1303造桥龙门起重机总体设计分解.docx

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1303造桥龙门起重机总体设计分解

天津滨海职业学院全日制高等职业教育

毕业实践环节毕业设计（典型性项目）

造船龙门起重机总体设计

作者

院系：

天津滨海职业学院机电工程系

专业：

机电一体化

年级：

2013级

学号：

20130141324

指导教师：

时间：

2016年4月

作者：

摘要：

本设计题目是200t-65m造船龙门起重机与下小车设计，主要任务就是造船用龙门起重机的总体方案设计和下小车起升、运行机构的设计计算。

本机起重量大、跨度大、起升高度高，总体方案设计符合《起重机设计规范》（GB3811-83）各项规定。

为了确保结构的合理和安全，本机结构部分用有限元法进行了分析，分析是用ANSYS有限元软件进行的。

ANSYS软件对主梁静刚度、强度、刚性腿和柔性腿强度及稳定性、门架侧向位移、整机稳定性等进行了计算，计算结果均要《起重机设计规范》（GB3811-83）的各项规定。

本论文详细论述了造船龙门起重机总体布置方案的选型论证，整机载荷计算，以及大车运行机构的设计计算，下小车主、副起升机构和小车运行机构设计计算。

其中包括运行阻力的计算，各种设备的选型，起动制动时间的验算，过载和发热验算和整机以及下小车的打滑验算。

关键词：

龙门起重机运行机构起升机构电动机

目录

第一章绪论1

1.1起重机的发展现状1

1.2课题研究的目的和意义2

1.3本文所做的主要工作2

第二章整机总体方案选型3

2.1设计参数3

2.2设计标准3

2.3整机总体方案的选型3

参考文献7

致谢8

附录一英文资料原文及译文8

天津职业技术师范大学成人高等教育毕业设计任务书11

第一章绪论

1.1起重机的发展现状

1.1.1国内外起重机特点及发展趋势

科学技术的飞速发展，推动了现代设计和制造能力的提高，激烈的国际市场竞争也越来越依赖于技术的竞争。

国内外起重机产品呈现新特点：

（1）重点产品大型化，高速化和专用化

由于工业生产规模不断扩大，生产效率日益提高，以及产品生产过程中物料装卸搬运费用所占比例逐渐增加，促使大型或高速起重机的需求量不断增长，起重量越来越大，工作速度越来越高，并对能耗和可靠性提出更高的要求。

起重机已成为自动化生产流程中的重要环节。

（2）通用产品小型化、轻型化和多样化

电动葫芦桥式起重机和梁式起重机等通用起重机发展很快，并将大部分取代中小吨位的一般用途桥式起重机。

德国德马格公司经过几十年的开发和创新，已形成了一个轻型组合式的标准起重机系列。

起重量1-80吨，工作级别A1-A7，整个系列由工字形和箱型单梁、悬挂箱形单梁、角形小车箱形单梁和箱形双梁等多个品种组成。

（3）系列产品模块化、组合化和标准化

目前，德国、英国、法国、美国和日本的著名起重机公司都已采用起重机模块化设计，并取得了显著的效益。

用模块化设计代替传统的整机设计方法，将起重机上功能基本相同的构件、部件和零件制成有多种用途，有相同联接要素和可互换的标准模块，通过不同模块的相互组合，形成不同类型和规格的起重机。

对起重机进行改进，只需针对某几个模块。

设计新型起重机，只需选用不同模块重新进行组合。

可使单件小批量生产的起重机改换成具有相当批量的模块生产，实现高效率的专业化生产，企业的生产组织也可由产品管理变为模块管理。

达到改善整机性能，降低制造成本，提高通用化程度，用较少规格数的零部件组成多品种、多规格的系列产品，充分满足用户需求。

1.1.2造船龙门起重机发展现状

我国沿海和内河有着众多的船舶制造厂，随着我国造船工业的不断发展，各中小型船厂都在进行技术改造和扩建。

市场竞争日趋激烈，如何缩短造船周期，主要是缩短船坞（台）的使用周期，已成为国内造船业的主要课题。

目前，各船厂采用的方法主要是采用大分段建造方式，即分段在船体分厂预制，通过平移设备移至分段堆场，然后利用大型的起重设备或在分段堆场上拼装成更大的分段或直接吊入船坞（台）进行总体拼装，这就要求与之相应的起重机的起吊能力越来越大。

从全球造船业的发展来看,一批大型、特大型的船舶生产基地正在亚洲崛起,与之配套用的大型起重设备需求量也在不断增加,因此给造船用大型龙门起重机带来了广阔的市场前景。

为适应国际经济贸易发展的需要，长距离远洋运输船舶呈大型化发展趋势，直接推动了造船事业的迅速发展。

要求造大船，快造船，缩短船台周期，必须提出增加分段重量，提高分段的尺寸，要求建造这些大型船舶的机械设备也向大型化、高效化方向发展，配备大型的造船用龙门起重机越来越受到船舶制造厂商的重视。

由于造船工艺的完善，先进工艺路线的推广应用，各大船厂纷纷在船台区和分段建造区增建较大跨度的造船龙门起重机，以满足分段建造、拼装、吊运和翻身等焊制工艺的要求，以提高生产效率，缩短造船周期，减轻劳动强度，保证产品质量。

近几年的工业发展为建造大型龙门起重机提供了有利条件。

例如，起重机专用硬齿面减速器、钢板轧制的大型滑轮、金属芯钢丝绳、合金钢走轮热处理技术等都发展较快。

目前，国外制造大型造船龙门起重机的厂商主要有美国的Paceco、德国的Noell、英国的Morris、芬兰的Valmet、韩国的三星和现代，以及日本的三菱、三井、住友等。

随着造修船事业的飞速发展，对造船龙门起重机的要求越来越高，使得各大厂商在新研制的起重机起重量、跨度以及速度等主要参数上都有了较大的进展。

1.2课题研究的目的和意义

起重机械在现代生产和生活中发挥了重要的作用。

我国沿海和内河有着众多的船舶制造厂，随着我国造船工业的不断发展，各中小型船厂都在进行技术改造和扩建。

市场竞争日趋激烈，如何缩短造船周期，主要是缩短船坞（台）的使用周期，已成为国内造船业的主要课题。

目前，各船厂采用的方法主要是采用大分段建造方式，即分段在船体分厂预制，通过平移设备移至分段堆场，然后利用大型的起重设备或在分段堆场上拼装成更大的分段或直接吊入船坞（台）进行总体拼装，这就要求与之相应的起重机的起吊能力越来越大。

从全球造船业的发展来看,一批大型、特大型的船舶生产基地正在亚洲崛起,与之配套用的大型起重设备需求量也在不断增加,因此给造船用大型龙门起重机带来了广阔的市场前景。

为了满足了中小型船厂及其船体车间生产发展的需要，我们设计了这台200t-65m具有结构型式实用，使用操作方便，制造价格较低，维护保养简便等特点的造船用龙门起重机。

在设计中，对于起重机金属结构计算，首次采用ANSYS软件进行结构分析，彻底改变了以往传统的手工计算方法，既提高了设计效率，又提高了计算精度，使得大型门式起重机系列化设计成为可能。

进一步了解和掌握起重机总体方案设计和各大机构及金属结构部分的设计计算。

我们设计人员要不断总结经验，多进行技术交流和合作，继续开发大型、特大型龙门起重机，以彻底改变我国在特大型龙门起重机领域的落后局面，进一步增强我国起重机行业的竞争实力。

1.3本文所做的主要工作

本论文以造船龙门起重机为研究对象，进行龙门起重机的总体布置方案选型论证，总体设计计算大车运行机构的设计计算，下小车主、副起升机构和小车运行机构设计计算。

具体工作如下：

（1）造船龙门起重机的总体布置方案选型论证，总体设计计算，绘制造船龙门起重机总图1张

（2）下小车主、副起升机构和小车运行机构设计计算，绘制下小车总图1张、大车运行机构总图1张。

第二章整机总体方案选型

2.1设计参数

（1）起重量：

上小车2X100t,下小车100t/20t

（2）跨度：

65m

（3）工作级别：

A5

（4）起升高度：

上小车轨上45m/轨下5m；下小车轨上45m/轨下5m

（5）工作速度：

起升机构：

上小车0-4.5m/min；下小车主钩0-4.5m/min

副钩0-15m/min

小车运行：

25-35m/min；大车运行:

25-35m/min

2.2设计标准

（1）GB3811-83《起重机设计规范》

（2）TJ17-74《钢结构设计规范》

（3）GB6067-85《起重机安全规范》

（4）GB/T14406-93《通用龙门起重机》

（5）GB10183-88《桥式和龙门起重机制造及轨道公差》

2.3整机总体方案的选型

2.3.1桥架结构形式的选择

图2.1100t造船龙门起重机

龙门式起重机的金属结构形式多样，按结构可分为型钢梁式桥架，桁架式桥架和箱形结构桥架。

型钢梁由单根轧钢制型钢—槽钢、普通工字钢和轻工字钢等制成，结构简单，制造方便，成本低廉。

但由于型钢受扎制条件有限制，其截面尺寸的大小和面积的分布均有一定的局限性。

最大型钢的截面尺寸有限，有时不能满足构件的强度和刚度要求。

四桁架式桥架的结构较其他结构形式的桥架轻，在大跨度，小起重量场合优点明显，但它较箱形结构的制造工艺复杂，费工时，难以保证各构件按规定的形心要求组装，焊件变形大。

箱形结构分为中轨箱形结构和偏轨箱形结构，中轨箱形结构又称普通箱形结构，其特点是轨道布置在箱形梁上翼板的中心线上，它具有零件部件数量少，便于自动焊等优点。

但由于翼板在集中轮压作用下产生局部弯曲，为减少局部弯曲应力，主要靠在上翼板下侧布置比较密集的短隔板或承轨梁。

近年出现的偏轨箱形梁较成功的解决中轨箱形梁上翼板局部弯曲的问题。

轨道完全偏在主梁的一侧腹板上时称全偏轨。

尽管它具有自重大，主梁易下挠，桥架水平较差，箱形内部施焊条件差，上翼板与腹板之间连接焊缝寿命低，上翼板与横向加劲杆之间的焊缝易开裂等缺点。

但是它同型钢，桁架式结构比较具有制造工艺简单，组装方便，通用性强，便于自动焊，抗扭刚度等优点。

该机是65m跨度造船龙门起重机，无须外悬臂，参考同类产品（图1），桥架采用双梁箱形焊接结构，采用偏轨箱形结构。

从设计、制造、安装、使用、维护方面考虑，主梁与门腿之间不采用焊接联接，而采用高强度螺栓连接，这样便于在工厂制造，在现场安装，从长远来看，在某一部件损坏后，也便于更换，同时，为了保障工人的安全，在需要维修的地方要设置护栏。

2.3.2起升机构方案设计

起升机构一般由驱动装置，钢丝绳卷绕系统，取物装置和安全保护装置等组成。

驱动装置有电动机，联轴器，制动器，卷筒，减速器等部件组成；钢丝绳卷绕系统由钢丝绳，卷筒，滑轮组组成；取物装置有吊钩，吊环，抓斗，吊具，挂梁等多种形式；安全保护装置有起重量限制器，起升高度限制器，超速保护开关等，根据实际需要配用。

起升机构驱动型式有内燃机驱动，电动机驱动和液压驱动三种驱动方式。

电动机驱动是起升机构的主要驱动方式，直流电动机的机械特性适合起升机构工作要求，调整性能好，但获得直流电源较困难，常采用内燃机和直流发电机实现直流传动。

交流电动机驱动能直接从电网取得电能，操作简单，维修方便，机组重量轻，在电动起升机构中被广泛采用，具有内燃机驱动，液压驱动所不能达到的优点，因此本机采用交流电动机驱动。

图2.2起升机构驱动型式

造船龙门起重机在拼装分段时，由于分段对接要求精确对位，因此对起重机的调速性能要求较高。

现在国内正在使用中的几台大型龙门起重机有两种调速方式，一种是直流调速，一种是变频调速，这两种调速方式效果较好，但相应造价较高。

由于本机的最大起升速度不大（4.5m/min），为了降低造价，我们采用了闭环涡流调速方式，调速比达1：

10,即最小速度可达到0.4m/min，已能满足实际使用要求，且在闭环情况下，系统具有较硬的机械特性，系统的速度变化率小于5%。

2.3.3大车运行机构

大车运行机构有集中驱动和分别驱动两种驱动方式。

集中驱动的大车运行机构用于早期生产的一些桥式起重机，由于集中驱动的传动零件部件多，自重大，安装复杂，成本高，维修不方便。

集中驱动只有当两侧主动车轮直径相差很小时才能保证走直线，而当直径相差比较大时，两侧车轮之一会出现打滑，产生很大的车轮侧压力而严重啃轨。

目前，集中驱动方式仅用于部分车轮作为主动轮的起重小车运行机构的跨度小于16.5米的桥式起重机运行机构。

分别驱动它有两套独立的无机械联系的驱动装置驱动，省去中间传动轴，自重轻，分组性好，安装维修方便，金属结构受载后的变形对运行性能影响较小，起重机运行结构上被广泛采用。

起重机在枕木支承的轨道上运行时，其允许轮压为100kN～120kN，在混凝土和钢结构支承的轨道上运行时，允许轮压为400kN。

许用轮压受基础构造的限制，当起重量过大时，通常采用增加车轮数的方法来降低轮压。

为使各车轮的轮压均匀，常采用均衡梁的方法，这种装置称为均衡装置。

对于大型龙门起重机来讲，如何保持双腿同步运行是一个关键问题，为了确保安全，提高可靠性，本机设置了两套纠偏装置。

第一套设在大车两边行走机构上，用标准的防偏斜滚轮，引入光电编码器测量大车运行机构走过的路程，光电编码器采集位置信号后，交由PLC进行数据处理，最后由变频器来进行纠偏，以保持双腿同步运行。

一般而言，偏斜与门吊跨度之比1/1000时，起重机就开始自动纠偏。

另一套放在柔性铰处，用主梁与柔性腿之间相对转角反映大车二边的偏斜，其中第一套纠偏是主要的，第二套备用。

2.3.4梯子栏杆电器设备

《起重机设计规范》（GB3811-83）和《机械设计手册》对梯子、栏杆、电气设备等有如下技术要求：

（1）通往司机室、电气设备室、走台及机械和电气部件安装平台的梯子必须通行方便，安全可靠。

梯子的最小通行（宽度）尺寸不宜小于500mm。

（2）走台和作业平台的铺板应采用具有防滑性能的钢板制成。

在用户同意时，亦可采用穿孔钢板或格子板，但孔（格）的面积不得超过400mm2。

（3）梯子的最大斜度一般不超过60°，走台和作业平台都必须设置牢固的栏杆。

栏杆离铺板的垂直高度不得小于1000mm，离铺板约450mm处应有中间扶杆，栏杆的尺寸同走台上的栏杆布置方式相同，底部有不低于70mm的挡板。

（4）工作梯超过10m时，应分段转接，各转接处必须设置休息平台。

（5）当司机室和电气设备室的布置影响到起重机的运输、安装和拆卸时，司机室和电气设备室与支承构件的连接必须是可拆的，此时连接螺栓应按受剪设计。

（6）起重机常用电器属于低压电器，按产品种类分为：

a）.低压开关设备（低压断路器，熔断器组合开关等）

b）.控制电器（按钮开关，限位开关，凸轮控制器，主令控制器等）

c）.低压控制器（接触器，启动器，热继电器，过电流继电器等）

d）.多功能电器和组合器（自动转换开关，联动台等）

e）.辅助电器和其他低压器件（电阻器，频敏变阻器，起重电磁铁）

（7）电器传动控制

起重机对电器传动的要求有：

调速，平稳，和快速起制动。

随着科学技术的日新月异，起重机现在已多采用交流变频调速，交流变频调速存在着低速时转差损耗大，工作电流较大的缺点，起重机几种机构的负载都接近恒转速（不随速度而变化），因此低速的持续时间较短（或接电持续率较小），这样可减免交流调速所存在的缺点，保留交流调速的优点，交流电动机结构简单，运行可靠，维护方便，价格便宜，惯量小。

2.3.5司机室

轨道式造船龙门起重机的司机室一般固定在刚性支腿上，《起重机设计规范》（GB3811-83）对司机室设计提出以下一系列要求：

（1）司机室应有良好的视野，窗框的位置与尺寸不应妨碍司机观察作业情况，司机室玻璃应尽量采用钢化玻璃或其他防碎玻璃。

（2）司机室的适宜工作稳定与工作环境温差较大时，在司机室内应采取降温或取暖措施。

（3）对其他特殊的工作环境（如有尘毒危害、放射性危害等），其司机室应采取相应防护措施。

（4）司机室内的各种开关、按钮、操纵台、手柄等应配置在司机最适宜操作的地方，使司机能轻松的操作，降低劳动强度。

2.3.6起重机安全与辅助装置

2.3.6.1电气保护设备

（1）短路和过流保护

总电源回路应设置自动空气开关或熔断器作短路保护，每套机构里的每个电动机必须单独设置过流保护。

（2）失压保护

起重机必须装有失压保护，当供电电源中断时必须自动断开总回路。

对于主令控制器操纵的机构，在控制站加零电压继电器做失压保护，对于凸轮控制器操作的机构，用保护箱中做失压保护的线路接触器兼作该机构失压保护。

（3）零位保护

起重机必须装有零位保护。

开始运转和失压后回复供电时，必须先将控制器手柄置于零位后，该机构或所有机构的电动机才能起动。

（4）限位和行程保护

起升机构至少装置一套上升限位开关，大、小车运行机构一般要求在两端装设限位开关。

2.3.6.2安全装置

（1）起升载荷限制器

对于有超载可能的起重机，当使用部门提出要求时，应装有起升载荷限制器，起升载荷限制器的综合误差不应大于5％。

参考文献

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[2]陈玮璋,顾迪民.起重机械金属结构.人民交通出版社.1986

[3]蒋国仁,毕华林.港口起重机械.大连海事大学出版社.1995

[4]《起重机设计规范》（GB3811-83）,国家标准局批准.1984

[5]《钢结构设计规范》（TJ17-74）,中国建筑工业出版社.1975

[6]《起重机安全规程》（GB6067-85）,中国标准出版社.1986

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[9]徐兆君：

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[10]刘鸿文主编．材料力学．北京：

高等教育出版社.2004

[11]潘淑清主编．几何精度规范学．北京：

北京理工大学出版社.2003

[12]彭文生主编．机械设计．武汉：

华中理工大学出版社，1999

[13]倪庆红主编．起重机械．上海：

上海交通大学出版社，1990

[14]杨叔子主编．机械工程控制基础．武汉：

华中科技大学出版社，2002

致谢

在毕业设计过程中，我遇到了很多技术上的问题，崔红霞老师给了我很多具体的指导和帮助。

在和崔红霞老师接触的一年多时间里，老师不仅以其渊博的学识、严谨的治学态度、敏锐的学术洞察力使我在学术上受益匪浅，而且言传身教，以其高尚的人格教导学生做人的道理，在此，谨向导师的辛勤培养、无微不至的关怀以及在各个方面给予我的支持表示衷心的感谢。

在完成毕业设计过程中，良好的研究氛围为论文工作的完成提供了很好的外部条件，衷心感谢同学们的帮助、支持和启发，他们令我度过了一个美好而充实的学习生活。

最后，由衷感谢各位评委老师审阅我的论文，并提出宝贵意见。