏面直径（mm）； -考虑车轮轮缘与轨顶侧面摩擦或牵引供电电缆及集电器摩擦等的附加摩擦阻力系数； -摩擦阻力系数，初步计算车轮为滚动轴承时可取=0.006。（2）坡道阻力Fp：Fp=Q+Gtan （4.5）式中 -坡度角，当坡度很小时，在计算中可用轨道坡度i代替tan，对于桥式起重机取i=0.001，即Fp=Q+Gi=+0.001=448 N（3）风阻力 Fw：因为考虑到是在车间内使用，故此部分可忽略不计。4.1.3 电动机选择与验算电动机的稳态运行功率 PNPN=Fjv01000m=31360.902=0.88 kW （4.6）式中 Fj-起重机或小车的稳态运行阻力N； v0-运行速度m/s； -机构传动效率，取 =0.90 m-电动机台数对于桥架类型起重机的大、小车运行机构电动机：P=KdPN=1.20.88=1.06 kW式中 Kd-考虑到电动机起动时惯性影响的功率增大系数。对于室内作业的起重机 Kd 可取1.2，对应小车运行机构速度为30 m/min（1）电动机初选选用绕线转子异步电动机，其所选电动机功率应满足下式要求：PnGP=0.81.06=0.84 kW式中 Pn-所选电动机在相应的 CZ 值和实际接电持续率 JC 值下的功率kW G-稳态负载平均系数，见表4-3表4-3 稳态负载平均系数G稳态负载平均系数运行机构室内起重小车室内起重大车室外起重大、小车G10.70.850.75G20.80.900.8G30.90.950.85G41.01.00.9查附表选用电动机型号 YZR3-112 M1-6，其中额定功率为 1.7 kW，额定转速 n=881 r/min（2）电动机的过载校验PN1masFjv1000 +Jnta=121.731360.0.90+1.6051.31 kW （4.7）式中 PN-基准接电持续率时电动机额定功率kW as-相对于 PN 的平均起动转矩倍数，对绕线转子异步电动机取1.7 Fj-运行静阻力N v-运行速度ms，根据式4.8计算：v=Dn60000i=3.1431529.050.50 ms （4.8） ta-机构初选起动时间，一般情况下对桥架类型起重机大车运行机构ta=9 s，小车运行机构 ta=5 s J-机构对电动机轴的总惯量，可由式4.9计算而得： J=kJ1+J2m+9.3Q+Gv2n2=1.1250.025+0.0222+9.3+0.0.901.60 kgm2 （4.9）式中 J1-电动机转子转动惯量kgm2 J2-电动机轴上制动器和联轴器的转动惯量kgm2 k-计及其他传动件飞轮矩影响的系数，折算到电动机轴上可取 k=1.125 n-电动机额定转速rmin综上，电动机满足过载条件。（3）电动机发热校核 PS=GP+ma+PW1vy1000m=0.8+0.006+0.001+020.900.70 kW （4.10） 式中 PS-稳态平均功率kW； P-运动部分所有质量的重力，包括吊运物品和起重小车质量的重力N； ma-坡道阻力系数，取0.001； PW1-按起重机正常工作状态的计算风压 p1 计算，对于室内 p1=0 N； vy-小车的运行速度ms。查表5-1-80 可知 PPS，故所选电动机能满足发热条件。4.1.4 选择减速器（1）机构的计算传动比，按式4.8计算如下：i0=nD60000v0=3.148813060=29.05式中 D-车轮踏面直径mm v0-初选运行速度ms i0-计算传动比（2）减速器的计算输入功率为：pj=1mFj+Fgv1000=123136+89600.0.90=3.36 kW （4.11）式中 m-运行机构减速器的个数 v-运行速度ms -运行机构的传动效率 Fj-运行静阻力N Fg-运行起动时的惯性力N：Fg=5Q+Gvgt=2.00.50105=8960 N （4.12）其中 5-加速动载系数取2.0选用减速器 QJR-D170-31.5 IV P ，实际传动比 i=31.5 4.1.5 选择联轴器（1）高速轴联轴器的计算扭矩 Mc1 应满足：Mc1=n18Mn=1.751.618.43=51.60 NmMt （4.13）式中 n1-联轴器安全系数，取 n1=1.75 8-刚性动载系数， 8=1.22.0 ，取8=1.6 Mn-电动机的额定转矩Mn=9550Pn=95501.7881=18.43 Nm Mt-联轴器许用扭矩Nm，查手册取 Mt=250 Nm（2）低速轴联轴器的计算扭矩 Mc2 应满足：Mc2=n18Mni=51.6031.50.9=1462.86 NmMt经计算，选用 LZZ1 型带制动轮弹性柱销齿式联轴器，标记为：LZZ1联轴器 YB2052J1D2438GBT5015-20034.1.6 选择制动器运行机构装设制动器的作用一般是为了实现减速制动，并使停下来的起重机在作业时运行机构能保持不动。制动转矩按式4.14计算：MZ=(FP+Fw-Fm1)D2000im +1mtZ0.975Q+Gv2n+kJ1+J2mn9.55=448+0-20683150.31.52+123.20.975+0.5020.90881+1.1250.025+0.02228819.55 =15.31 Nm （4.14）式中 FP-坡道阻力N Fw-风阻力N，不计 Fm1-满载运行时最小摩擦阻力，按式4.15计算如下：Fm1=Q+G2f+dD=Q+G=26881.3=2068 N （4.15） m-制动器的个数 m-电动机台数，取m=m=2 tZ-制动时间，根据表3-2-8取 tZ=3.2 s选用电力液压鼓式制动器，标记为：YWZ-10018-404.1.7 验算起动时间（1）满载、上坡、迎风时的起动时间t=nJ9.55mMmq-Mj=8811.609.55231.33-17.42=3.26 s （4.16）式中 Mmq-电动机的平均起动转矩NmMdq=ASMn=1.718.43=31.33 Nm Mj-满载、上坡、迎风时作用于电动机轴上的静阻力矩Nm，按下式计算：Mj=FjD2000i=313631.50.90=17.42 Nm （4.17） 其中 Fj-运行静阻力N D-车轮踏面直径mm起动时间一般应满足下列要求：对起重机 t8 s10 s ；对小车 t4 s6 s则起动时间验算满足。（2）起动平均加速度a=vt=0.503.260.15 ms2 （4.18） 式中 a-起动平均加速度ms2 v-运行机构的稳定运行速度ms t-起动时间经验算起动平均加速度在允许的范围内。4.1.8 验算不打滑条件为了使起重机运行时可靠地起动或制动，防止出现驱动轮在轨道上的打滑现象，应分别对驱动轮作起动和制动时的打滑验算。（1）起动时按下式验算