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桥式起重机提升系统设计

分类号密级

UDC

毕业论文（设计）

桥式起重机提升系统设计

姓名：

专业：

机械设计制造及其自动化

班级：

学号：

指导教师：

导师

论文外文题目：

Systemdesignofthebridgecrane

论文主题词：

桥式起重机提升系统

外文主题词：

bridgecranehoistingsystem

论文答辩日期：

答辩委员会主席：

评阅教师：

摘要

桥式起重机在国内外工程施工中得到广泛应用，而桥式起重机大型化代表着一个国家的工业水平和科技水平，因此大型桥式起重机的研发越来越得到重视。

桥式起重机总体参数确定和臂架设计的好与坏直接影响整机布局和性能。

本文旨对桥式起重机提升系统的设计。

起升机构，是任何起重机任何起重机必须具备的，使物品获得升降运动的基本组成。

起升机构工作的好坏将直接影响整台起重机的工作性能，是起重机最主要的机构之一，它是由原动机、卷筒、钢丝绳、滑轮组和吊钩组成。

原动机的旋转运动通过卷筒、钢丝绳、滑轮组进行运动和力的传递，最终变成吊钩的垂直运动。

起升系统的原动机采用液压马达，能满足起重机的起升吨位要求。

对于大型的起重机一般具有主、副两套起升系统，以便更好的实现重物的提升。

对桥式起重机来说，起升动作是最频繁的动作。

主起升系统由恒功率变量泵、内藏式定量马达组成常闭式液压系统。

液压系统的液压马达把高压油液的压力能转换成机械能，使主机的工作部件克服负载及阻力克服负载及阻力而产生运动。

变量马达能有效地达到轻载高速、重载低速和节能的效果。

通过马达内部的斜盘调节马达的流量，使其在低速状态下，马达输出高转矩；在高速状态下，马达输出低转矩。

本设计采用许用应力法以及计算机辅助设计方法对桥式起重机的提升系统进行设计。

关键词:

桥式起重机，起升机构，许用应力，液压系统。

ABSTRACT

Bridgecraneiswidelyusedathomeandabroadinengineeringconstruction,Bridgecraneiswidelyusedathomeandabroadinengineeringconstruction,Thereforelargebridgecraneresearchanddevelopmenthavebeenpaidmoreandmoreattention,Determinetheoverallparametersandbridgecranearmframedesignisgoodorbaddirectlyaffecttheoveralllayoutandperformance.Thepurposeofthispaperistoimprovethedesignofthebridgecranesystem.

Liftingmechanism,Isanycranecranemusthave,Makeitemstoobtainthebasiccomponentofliftingmovement.Liftingmechanismworkisgoodorbadwilldirectlyaffecttheperformanceofthewholecrane,Isthemostimportantoneofcrane,Itisbytheprimemover,drum,wirerope,pulleyblockandhook.Primemoveroftherotarymotionthroughthereel,wireropeandpulleyblockmovementandforcetransfer,eventuallybecomeahookverticalmovement.PrimemoverUSEShydraulicmotor,theliftingsystemcansatisfytherequirementofthecraneliftingtonnage.Forlargecranesingeneralhasamain,twosetsofhoistingsystem,inordertobetterrealizetheweightofpromotion.

Forbridgecrane,liftingactionisthemostfrequentaction.Themainhoistingsystemconsistsofconstantpowervariablepumpandquantitativemotorcapacitoroftenclosedhydraulicsystem.Thehydraulicsystemofhydraulicmotorofhighpressureoilpressurecanbeconvertedintomechanicalenergy,maketheworkingpartsofthehosttoovercometheloadandresistancetoovercometheloadandresistanceandmotiongeneration.Variablescaneffectivelyreachthelightloadmotoroverloadedatlowspeedandhighspeed,energysavingeffect.Throughthemotorinternalobliqueplatecanregulatetheflowofmotorinthelowspeedcondition,themotoroutputhightorque;Lowathighspeeds,themotoroutputtorque.

Thisdesignadoptstheallowablestressmethodandcomputeraideddesignmethodofbridgecranehoistingsystemdesign.

KeyWords:

Bridgecrane,Liftingmechanism,Allowablestress,Thehydraulicsystem

目录

1.绪论1

1.1起重机的发展史1

1.2目前桥式起重机在国内外的研究情况2

1.2.1起重机在国内的研究现状[3、13]2

1.2.2起重机在国外的研究现状[3]2

1.2.3桥式起重机的发展趋势[8]3

1.3设计研究的主要的内容4

2.起重机金属结构5

2.1参数的确定5

2.2载荷计算5

2.3主梁和端梁截面几何参数优化6

2.4主梁的计算7

2.5端梁计算10

3.起升结构12

3.1主起升机构的设计计算13

3.1.1钢丝绳的选择13

3.1.2滑轮组的选择13

3.1.3吊钩的选择14

3.1.4卷筒的选择15

3.1.5选择电动机16

3.1.6选择标准减速器16

3.1.7验算起升速度和实际需要功率16

3.1.8选择制动器17

3.2副起升机构设计计算17

3.2.1钢丝绳的选择17

3.2.2滑轮组的选择17

3.2.4卷筒的选择20

3.2.5选择电动机21

4结论22

致谢23

参考文献24

1.绪论

1.1起重机的发展史

中国古代灌溉农田用的桔槔是臂架型起重机的雏形。

在古代已经有起升和移动重量较大的物品的需要，因此就采用起重装置来进行这个工作。

在公元前五千年到四千年的新石器时代的末期，我国古代劳动人民己能开凿和搬运巨石到远处，砌成石棺石台等来埋葬和纪念死者。

在商朝（公元前1765到1760年之间），我国劳动人民就用了汲水的桔槔（一种用杠杆、对重和取物装置组成的起重装置）。

以后到公元前1115年至1079年之间，又有辘栌的发明。

在古埃及建造金宇塔时，广泛采用滚子、斜面和杠杆来起升大石块、石碑和雕像，这些物品的重量有的甚至达到1000吨。

那时候起重机械都是人力驱动。

公元前120年，在盖隆的著作中描述了幅度不变的起重机和幅度可变的起重机。

在这些书籍中记载了下列零部件的采用：

自锁式涡轮传动装置、齿轮、起重卷筒等。

工业中蒸气机的出现大大地推动了起重机械的发展和改善。

1827年，出现了第一台用蒸气驱动的固定式旋转起重机。

1846年，第一次制成了用液力驱动的起重机。

工业中电力驱动的出现，是起重机械进一步蓬勃发展的转折点。

1880年，出现了第一台用电力驱动的载客升降机。

1885年制成了电力驱动的旋转起重机。

接着制成电力驱动的桥式起重机和门座起重机[3]。

随着冶金工业、煤炭和采矿工业、机器制造业、海港和内河码头的装备和建筑工程等发展，起重机械的品种和参数都大大扩大。

机械制造已经成长成一门独立的机械制造部门。

第二次世界大战以后的几十年，起重机械获得极其迅速的发展高，起重机的质量、产量和品种得到大大的发展。

例如，由于焊接技术的发展，箱形结构的桥式起重机得到广泛的应用，由于金属材料的改善和加工技术的改进，起重机零部件的寿命也提髙，由于电机和控制技术的发展，大大提高了起重机电力驱动的品质和自动化水平。

我国的起重机械制造业由于长期受封建主义、帝国主义和官僚资本主义的深重压迫，没有自己的机器制造业，没有起重机械制造业。

中华人民共和国成立以来，在中国共产党的领导下，我国已经建立能独立制造各种起重机的工业体系。

对桥式起重机、汽车起重机、门座起重机和塔式起重机等已具有批量的生产能力。

但是，即使已经取得了很大的成绩，但在今后相当长时期里，要抓好起重机的质量和产量，抓好各个环节，如原材料、基本零部件以及生产管理等环节，使我国起重机质量和产量达到国际先进水平。

1.2目前桥式起重机在国内外的研究情况

1.2.1起重机在国内的研究现状[3、13]

国内专业生产大型起重机的厂家很多。

其中以中联重科、三一重工、抚挖等公司产品系列较全市场占有率较高。

中联重科在2007年12月宣布实行品牌统一战略后现已成功开发了50t~600t履带式起重机产品系列。

作为中国起重机行业的领跑者，徐州重型机械有限公司现在已经形成了以汽车起重机为主导，履带式重机和全路面起重机为侧翼强势推进的庞大型谱群。

国内最具历史的履带式起重机生产企业抚挖现已拥有35t~350t的履带式起重机产品系列。

QUY350是抚挖2007年推出的国产首台350t履带式起重机，填补了国内350t履带式起重机的产品型谱空白。

三一科技自2004年初进入履带式起重机的研发和生产领域至今，已成功开发出50t~900t共10个型号的全系列产品并全部实现销售。

其900t履带起重机的顺利下线，标志着我国大型、超大型履带起重机自主研发领域已走在亚洲前列，成为目前亚洲最大吨位的履带式起重机。

据悉，日前三一科技已具备3200t以下履带式起重机的开发能力。

1.2.2起重机在国外的研究现状[3]

目前，国外专业生产大型起重机厂家很多。

其中利勃海尔、特雷克斯-德马格、马尼托瓦克与神钢等公司家产品系列较全，市场占有率较高。

利勃海尔公司的产品技术先进、工作可靠，其生产的LR系列履带起重机最大起重量已达1200t。

其桁架臂履带式起重机系列在007年又喜添新品LR1600/2，使其产品型谱更加完善。

德马格公司主要生产起重量从50t~1600t的CC系列履带起重机。

最近推出了世界最大的履带式起重机CC8800-1双臂新增功能套件使其起重能力达到3200t马尼托瓦克公司团推出了新研发的31000型履带式起重机。

其独特的创新是可变位配重（VPC）。

与使用普通的吊运能力增强附件相比，可大量减少所需的地面准备工作。

此外，配备可变位配重的起重机能够起吊和运送所有等级的额定负荷，可以很方便地在工地上移动。

神钢公司开发的履带起重机产品系列化程度高、性价比高，深受发展中国家的欢迎，在全球范围内占有一定比例。

近两年神钢在中国市场中吨位履带起重机的销售业绩较好日本产品的技术性能与德国产品还是有相当差距，但其进步较快，价格比德国产品更有竞争力，所以它们较适合我国一般履带起重机用户。

1.2.3桥式起重机的发展趋势[8]

（1）起重机的大型化。

近年来，火电发电机组的功率不断增大，由以前的30万KW为主转为60万KW乃至100万KW为主，对起重机的吨位需求增大。

由于美国核电技术的推广应用，使大件吊装量大幅增加催生了大型起重机市场的需求。

大型石化项目，同样需求大吨位的大型起重机特别是履带式起重机。

（2）创新设计。

开展对起重机传动型式创新、结构构造创新和功能原理创新等方面理论及技术基础研究，为此着重研究新材料、新工艺、新的传动装置，从而通过对不同设计方案的优选、分解和组合来产生新的设计方案，不断推出创新设计成果。

（3）核心技术化。

各大知名企业均具有其独特的核心技术，并不断创新，努力保持在同行业内的领先地位。

现在各大公司均大力研究开发自己的核心技术，以不断提升自己的产品档次和竞争能力。

（4）模块化和组合化。

极短交货期的市场需求要求开展基于网络的协同异地设计技术、并行工程技术研究，这样可以缩短产品的开发周期。

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。

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。

（5）大吨位的自拆装系统。

履带起重机体太笨重在公路上无法自由行走，必须拆卸才可运输，到达工作点后再进行组装，需要辅助吊车。

为减少或不用辅助吊车，节省施工费用，因此研制自拆装系统势在必行。

目前中吨位履带起重机的自拆装系统已比较完善，大吨位的自拆装系统仍是亟待解决的难题。

1.3设计研究的主要的内容

本次毕业设计通过查阅相关图书、期刊、网上查询等多种途径，经过课题的专业的调研,收集相关资料,针对起重机中的桥式起重机的提升系统作一个比较全面的研究。

桥式起重机是横架于车间、仓库和料场上空进行物料吊运的起重设备。

由于它的两端坐落在高大的水泥柱或者金属支架上，形状似桥。

桥式起重机的桥架沿铺设在两侧高架上的轨道纵向运行，可以充分利用桥架下面的空间吊运物料，不受地面设备的阻碍。

它是使用范围最广、数量最多的一种起重机械。

普通桥式起重机一般由起重小车、桥架运行机构、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。

起升机构包括电动机、制动器、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。

本次毕业设计主要针对的是桥式起重机的提升系统设计，所以先要对提升系统的结构作一下了解：

桥式起重机提升系统主要结构有原动机、卷筒、钢丝绳、滑轮组和吊钩。

在对桥式起重机提升系统的各种结构设计中，我主要要选择起重机的基本结构和提升系统的电动机、卷筒等进行设计。

重点概括如下：

（1）对国内外起重机的现状、发展趋势和发展方向进行综述；

（2）对桥式起重机的基本金属结构进行分析；

（3）对提升机构主起升机构的设计进行计算；

（4）对提升机构副起升机构的设计进行计算。

2.起重机金属结构

2.1参数的确定

表2.1起重机相关参数表

起重机类型

机加工车间10吨桥式起重机

工作级别

A4

桥架形式

双梁8/5t×10m

机构

主起升

副起升

大车

小车

额定起重量（吨）

8

5

—

—

起升高度（米）

10

12

—

—

运行速度（米/分）

7.3

10.3

45

65

工作级别

M5

M5

M5

M3

轮距（米）

—

—

2.5

3

轨距（米）

—

—

10

1.25

轨道型号

—

—

P38

P18

起重机桥架结构钢材料选择Q235。

起重机总质量G=0.45Q+0.82L=0.45×8+0.82×10=11.8t。

起重小车质量Gt=0.4Q=3.2t根据《起重机设计手册》图1-3-1取单根主梁自重G1=2t稳定起升速度Vh=7.3m/min=0.123m/s≤0.2m/s,起升冲击系数φ1=1±0.1。

根据《起重机设计手册》公式1-3-10确定起升载荷动载荷系数φ2=φ2min，车间用起升机的起升级别一般为HC2和HC3，结合《起重机设计手册》表1-3-5，取φ2min=1.1。

起重机运行惯性力PH=φ5ma=1.5×11800×0.2=3540N。

小车运行惯性力PH=φ5ma=1.5×2000×0.2=600N。

大车运行跑偏时，轨道侧面与车轮轮缘或水平导向轮之间产生水平侧向力Ps=1/2⅀R·λ，其中⅀R是起重机产生侧向力一侧最大轮压之和。

2.2载荷计算

（1）自重载荷：

自重载荷包括均布载荷和集中载荷。

根据图4-3-36可以得出作用在一根主梁上半个桥架的重量G桥=1.5t。

（2）集中载荷，查《起重机设计手册》表4-3-8得：

操纵室重量Gc=13500N，运行机构重量Gy=5500N，电气设备重量Gd=1500N。

（3）水平惯性载荷，分为桥架质量产生的惯性载荷作为均布载荷q惯作用在桥架主梁上。

大车启动或制动时，载重小车引起的惯性力以一集中载荷P大惯作用在主梁上。

2.3主梁和端梁截面几何参数优化

1）梁高h

h0= 1/14~1/18 L=556mm~715mm，取H=600mm选取腹板高度h=650mm 

端梁高度H0= 0.4~0.6 h=240~360mm，取H0=350mm，选取腹板高度h’=400mm 

2）腹板和上下盖板 

腹板厚度δ=6mm，腹板间距b≥H/3.5=171mm,b≥L/50=200mm。

取b=250mm，上下盖板厚度δ1≥H/50=13mm，取δ1=24mm。

盖板宽度B=b+2δ+40=306mm。

同理，端梁腹板厚度δ′=6mm，上下盖板厚度δ0′≥H0/50=7mm，取δ0′=8mm。

腹板间距b’=0.5H0=175mm，盖板宽度B’=b’+2δ+40=231mm,取端梁长B0=3m。

主梁截面和端梁截面的尺寸简图分别示与图中：

图2.1主梁截面尺寸简图图2.2端梁截面尺寸简图

2.4主梁的计算

已经知道半个桥架的自重G桥=1.5t则主梁由于桥架自重引起的均布载荷：

ql=G桥/L=15000/1000=15N/cm 

查表得主梁由于分别驱动大车运行机构的长传动轴系引起的均布载荷：

 qy=8~8.5Ncm，取qy=8N/cm。

运行机构中央驱动部件重量引起的集中载荷为Gd=10KN。

 主梁的总均布载荷：

q′=ql+qy=23N/cm。

主梁的总计算均布载荷：

q=φ4q′=1.1×23=25.3N/cm。

 式中φ4是运行冲击系数， 

根据公式1-3-13得φ4=1.03+av=1.03+0.002×45=1.1。

作用在一根主梁上的小车两个车轮的轮压值可根据表3-8-12中所列数据选用：

 根据Q/G=8/11.8=0.68，初选轨道为P18，两车轮轮压值 

P1′=33600NP2′=28800N 

考虑动力系数φ2的小车车轮的计算轮压值为：

P1=P1′φ2=33600N×1.1=36960N P2=P2′φ2=28800N×1.1=31680

计算主梁垂直最大弯矩：

Mmax G+P （2.1） 

=（ （P1+P2 （L−BXC）/L +Ql/2−φ4G0l0/L）/（4 （P1+P2）/L+q/2））

+φ4G0l0+φ4G1l1 

G0为操纵室的重量取G0=13500N，其重心距支点的距离为l0=280cm。

将各数值代入公式2.1计算可得：

G1=5500N，l1=160cm，BXC=160cm 

Mmax =36960+31680 （1000−160）/1000 +25.3×1000/2−1.12×13500×2801000/24 /36960+31680/1000+25.32+1.12×13500×280+1.12×5500×160

=21.2×106N·m 

主梁水平最大弯矩：

 Mgmax=0.8MmaxG′+P′ ·a/g（2.2） 

式中 g——重力加速度，g=9.81m/s2

a为大车起动、制动加速度平均值，由表1-3-7可计算得a=0.19+ 0.25−0.19 ×0.75−0.631−0.63=0.19+0.02=0.21m/s2。

为不计冲击系数和动载系数时主梁垂直最大弯矩，由公式2.3算得：

Mmax G′+P′ = （P1+P2 （L−BXC）/L +ql/2−G0l0L/2）/（4P1+P2/L+q/2）+G0l0+G1l1=20.8×106N·m  （2.3）

代入公式2.2得主梁水平最大弯矩：

Mgmax=0.8Mmax G′+P′ ·ag=0.8×20.8×106×0.219.81

=35.6×104N·m

主梁中间截面的最大弯曲应力根据公式2.4计算：

δ=σ G+P +σg=Mmax G+P /Wx+Mgmax/Wy（2.4）

式中——主梁中间截面对水平重心轴线X-X的抗弯截面模数，其近似值：

Wx= hδ3+Bδ1 h（2.5）

Wy——主梁中间截面对垂直重心轴线Y-Y的抗弯截面模数，其近似值：

Wy=Bδ1/3+hδ b（2.6）.

代入公式2.4因此可得：

δ=σ G+P +σg=Mmax G+P /Wx+Mgmax/Wy=21.2×1062038.4+35.6×104

902.4=1.08×104N/cm2

查表得16Mn的许用应力 σ I=σs/n=230/1.33=172.9MP

主梁支承截面的最大剪应力根据公式计算：

τmax=Qmax G+P ·S/Ix0·2δ（2.7）

式中Qmax G+P是主梁支撑截面所受的最大剪力，由公式2.8计算：

QmaxG+P =P1+P2L−BXC/L+qL2+φ4G0L−l0L+φ4G1（2.8）

Ix0——主梁支承截面对水平重心轴线X-X的惯性矩，其近似值

Ix0≈Wx0H0/2（2.9） 

= h0δ3+Bδ1 h0×H02= 65×0.63+30.6×0.6 ×65×69.8/2=71140cm4

S——主梁支承截面半面积对水平重心轴线xx的静矩：

 S=2h0δ/2×h0/4+Bσ1 h0/2+δ12 （2.10） 

=2×65×0.62×654+30.6×0