学士学位论文--桥式起重机起升机构设计.doc

目 录 摘要1 关键词1 1前言1 2起升机构的计算3 2.1确定起升机构传动方案3 2.2选择钢丝绳3 2.3确定滑轮主要尺寸4 2.4确定卷筒尺寸5 2.5选择电动机6 2.6验算电动机发热条件7 2.7选择减速器7 2.8验算起升速度和实际所需功率7 2.9校核减速器输出强度7 2.10选择制动器8 2.11选择联轴器8 2.12验算起动时间9 2.13验算制动时间9 2.14高速浮动轴的计算10 2.14.1疲劳计算10 2.14.2强度验算10 3卷筒部件的设计11 3.1卷筒11 3.2联接盘12 3.3卷筒轮毂12 3.4卷筒轴、轴承及轴承座13 3.5钢丝绳在卷筒上的固定装置14 3.6卷筒部件计算14 3.6.1卷筒心轴计算14 3.6.2轴承16 3.6.3绳端固定装置计算17 4吊钩装置的设计18 4.1吊钩装置的构造18 4.2吊钩装置的计算18 4.2.1确定吊钩装置构造方案18 4.2.2吊钩弯曲部分断面的验算19 5结论22 参考文献22 致谢23桥式起重机起升机构设计 摘 要：本起重机为起重量Q=50t,起升高度H=4.2m,起升速度v=7.5m/min的桥式起重机。本课题主要对起重机的起升机构进行总体设计，该起重机具有一个起升机构，由一台电动机，一台减速器，一台制动器，一套卷筒装置，一套吊钩装置和一套滑轮装置构成。要求起重设备运行平稳, 定位准确, 安全可靠, 技术性能先进。关键词：起重机，桥式起重机，起升机构设计Design on gantry crane hoisting mechanism Abstract：The crane is bridge crane for lifting weight Q = 50 t, hoisting height H = 4.2 m, lifting speed v = 7.5 m/min . This topic is mainly to the overall design of hoisting mechanism of crane, the crane is consisted of a lifting mechanism, an electric motor, a speed reducer, a brake, a set of drum unit, a set of hook device and a pulley. Required lifting equipment running smooth, accurate, safe, reliable and advanced technical performance.Key word：Crane;bridge crane; hoisting mechanism design;1 前言起重机械的基本任务是垂直升降重物，并可兼使重物作短距离的水平移动，以满足重物装卸、转载、安装等作业的要求。起重机机械是现代化生产必不可少的重要机械设备，它对于减轻繁重的体力劳动、提高劳动生产率和实现生产过程的机械化、自动化及改善人民的物质、文化生活都具有重大的意义。在起重机中，用以提升或下降货物的机构称为起升机构，一般采用卷扬式。起升机构是起重机中最重要、最基本的机构，其工作的好坏直接影响整台起重机的工作性能。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。驱动装置包括电动机、联轴器、制动器、减速器、卷筒等部件。钢丝绳卷绕系统包括钢丝绳、卷筒、定滑轮和动滑轮1。取物装置有吊钩、吊环、抓斗、电磁吸盘、吊具、挂梁等多种型式。安全保护装置有超负荷限制器、起升高度限位器、下降深度限位器、超速保护开关等，根据实际需要配用。因起升重量、起升速度和起升高度等设计参数的不同，龙门式小车有多种传动方案。在这些方案中大体可分为闭式传动和带有开式齿轮传动的两类。这里采用闭式传动。在电动机与卷筒之间，大多数情况采用传动效率较高的圆柱齿轮减速器，而蜗轮减速器。由于传动效率低，除受位置限制需用外，一般较少应用。电动机与减速器之间采用一带制动轮的弹性柱销联轴器或带制动轮的全齿联轴器直接联接，电动机与减速器之间采用中间轴，轴的一端联有半齿联轴器，另一端则联有带制动轮的半齿联轴器2。这种在两个半齿联轴器之间没有外支座的中间轴，除允许径向和角度有微量偏移外，由于可沿轴向稍微串动，因此，称它为浮动轴。利用浮动轴联接比只有一个联轴器联接有下列优点：a,容许较大的安装误差，而轴愈长允许的安装误差愈大。故浮动轴长度一般不宜过短，否则所引起的补偿作用不大；b,由于有足够的维修操作空间，便于拆卸和更换零件；c,使小车由零件部件自重引起的轮压分布均匀。利用浮动轴的缺点，就是增加了零件数量和增大了转动惯量，因而在起动和制动时增加了动力矩。为安全设计，带制动轮的半齿联轴器和制动器应靠近减速器。这样万一浮动轴被扭断，制动器仍可以制动住卷筒3。虚线所示可以将制动器放在减速器的外侧。这时在浮动轴的两端应采用同型号的两个半齿联轴器，同时还要多安装一个与制动器相配合的制动轮。减速器与卷筒的联接型式很多，用全齿联轴器来联接，这种型式构造简单，分组性好，但在卷筒轴线方向所占的位置较长，且由于增加了卷筒的轴承部件和联轴器而使机构的自重有所增加。为了缩短卷筒与减速器联接的轴向尺寸，采用同轴传动的型式，即把卷筒轴与减速器低速轴合成为一个长轴。从受载情况分析，这根轴是既受弯矩有传递转矩的转轴。此轴可以是三个轴承做支点的超静定轴，或用两个轴承作支点的静定轴，它们的共同缺点是装卸不便，轴的构造比较笨重，减速器不能单独进行装配和试运转。也就是说，这种结构的起升机构的分组性差。为了改善分组性，在起重机系列的起重机中，减速器低速轴与卷筒部件的联接这里采用了用齿轮联轴器联接卷筒轴与减速器轴的构造。减速器的低速轴头作成内有喇叭口，其外铣有外齿轮4。喇叭口作为卷筒轴的支承；而外齿轮则作为齿轮联轴器的一半，另一半齿轮联轴器（内齿圈）与卷筒的左轮毂做成一体。轮毂与卷筒用铰孔光制螺栓连接，因此减速器轴的转矩通过齿轮联轴器和螺栓直接传递给卷筒。而卷筒轴是一根不传递转矩而只受弯矩的转动心轴，其右端的双列自位滚珠轴承放在一个单独的轴承座内，而左端的轴承就支承在减速器低速轴头的喇叭孔内。这种联接方式的优点是：结构紧凑和分组性好，安装维修方便。其缺点是构造较复杂，制造费工。卷筒与减速器的联接是省略卷筒长轴。卷筒的一端通过一圈沿圆周均布的故形滚柱，支承在减速器输出轴的悬臂上，滚柱嵌在轮毂和轮辐内外圈之间的半圆形凹槽内，沿着圆周能够传递切向力，即传递转矩。同时还能承受很大的径向力，兼有径向轴承调位的作用，省去了一个径向支承装置。卷筒上的螺旋槽应与滑轮组的型式相适应，用单螺旋槽或双螺旋槽5。通用龙门式起重机多采用双联滑轮组，其起重量与滑轮组的倍率关系见表1。表1 桥式起重机起升机构滑轮组倍率Table1 Bridge crane lifts the organization block and tackle percentage起重量 3 5 8（10） 12.5 16 20 32 50 80 100 125 160 200 250倍 率 1 2 3 3 3 3 4 4 4 6 6 6 8 8 这里选用起重量Q(t)=50；倍率=4。2 起升机构的计算 此处省略NNNNNNNNNNNN字。如需要完整说明书和设计图纸等.请联系扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套机械毕业设计下载！该论文已经通过答辩 查得选用瓦林吞型纤维芯钢丝绳，钢丝公称抗拉强度，光面钢丝，右交互捻7，直径，钢丝绳最小破断拉力，标记如下：钢丝绳 结果。2.3 确定滑轮主要尺寸滑轮的许用最小直径： （3） 式中系数由表查得。选用滑轮直径，取平衡滑轮直径，选用。滑轮的绳槽部分尺寸可由表5查得。查表选用钢绳直径，滑轮轴直径的型滑轮标记为： 滑轮 查得平衡滑轮选用，滑轮轴直径的型滑轮标记为：滑轮 结果。2.4 确定卷筒尺寸卷筒直径： （4） 由表得选用，卷筒绳槽尺寸由表查得槽距，槽底半径。卷筒尺寸： （5） 取式中附加安全系数，取； 卷槽不切槽部分长度，取其等于吊钩组动滑轮的间距8，即，实际长度在绳偏斜角允许范围内可以适当增减； 卷筒计算直径卷筒壁厚： 卷筒壁压力验算： （6）选用灰铸铁，最小抗拉强度，许用压应力： 故抗压强度足够卷筒拉应力验算：由于卷筒长度，尚应校验由弯矩产生拉应力，卷筒弯矩图2： 卷筒的最大弯矩发生在钢丝绳位于卷筒中间时： （7）卷筒断面系数： 图2 卷筒弯矩图Fig.2 Reel bending-moment diagram式中卷筒外径，；卷筒内径， （8） 合成应力： 式中许用拉应力 卷筒强度验算通过。故选定卷筒直径，长度，卷筒槽形的槽底半径，槽距；起升高度，倍率；靠近减速器一端的卷筒槽向为左的A型卷筒，标记为：卷筒 左 2.5 选择电动机计算静功率： 式中机构总效率，一般，取电动机计算功率： （9） 式中系数由表查得，对于级机构， ，取选用电动机，其， ，电机质量。2.6 验算电动机发热条件按照等效率法，求时所需的等效功率： 式中工作级别系数，查表对于级，； 系数，根据机构平均起动时间与平均工作时间的比值查得9。一般起升机构，取，查表得出。 以上计算结果，故初选电动机能满足发热条件。2.7 选择减速器卷筒转速： （10）减速器总传动比： （11）选减速器，当工作类型为中级（相当工作级别为级）时10，许用功率，质量，入轴直径，轴端长（锥形）。2.8 验算起升速度和实际所需功率 实际起升速度： （12）误差： （13）实际所需要等效功率： 2.9 校核减速器输出强度 由公式得输出轴最大径向力： （14） 式中 卷筒上卷绕钢丝绳引起的载荷； 卷筒及轴自重，参考附表估计； 减速器输出轴端最大允许径向载荷。 由公式得出轴最大扭矩： （15） 式中 电动机轴额定力矩； 当时电动机最大力矩倍数； 减速器传动效率； 减速器输出轴最大容许转矩。 由上计算，所选减速器能满足要求。2.10 选择制动器所需静制动力矩： （16） 式中制动安全系数。选用315/23制动器11，其制动转矩，制动轮直径，制动器质量。2.11 选择联轴器高速轴联轴计算转矩： （17） 式中电机额定转矩；联轴器安全系数；刚性动载系数12，一般。查得电动机轴端为圆锥形，。从表查得减速器的高速轴端为圆锥形，。电动机轴端联轴选用半联轴器，最大容许转矩值，飞轮力矩，质量。浮动轴的两轴端为圆柱形，。减速器轴端联轴器选用带制动轮的半齿联轴器13，图号为S124，最大容许转矩，飞轮矩，质量。为与制动器相适应，将S124联轴器所带制动轮，修改为应用。2.12 验算起动时间起动时间： （18） 式中静阻力矩： （19）平均起动转矩： 通常起升机构起动时间为1-5S，此处，可在电气设计时，增加起动电阻，延长起动时间14，故所选电动机合适。2.13 验算制动时间 制动时间： （20） 式中由查得许用减速度，故 故合适2.14 高速浮动轴的计算2.14.1 疲劳计算 起升机构疲劳计算基本载荷 式中动载系数，； 起动载荷动载系数（物品起升或降制动的动载效应）， 选定轴径，因此扭转应力： （21）轴材料用45号钢，弯曲； 轴受脉动循环的许用扭转应力： （22） 式中考虑零件几何形状和零件表面状况的应力集中系数15； 与零件几何形状有关，对于零件表面有急剧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，对于表面粗糙度3.2，对于表面粗糙度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， 故 通过2.14.2 强度验算 轴所受最大转矩： 最大扭转应力： （23）许用扭转应力： （24） 式中安全系数， 故通过浮动轴的构造如图3。中间轴径，取。图3 高速浮动轴构造图Fig.3 Floats the moving axis constructional drawing high speed3 卷筒部件的设计卷筒部件的构造如图4所示，主要有卷筒、联接盘、卷筒轴、卷筒轴承座和钢丝绳在卷筒上的连接件以及其它一些连接定位的零件等组成16。1-卷筒 2-联接盘 3-卷筒轴 4-轴承 1-Coiling block 2-Connection plate 3-Barrel arbor 4-Bearing图4 卷筒部件Fig.4 Reel part3.1 卷筒卷筒一般有到的灰铸铁及、的铸铁铸造的毛坯，也有用钢铁焊接的毛坯加工而成17。后者的自重要比前者的轻。这里选用的铸铁铸造卷筒。3.2 联接盘联接盘用于连接卷筒与减速器的输出轴端。它既是一个带内齿轮联轴器，又是卷筒的一个轮毂。因此，可使减速器输出轴扭矩借助联接盘传到卷筒上，而使卷筒旋转。同时，卷筒上钢丝绳的作用力可以通过联接盘的轮毂传递给卷筒轴，再由卷筒轴的左轴承通过外齿轮形输出轴作用到减速器的机壳上。联接盘与卷筒的联接型式，常见有两种：一种是连接铰孔螺栓安装在卷筒内图4，这种联接型式的联接盘在安装时，螺栓搬手不能伸入卷筒内。为了防止螺栓在安装时脱落，又可以使联接盘容易安装上，所以铰孔螺栓和卷筒内凸缘上螺孔要采用过度配合，而螺栓与连接盘凸缘上孔的配合采用动配合。它用于卷筒直径较大的情况。另一种是连接铰孔螺栓装在卷筒之外的型式图5b。它常用于卷筒直径较小，螺栓无法装在卷筒之内的情况下18。这时可将卷筒做出一个凸缘，于是联接盘的连接螺栓可在卷筒外面固接。这里选用连接铰孔螺栓安装在卷筒内图5a。在联接盘的外侧，也就是靠近减速器的一边，有一密封盖（或叫可分盖）用于防止灰尘进入齿隙。因为密封盖是最后安装，为了便于装配，所以做成两半，在两半的接缝外要加上橡胶或毛毡以防灰尘侵入。密封盖与齿侧之间要留有一定间隙，以免盖与外齿侧磨碰。联接盘内齿与减速器输出轴的外齿啮合处要经常注油润滑，在联接盘的外边要伸入注油。 a) b)图5 卷筒和联接盘的联接Fig.5 The diagram of reel and the association take over a business joint3.3 卷筒轮毂卷筒轮毂的型式采用装配式的卷筒轮毂。轮毂与卷筒分别制成，然后装配成一体。这种轮毂铸造方便且易保证质量；铸造后也易于清砂。缺点是加工及装配时较多19。多了一些联接的零件如螺栓等。如图6所示。图6 卷筒轮毂Fig.6 Reel wheel hub3.4 卷筒轴、轴承及轴承座卷筒轴在减速器一端，穿过联接盘插入减速器输出端的喇叭口内。喇叭口较大，可以安装自位的滚动轴承来支承卷筒轴图7。卷筒轴的材料通常为调质的45号钢。卷筒轴仅承受卷筒轮毂传递的载荷（由于钢丝绳拉力引起的）。因扭矩直接由减速器输出轴端通过齿轮联接盘传到卷筒上，所以卷筒轴为两支点的传动心轴。 1-减速器出轴喇叭口 2-滚动轴承 3-卷筒轴 4-联接盘 1-Reducer shaft bell mouth 2-Antifriction bearing 3-Barrel arbor 4-Connection plate图7 卷筒轴在减速器端的支承Fig.7 Reel axis in reduction gear end supporting卷筒轴承座可以用标准轴承座，另配上一焊接支架。卷筒轴承座受卷筒和卷筒轴的自重及钢丝绳通过卷筒与轴传递的作用力。为使轴承座定位，需要定位装置。一般在卷筒部件安装调整好后，用一小段角钢焊在小车架上使轴承座定位。3.5 钢丝绳在卷筒上的固定装置钢丝绳在卷筒上的固定装置应保证工作可靠、便于检查和容易拆换钢丝绳，避免钢丝绳在固定处受到过分弯曲。现有的钢丝绳固定装置都是利用摩擦力来固定的20。则在固定处绳的作用力为： （25）为了安全起见，固定处绳的作用力可取： （26）固定装置：利用压紧螺钉及压板的方法在卷筒上铸出一通槽，钢绳末端放到此槽内用压板及螺钉压紧。为使绳索可靠地固定，必须使。式中F为绳索与压板之间的摩擦力。由于F系螺钉压紧压板之力P产生的，故 （27） 式中接触表面的摩擦系数，一般取。于是： （28）求出P力后就可以根据压缩强度条件来计算螺钉的内径。 （29） 式中Z螺钉数目； 螺钉许用压缩应力，对于Q255，； 1.3系考虑拧紧螺钉内产生扭转应力的系数。3.6 卷筒部件计算3.6.1卷筒心轴计算支座反力： 心轴右轮毂支承处最大弯矩：疲劳计算：对于疲劳计算采用等效弯矩，等效系数，等效弯矩： （30） 图8 卷筒轴弯矩扭矩图Fig.8 Drum shaft bending torque figure弯曲应力： 心轴的载荷变化为对称循环。已知许用弯曲应力，轴材料用45钢，其；， （31） 式中安全系数 应力集中系数，； 与零件几何形状有关的应力集中系数 与零件表面加工光洁度有关的应力集中系数， 通过静强度计算：卷筒轴属于起升机构低速轴零件，其动力系数可查得， ， （32） 许用应力： 通过 故卷筒轴的疲劳和静强度计算通过3.6.2 轴承由于卷筒心轴上的左轴承的内、外座圈以同样转速转动，故无相对运动，可按照额定静载荷来选择。右轴承的外座圈与心轴一同旋转，应按照额定动负荷来选择。左端轴承： （33） 式中额定静负荷； 当量静负荷； 安全系数，取。选用中型双排滚珠轴承，型号1311，查得轴承的额定静负荷，左轴承的当量静负荷： （34） 式中动负荷系数，选取 安全。右端轴承： 右端轴承也采用1311，其额定动负荷 右轴承的径向负荷 轴向负荷 设级工作类型的轴承工作时数，查得1311轴承的e=0.23，令，故x=1,y=2.7，当量动负荷： （35） 由式得： 故动负荷 安全。3.6.3 绳端固定装置计算根据钢绳直径为13.5，表查得选择压板固定装置图8并将压板的绳槽改用梯形槽。双头螺柱的直径M16。图9 绳端固定装置Fig.9 Rope end attachment system已知卷筒长度计算中采用的附加圈数，绳索与卷筒槽间的摩擦系数。则在绳端固定处的作用力： （36）压板螺栓所受之拉力： （37） 式中压板梯形槽与钢绳的换算摩擦系数。当时； （38）螺柱由拉力和弯矩作用的合成应力： （39） 式中Z=2（螺柱数） （螺纹内径） （弯矩） 螺柱材料为Q-235，屈服极限，则许用拉伸应力为： （40） 通过4 吊钩装置的设计4.1 吊钩装置的构造吊钩装置是起重机最重要的一个承载部件。它要求强度足够，工作安全可靠，转动灵活，不会发生突然破坏和钢丝绳脱槽或楔在罩壳中等现象。吊钩装置有长型和短型两种。这里选用长型吊钩装置。长型吊钩装置的构造特点是：吊钩装在横轴上，滑轮装在单独的心轴上；而短型吊钩装置的特点是：吊钩横轴与滑轮心轴合而为一。长型吊钩扎的吊钩较短：而短型装置的吊钩较长。长型吊钩装置两滑轮间距离要比短型吊钩装置的小些，故其卷筒也可以短些。由于长型吊钩装置上可装平衡滑轮，故滑轮组的倍率可为偶数，也可为奇数。4.2 吊钩装置的计算图10 锻造单面吊钩Fig.10 Forging one-sided lift hook以知数据：起重量；起升速度；双联滑轮组，倍率；工作级别为级。4.2.1 确定吊钩装置构造方案选择一个吊钩并演算（图9）已知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轴颈螺纹处拉伸应力： （41） 式中螺纹内径，得； 动力系数，得。轴颈拉伸许用应力： 故强度足够4.2.2 吊钩弯曲部分断面的验算图解法断面重心：首先按比例绘出吊钩的载面形状图及其曲率中心位置，并在下边做出相应的LGK坐标。用垂线将截面分为许多小格。再划一垂线在断面上均得两个变数x和y。若把每根垂线所得变数乘积为纵坐标，X为横坐标，绘出一点，并把各点连接起来，即得一条曲线。令在曲线下面的面积为，则重心C的横坐标为： （42）图解法求系数K由曲率中心S点与所作曲线上的A点相连，再由重心点做的平行线，使其与相应的垂线AD相交于B点。可将许多类似的B点连成曲线。得面积，即可算出系数： （43） （1）计算截面上1点的最大拉伸应力 （44）对于20号钢，由 式中20号钢屈服限； 安全系数（其中0.9是考虑级工作级别系数）。（2）确定吊钩螺母尺寸螺母的最小工作高度考虑设置放松螺栓，实际取螺纹高度：H=78螺母外径（3）止推轴承的选择由于轴承在工作过程中很少转动，故可以根据静负荷来选择轴承当量静负荷： （45） 式中安全系数由表中选取。（4）吊钩横轴的计算横轴两侧拉板的间距是由滑轮和尺寸所决定的（即）。横轴可做为一筒支梁进行强度计算。横轴的计算载荷： （46）横轴的最大弯矩： （47）中间断面的载面模数： （48）弯曲应力： （49）横轴材料用45号钢，许用应力（5）滑轮轴计算滑轮轴也是一个筒支梁，支点距离仍然是。它作用有三个滑轮的压力为计算简便起见，把三个里看作集中力。滑轮的作用力： （50）轴上的弯矩： 截面模数： 弯曲应力： （51） （52）滑轮轴的材料与吊钩相同，亦为45号钢，故许用应力也相同 ，强度足够。（6）拉板的强度验算拉板的尺寸，拉伸应力： （53） 式中k=2.2应力集中系数。 拉板材料为号钢，许用拉伸应力轴颈与拉板的单位压力： （54）拉板轴孔内表面的挤压应力： （55）拉板许用挤压应力故和强度足够G,滑轮轴承的选择滑轮直径，计算直径，圆周速度，则滑轮的工作转数： （56）每个滑轮中采用两个径向滚动轴承。由表查得额定动负荷额定静负荷轴承径向负荷： （57） 式中动负荷系数，查得轴承的轴向负荷： （58） 轴承工作小时数 （59） 故安全可用5 结论 起重机械运用广泛，在现代工业中现代工业不仅对起重机的安全和高效提出越来越多的要求，而且随着自动化控制以及计算机管理系统的日益广泛，起重机从单一的搬运工具逐步演变成自动化、柔性化生产中的重要组成部分。现今电子技术以及先进加工技术运用广泛，计算机辅助设计更是的提高了设计师们的工作效率。如何结合新技术并运用到起重机中，让整个起重系统更安全、更高效、应用更广泛将是设计师的工作重点。本次设计中通过对桥式起重机的性能、结构及发展状况的了解。进行了桥式起重机起升机构以及其零部件的设计计算、校验等。本起重机投入实际生产以后系统工作稳定，运行可靠，同步精度符合要求，完全满足安装的所有要求。参考文献1 赵家英，刘成钧.桥式起重机工作原理与操作M.北京:科学普及出版社，1982:16-19.2 张质文.起重机设计手册M.北京:中国铁道出版社，1998:48-51.3 起重机设计手册编写组.起重机设计手册M.北京:机械工业出版社，1980:34-36.4 Purdum.T. 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