桥梁式集装箱起重机开题报告.docx
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桥梁式集装箱起重机开题报告
毕业设计开题报告
设计题目:
院系名称:
机电工程学院专业班级:
机械设计制造及其自动化
学生姓名:
高秀会导师姓名:
刘颖
开题时间:
2015年3月20日
指导委员会审查意见：
签字：
年月日
1课题研究目的和意义
起重机被喻为“巨人之臂”，是广泛用于国民经济各部门进行物质生产和装卸搬运的重要设备。
起重机的设计制造，从一个侧面反映了国家的工业现代化水平。
我国起重机制造业奠基于20世纪50年代。
70年代以来，起重机的类型、规格、性能和技术水平获得很大的发展。
近年来在物流和工业企业发展的带动下，起重机行业进入飞速发展时期。
起重机主要分为桥梁式、悬臂式、塔式、龙门式、拉索式、液压伸缩臂式等形式。
桥式起重机是一种与机械化工业关系最密切的机械之一，也是当今最具有通用功能的机械。
随着时代的发展，制造工厂和装卸作业场所开始转向室内，使桥式起重机占据了主导地位。
桥式起重机的特点在于：
它不占据建筑物内的主要地面，却能以较少的物资材料和极为稳定的形态把建筑物内各处都当作可能的作业范围，进行高速高效的服务。
此外，桥式起重机容易以廉价实现借助控制盘和操纵盘进行自动操纵或半自动操纵以及内装电脑的程序操纵。
设置在室内的起重机中，桥式起重机约占90%。
2文献综述
2.1桥式集装箱起重机的研究现状及主要形式
2.1.1国内外研究现状
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卸载运费所占比例逐渐增加，促使大型或高速起重机的需求量不断增长。
起重机已成为自动化生产流程中的重要环节。
起重机不但容易操作、维护，而且安全性好，可靠性高，具有优异的耐久性、无故障性、维修性和使用经济性。
所以说，起重机是各种工程建设中不可缺少的设备，它对减轻劳动强度，节省人力，降低建设成本，提高施工质量，加快建设速度，实现工程施工机械化起着十分重要的作用。
国内外起重机发展具体表现一下几方面：
（1）模块化和组合化
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，通过不同模块的的相互组合，形成不同类型和规格的起重机。
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，实现高效率的专业生产。
企业的生产组织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，得到多系列的产品，充分满足用户需求。
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。
德国德马格公司的标准起重机系列改用模块化设计后，比单件设计的设计费用下降12%，生产成本下降45%，经济效益十分可观。
（2）轻型化和多样化
有相当批量的起重机是在通用的场合使用，工作并不很繁重。
这类起重机批量很大、用途广，考虑综合效益，要求起重机尽量降低外形高度，简化结构，减小自重和轮压，也可以使整个建筑物高度下降，建筑结构轻型化，降低造价。
因此电动葫芦桥式起重机和梁式起重机会有更快的发展，并将大部分取代中小吨位的一般用途桥式起重机。
（3）自动化和智能化
起重机的更新和发展，在很大程度上取决于电气传动与控制的改进。
将机械技术和电子技术相结合，将先进的计算机技术、微电子应用到机械的驱动和控制系统，实现起重机的自动化和智能化。
其电气控制装置已发展为全电子数字化控制系统，主要由全数字化控制驱动装置、可编程序控制器、故障诊断及数据管理系统、数字化操纵给定检测等设备组成。
（4）成套化和系统化
在起重机单机自动化的基础上，通过计算机把各种起重运输机械组成一个物料搬运集成系统，通过中央控制室的控制，与生产设备有机结合，与生产系统协调配合。
这类起重机自动化程度高，具有信息处理功能，可将传感器检测出来的各种信息实施存储、运算、逻辑判断、变换等处理加工，进而向执行机构发出控制指令。
这种起重机还有较好的信息输入、输出接口，实现信息全部、准确、可靠地在整个物料搬运集成系统中的传输。
（5）新型化和实用化
结构方面采用薄壁型材和异形钢、减少结构的拼接焊缝，提高抗疲劳性能。
采用各种高强度低合金钢新材料，提高承载能力，改善受力条件，减轻自重和增加外形美观。
在机构方面进一步开发新型传动零部件，简化结构。
“三合一”运行机构是当今世界轻、中级起重机运行机构的主流，将电动机、减速器和制动器合为一体，具有结构紧凑、轻巧美观、拆装方便、调整简单、运行平稳、配套范围大等优点，国外一广泛应用到各种起重机运行机构上。
在电控方面开发性能好、成本低、可靠性高的调速系统和电控系统，发展半自动和全自动操纵。
采用机电仪液一体化技术，提高使用性能和可靠性，增加起重机的功能。
今后会更加注重起重机的安全性，研制新型安全保护，装置。
德国近年为解决起重机吊钩的防摆控制，开发了模糊逻辑电路的控制技术，用神经信息和模糊技术寻找开始加速的最佳时刻，将有经验司机防摆实际操作的数据输入系统，实现最优控制，取得了更高的效率和安全性。
2.1.2起重机械的组成
起重机械一般是由工作结构，金属结构，动力装置与控制系统三部分组成。
1工作结构
起重机械的工作结构一般可概括为起升，运行，回转和变幅四大机构。
起升机构是升降重物的机构。
它是起重机械最主要的机构，有的起重机不止一套起升机构。
升降能力最大的起升机构叫主起升机构。
除主起升机构以外的其他起升机构叫副起升机构。
运行机构是起重机械或起重小车运行的机构。
回转机构是使起重机械的回转部分在水平面绕回转中心线转动的机构。
变幅机构是使起重机械臂架倾角变化，改变幅度的机构。
所谓幅度指起重机械置于水平场地时，空载吊具垂直中心线与回转中心线之间的水平距离。
2金属结构
金属结构是指起重机械的骨架，主要用来支撑工作结构，承受自身的重力及外载荷。
3.动力装置和控制系统
动力装置是驱动起重机械运动的动力设备。
它在很大程度上决定了起重机械的性能和构造特点。
起重机械的控制系统包括操纵装置和安全装置各种机构的起动、调速、改向、制动和停止，都是通过操纵控制系统来实现的。
2.1.3桥式类型起重机的主要形式
桥式起重机又称“行车”或“天车”，是横架在固定跨间上空用来吊运各种物件的设备。
依靠起重机运行机构和小车运行机构组合，使起吊的货物做平面运动，再加上置于小车上的起升机构，作业的范围是长方形空间。
它的特点是既不占地面面积，有不妨碍地面的作业，而且以较少的物资材料和极为稳定的形态把建筑物内各处都当作可能的作业范围，进行高速、高效的服务。
桥式起重机有很多类型，一般按一下方法进行分类：
根据桥架的结构不同，分为箱式结构，四桁架结构和腹板梁结构等，其中箱式结构用得最广泛。
根据起吊装置不同，分为吊钩桥式起重机、点磁盘桥式起重机、抓斗桥式起重机。
为了使吊钩桥式起重机使用场合更广泛，在吊钩上附以可更换的电磁盘或马达抓斗，以便作两种或三种用途。
图1.1桥式起重机示意图
3设计基本内容、拟解决的主要问题
3.1桥式集装箱起重机结构组成及工作原理
桥式起重机的构造：
沿建筑物较长方向的两壁设置的承轨梁，在梁上铺设大车运行轨道，将装有4个车轮（载荷大时装有6个或8个车轮）的桥架跨在轨道上；装有起升机构和运行机构的电动小车在桥架上运行。
普通桥式起重机一般由桥架运行机构、起重小车、桥架金属结构组成。
起重小车又由起升机构、小车运行机构和小车架三部分组成。
起升机构包括制动器、电动机、减速器、卷筒和滑轮组。
电动机通过减速器，带动卷筒转动，使钢丝绳绕上卷筒或从卷筒放下，以升降重物。
小车架是支托和安装起升机构和小车运行机构等部件的机架，通常为焊接结构。
起重机运行机构的驱动方式可分为两大类：
一类为集中驱动，即用一台电动机带动长传动轴驱动两边的主动车轮；另一类为分别驱动、即两边的主动车轮各用一台电动机驱动。
中、小型桥式起重机较多采用制动器、减速器和电动机组合成一体的“三合一”驱动方式，大起重量的普通桥式起重机为便于安装和调整，驱动桥架的金属结构由主梁和端梁组成，分为单主梁桥架和双梁桥架两类。
单主梁桥架由单根主梁和位于跨度两边的端梁组成，双梁桥架由两根主梁和端梁组成。
主梁与端梁刚性连接，端梁两端装有车轮，用以支承桥架在高架上运行。
主梁上焊有轨道，供起重小车运行。
桥架主梁的结构类型较多比较典型的有箱形结构、四桁架结构和空腹桁架结构。
箱形结构又可分为偏轨箱形双梁、偏轨箱形单主梁、正轨箱形双梁等几种。
正轨箱形双梁是广泛采用的一种基本形式，主梁由上、下翼缘板和两侧的垂直腹板组成，小车钢轨布置在上翼缘板的中心线上，它的结构简单，制造方便，适于成批生产，但自重较大。
偏轨箱形双梁和偏轨箱形单主梁的截面都是由上、下翼缘板和不等厚的主副腹板组成，小车钢轨布置在主腹板上方，箱体内的短加劲板可以省去，其中偏轨箱形单主梁是由一根宽翼缘箱形主梁代替两根主梁，自重较小，但制造较复杂。
装置常采用万向联轴器。
参考《起重机设计手册》，5-80t中小型起重量系列起重机一般采用箱形结构，且为保证起重稳定，我选择箱型双梁结构作为桥架结构。
箱形双梁桥架是由两根箱形主梁和端梁构成，主梁一侧安置水平走台，用来安装大车运行机构和走人，主梁与端梁刚性地连接在一起，走台是悬臂支撑在主梁的外侧，走台外侧安置有栏杆。
在实际计算中，走台个栏杆均认为是不承受力的构件。
为了操纵和维护的需要，在传动侧走台的下面装有司机室。
司机室有敞开式和封闭式两种，一般工作环境的室内采用敞开式的司机室，在露天或高温等恶劣环境中使用封闭式的司机室。
以上主要对箱形桥式起重机进行介绍，确定了其总体方案并进行了一些简单的分析。
箱形双梁桥式起重机具有加工零件少，工艺性好、通用性好及机构安装检修方便等一系列的优点，因而在生产中得到广泛采用。
我国在5吨到10吨的中、小起重量系列产品中主要采用这种形式，但这种结构形式也存在一些缺点：
自重大、易下挠，在设计和制造时必须采取一些措施来防止或者减少。
3.2设计基本内容
本课题的重点是起吊机构设计，小车机构设计，主梁结构设计。
3.1.主要技术要求
起吊重量：
5t；集装箱尺寸：
20英尺或40英尺；最大起吊高度：
3米；
3.2设计的整体方案的确定
3.2.1主梁的设计
主梁跨度16.5m,是由上、下盖板和两块垂直的腹板组成封闭箱形截面实体板梁连接，主梁横截面腹板的厚度为6mm,翼缘板的厚度为10mm，主梁上的走台的宽度取决于端梁的长度和大车运行机构的平面尺寸，主梁跨度中部高度取H=L/17，主梁和端梁采用搭接形式，主梁和端梁连接处的高度取H0=0.4-0.6H，腹板的稳定性由横向加劲板和，纵向加劲条或者角钢来维持，纵向加劲条的焊接采用连续点焊，主梁翼缘板和腹板的焊接采用贴角焊缝，主梁通常会产生下挠变形，但加工和装配时采用预制上拱。
3.2.2小车的设计
小车主要有起升机构、运行机构和小车架组成。
小车运行速度同大车运行的速度相比低得多，原因是小车运行距离接近建筑物的宽度，它不会太长，一般小于40m。
小车是用型钢和钢板制成一个构架，在上面设有主副起升电机、支持货物用制动器及它们相联的减速齿轮机构，通过该机构驱动卷筒旋转。
小车运行机构分两种：
一种是减速器在中间，另一种是减速器在一侧。
图1.2小车运行机构
图1.2（a）中，小车运行机构是减速器位于小车中间，这种方式使小车减速器的输出轴及传动所承受的扭矩比较均匀。
图1.3（b）所示的结构是减速器在小车一侧，这种结构的特点是安装和维修比较方便。
小车主要有起升机构、运行机构和小车架组成。
起升机构采用闭式传动方案，电动机与二级圆柱齿轮减速器的高速轴之间采用两个半齿轮联轴器和一中间浮动轴联系起来，减速器的低速器与卷筒之间采用圆柱齿轮传动。
运行机构采用全部为闭式齿轮传动，小车的四个车轮固定在小车架的四周，车轮采用带有角形轴承箱的组成部件，电动机装在小车架的台面上，由于电动机轴和车轮轴不在同一个平面上，所以运行机构采用立式三级圆柱齿轮减速器，在减速器的输入轴与电动机轴之间以及减速器的两端与车轮轴之间均采用浮动轴的半齿联轴器的连接方式。
小车架的设计，采用粗略的计算方法，靠现有资料和经验来进行，采用钢板冲压成型的型钢来代替原来的焊接横梁。
3.2.3端梁的设计
端梁部分在起重机中有着重要的作用，它是承载平移运输的关键部件。
端梁部分是由车轮组合端梁架组成，端梁部分主要有上盖板，腹板和下盖板组成；端梁是由两段通过连接板和角钢用高强螺栓连接而成。
在端梁的内部设有加强筋，以保证端梁架受载后的稳定性。
端梁的主要尺寸是依据主梁的跨度，大车的轮距和小车的轨距来确定的；大车的运行采用分别传动的方案。
在装配起重机的时候，先将端梁的一段与其中的一根主梁连接在一起，然后再将端梁的两段连接起来。
3.3拟解决的主要问题
3.3.1主梁设计的重要问题
主梁截面的确定和主梁参数化有限元分析
3.3.2起升机构的关键性问题
（1）钢丝绳的选择
（2）滑轮的选择
（3）卷筒的设计
（4）电动机形式的选择
（5）减速器形式的选择
（6）制动器的选择
3.3.3运行机构的关键性问题
车轮与轨道的确定。
4技术路线或研究方法
4.1主梁截面的设计
主梁截面的确定流程
（1）按梁的强度条件确定梁高和梁重
①确定梁跨中截面的最大弯矩
②由主梁的强度条件确定梁高及自重
（2）按梁的刚度条件确定梁高和梁重
（3）强度和刚度控制条件的判别式
4.2起升机构设计的路线
4.2.1钢丝绳的选择
钢丝绳的选择分为结构形式的选择和绳直径的确定。
通常钢丝绳应优先选用线接触钢丝绳，镀锌钢丝绳多用于腐蚀环境中。
为保证起升机构的正常工作，选择的钢丝绳应满足一定的性能和强度要求，结合钢丝绳的实际使用条件和要求，再参照国产部分钢丝绳主要技术性能表确定其结构形式&钢丝绳的直径可以根据以下3种方法确定；按选择系数确定钢丝绳直径，按安全系数选择钢丝绳直径，采用估算法确定钢丝绳直径。
4.2.2滑轮的选择
在起重机的起升机构中，滑轮用于支撑钢丝绳，并改变其走向，平衡各分支的拉力。
其组成的滑轮组可以达到省力或增速的目的，滑轮的主要尺寸滑轮直径、轮毂宽度和绳槽尺寸。
其中对钢丝绳使用寿命影响最大的是滑轮直径，直径越大钢丝绳的挤压应力和弯曲应力越小。
起重机滑轮都属于铸造结构，其结构尺寸已标准化，使用时可查阅相关手册。
滑轮组的主要参数有倍率和效率，滑轮组倍率的选定对于起升机构整体尺寸影响较大，倍率越大，除滑轮组本身变大外其余起升机构部件尺寸均变小，同时效率降低，钢丝绳
磨损加快。
4.2.3卷筒的设计
卷筒的作用是将电动机的旋转运动转变为重物的直线升降运动，使用时将钢丝绳缠绕于卷筒螺旋状的绳槽内，设计计算时一般会忽略钢丝绳的自重，在设计起升高度很大的起重机卷筒时，为了避免起升过程中卷筒力矩的变化过大，将卷筒设计为圆锥形，并将钢丝绳自重计算在内，将钢丝绳的固定端固定在卷筒上时，需保证固定端的安全性及方便检查和更换，一般情况下，单层钢丝绳使用压板固定，多层钢丝绳使用楔块固定或板条固定，钢丝绳固定及压板已标准化，相关参数可查看手册选用。
卷筒需要设计的参数主要有直径、长度和壁厚及卷筒强度，钢丝绳绕进或绕出卷筒时，应使钢丝绳偏离螺旋槽两侧的角度不大于3.5°。
为避免乱绳，光绕卷筒和多层绕卷筒的钢丝绳与卷筒轴的垂直平面的偏角应不大于2°为避免槽口损坏和钢丝绳脱槽!
布置卷绕系统时!
钢丝绳绕进或绕出滑轮槽的最大偏角应不大于5°。
4.2.4电动机、减速器、制动器的选择
起重机起升机构通常情况下选用绕线型异步电动机，在计算电动机功率时先根据起升载荷、起升速度、滑轮组效率、卷筒效率#传动效率计算出其功率再将静功率乘以稳态负载平均系数，从而算出稳态平均功率，然后按稳态平均功率值选择接电持续率值和CZ（惯量增加率与折合的每小时全启动次数的乘积）值相吻合的功率.
减速器基本已经标准化,在设计时首先根据传动方案确定传动比分配,再确定实际传动比,参数确定后只需从标准库中选用相应型号的减速器即可.除此外,选用时还要考虑起重机的工作级别和许用功率、电动机额定功率等因素。
鉴于在机构作用时减速器输出轴及其轴端会承受较大扭矩和径向力，故需要对其轴端最大扭矩和最大径向力分别进行校验。
制动装置用来防止起吊重物下落，限制或调节机构的运动速度。
由于桥式起重机的特殊工作性质，要求起升机构中至少安装一个制动器，若起吊重物为液态金属，则要求起升机构每套驱动装置中安装两个或两个以上制动器。
4.3车轮与轨道的确定
车轮与轨道的设计流程如图1.3所示。
其中,等效工作轮压Pmean。
按式（3.1）
确定:
Pmean=Pmin+2Pmax/3（3.1）
式中:
Pmean—正常工作起重机的等效工作轮压,单位:
N；
Pmin一起重机正常工作的最小轮压,单位:
N；
Pmax—起重机正常工作的最大轮压,单位:
N；
在确定Pmax、Pmin时,机构的动载系数和冲击系数都取为1。
对于桥式起重机，小车轮的Pmax为起重机吊额定载荷确定的轮压,小车轮的Pmin为起重机空载确定的轮压；大车轮压的确定原则:
当小车吊额定载荷运行到一侧的极限位置时，靠近小车侧的大车轮压就是Pmax、,卸下载荷后,远离小车侧的大车轮压就是Pmin。
图1.4车轮与轨道的设计流程
5设计进度安排
2015.3.2-2015.3.22收集资料，查阅文献，撰写开题报告；
2015.3.23-2015.4.5确定设计方案，进行总体结构设计；
2015.4.6-2015.4.19主梁结构设计；
2015.4.20-2015.5.4小车机构设计；
2015.5.4-2015.5.18起吊机构设计；
2015.5.19-2015.6.5绘制、修改总体结构装配图及零件工作图；
2015.6.6-2015.6.14撰写设计说明书，整理材料，准备答辩。
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