起重小车设计.doc

起重机小车总体设计

说

明

书

班级：机09-5班
姓名：路俊亮
学号：0964103504

设计任务书
学 生 姓 名

指 导 教 师

设计（论文）题目
桥式起重机小车设计计算
主要研
究内容
1. 小车总体设计；
2. 主起升机构设计计算；
3. 小车运行机构设计计算；
研究方法
查阅搜集与分析研究相关国内外资料，综合所学基础与专业知识，遵循机械零件与本专业相关标准，在小组充分讨论基础上，制定合理的具有先进性的设计方案，按时完成本设计提出的全部内容。
主要技术指标(或研究目标)
小车的主起升机构设计参数：
起重量40t，起升高度12m，起升速度13m/min
起升机构工作级别M6，
小车运行机构设计参数：
工作级别M6，运行速度45m/min，
小车参考自重：约16t
主要参考文献

[1] 张质文. 起重机设计手册.北京：中国铁道出版社，2001
[2] 成大先. 机械设计手册(单行本).北京：化学工业出版社，2004
[3] 陈道南．起重运输机械．冶金工业出版社，2005
[4] 华玉洁. 起重机设计规范[S].北京: 中国标准出版社，1984
[5] 濮良贵．机械设计．高等教育出版社，2000.12
[6] 陈国璋．起重机计算实例．中国铁道出版社，2005
[7] 胡宗武. 起重机设计计算.北京：北京科技出版社，1989

前言
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，由于它的两端支承在支架上，形状似桥，并可沿导轨行走，又称“天车”。 随着科学技术的迅速发展，国内外各种先进的电气控制和机械技术正逐步应用到起重机上，起重机的自动化程度越来越高，结构日趋简单，性能愈加可靠，起重越来越大，品种越来越全。对于起重量大、跨距大的起重设备多采用双梁桥式起重机，它有一个两根箱型主梁和两根横梁构成的双梁桥架，在桥架上运行小车，可垂直起吊和水平搬运各类物件。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。
伴随着工业的迅速发展和科学技术的不断进步，桥式起重机在结构设计及自动化程度上相继出现了一些新的变化和新的特点，在结构上国内起重设备已采用计算机优化设计，以提高起重机的机械性能，在起重质量方面逐步向大型化发展，大型桥式起重机正在钢铁、水利、发电等行业不断出现，家喻户晓的三峡发电厂安装的两台1200/125T的桥式起重机，07年9月起重量达2万吨的桥式起重机在山东烟台佛士船厂投入使用，它标志着我国起重行业已达到世界先进水平。
桥式起重机在现代工业生产和起重运输中充分应用到生产过程的机械化、自动化等，故桥式起重机在室内外工矿企业、钢铁化工、铁路交通、港口码头以及物流周转等部门和场所均得到广泛的运用。所以起重机已是现代工业生产中不可或缺的一种设备。

起重机小车的构造
桥式起重小车主要由起升机构、小车运行机构和小车架三部分组成；另外，还有一些安全防护装置。
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。
小车运行机构包括电动机、制动器、减速器、车轮组等。
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。
起升机构的传动方案

采用闭式传动的起升机构构造型式
而图中电动机与减速器之间采用一中间轴，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。像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。
利用浮动轴联接比弹性柱销联轴器或全齿联轴器有两大优点：
1）容许较大的安装误差，而且轴愈长允许的安装误差愈大；
2）由于足够的维修操作空间，便于拆卸和更换零件；
3）使小车由于自重引起的轮压分布均匀。
利用浮动轴的缺点是增加了零件数量和增大了转动惯量，因而在起动与制动时增加了动力矩。
选择如图所示的闭式传动方案。即在电动机与减速器之间采用一根浮动轴，把卷筒轴与减速低速轴合并为一根轴。
小车运行机构的传动方案
对于具有四个车轮其中半数为主动轮的小车运行机构，其传动方案可分为两大类：带有开式齿轮传动的和全部为闭式齿轮传动的。

减速器装在小车中间的运行机构
1-电动机；2-制动器；3-立式减速器；4-车轮；5-半齿轮联轴器；
6-浮动轴；7-全齿轮联轴器
全部为闭式齿轮传动方案如图。这种方案的运行机构由电动机、制动器、立式减速器、车轮、半齿联轴器、浮动轴、全齿联轴器等组成。这个方案中由于齿轮的维护保养条件好，齿轮传动构成独立的减速器部件，因此机构的装拆分组性好。
图为减速器在两车轮中间的型式。在这种方案中，传动轴所受的扭矩较小。减速器出轴与车轮轴之间可采用半齿联轴器5和浮动轴6联接，或用一个全齿联轴器7和一根浮动轴6联接。由于安装的偏差允许稍大一些，因而安装方便。一般起重量10吨以上的桥式起重机小车都采用这种方案。

起重小车的计算
1.起升机构计算
1确定起升机构传动方案，选择滑轮组和吊钩组
选定传动方案。按Q=40t，查[1]表4-2取滑轮组倍率，承载绳分支数：
（4-1）
查[1]附表6选短型吊钩组，图号为T1-362.1508。得其质量：两端滑轮间距 A=87mm。
2 选择钢线绳
若滑轮组采用滚动轴承，当，查[1]表2-1得滑轮组效率
钢丝绳所受最大拉力：
（4-2）
查[2]表2-4,中级工作类型(工作级别M6)时,安全系数n=5.5。
钢丝绳计算破断拉力：
（4-3）
查[1]附表1选用纤维芯钢丝绳6×19W+FC，钢丝公称抗拉强度1670MPa，光面钢丝，左右互捻，直径d=20mm，钢丝绳最小破断拉力[Sb]=220.4KN，标记如下：
钢丝绳 20NAT6×19W+FC1670ZS233.6GB8918-88
3 确定滑轮主要尺寸
滑轮的许用最小直径：
（4-4）
式中系数e=25由[2]表2-4查得。由[1]附表2选用滑轮直径D=500mm，由于选用短型吊钩，所以不用平衡滑轮。滑轮的绳槽部分尺寸可由[1]附表3查得。由附表4选用钢丝绳d=20mm，D=500mm，滑轮轴直径D5=100mm的E1型滑轮，其标记为：
滑轮E120×500-100ZBJ80006.8-87
4 确定卷筒尺寸并验算强度
卷筒直径：。由[1]附表13选用D=500mm，卷筒绳槽尺寸由[3]附表14-3查得槽距，t=22mm，槽底半径r=11mm
卷筒尺寸：
（4-5）
取L=2000mm
式中 Z0—附加安全系数，取Z0=2；
L1—卷槽不切槽部分长度，取其等于吊钩组动滑轮的间距，即L1=A=87mm，实际长度在绳偏斜角允许范围内可以适当增减；
D0—卷筒计算直径D0=D+d=500+20=520mm
卷筒壁厚：
（4-6）
取=20mm
卷筒壁压应力验算：
（4-7）
选用灰铸铁HT200，最小抗拉强度
许用压应力：===130Mpa。故抗压强度足够
卷筒拉应力验算：由于卷筒长度L＞3D，尚应校验由弯矩产生的拉应力，卷筒弯矩图示与图4-5

图4-5 卷筒弯矩图
卷筒最大弯矩发生在钢丝绳位于卷筒中间时：
== （4-8）
=33123595N·mm
卷筒断面系数：
=0.1=0.1×=3545088 （4-9）
式中—卷筒外径，=500mm；
—卷筒内径，=-2=500-2×20=460mm
于是 ==9.34Mpa （4-10）
合成应力：
（4-11）
式中许用拉应力 ===39MPa ∴＜
卷筒强度验算通过。故选定卷筒直径=500mm，长度L=2000mm；卷筒槽形的槽底半径=11mm，槽距=22mm；起升高度=16m，倍率=3。
卷筒 A500×2000-11×22-16×3左ZBJ80007.2-87
5 选电动机验算电动机发热条件
计算静功率：===40.1KW （4-12）
式中—机构总效率，一般=0.8～0.9，取=0.85
电动机计算功率：≥=0.840.1=32.11KW （4-13）
式中系数由[2]表6-1查得，对于～级机构，=0.75～0.85，取=0.8查[1]附表28选用电动机YZR 250M2，其（25%）=33KW，=725rpm，[]=7.0kg·，电动机质量=513kg。
按照等效功率法，求=25%时所需的等效功率：
≥··=0.75×0.85×40.1=25.6KW （4-14）
式中—工作级别系数，查[2]表6-4，对于M5～M6级，=0.75；
—系数，根据机构平均起动时间与平均工作时间的比重（/）查得。
由[2]表6-3，一般起升机构/=0.1～0.2，取/=0.1，由[2]图6-6查=0.85。
由以上计算结果＜，故初选电动机能满足发热条件
6 选择标准减速器
卷筒转速：===18.7r/min
减 速 器 总 传 动 比：===38.8
查[1]附表35选ZQ-650Ⅱ-3CA减速器，当工作类型为中级（相当工作级别为M5级）时，许用功率[N]=31.5KW，=40.17，质量=878㎏，主轴直径=60mm，轴端长=110mm（锥形）。
7 验算起升速度和实际所需功率
实际起升速度：
（4-16）
误差：
=×100%=×100%=3.9%＜[]=15% （4-17）
实际所需等效功率：

8 校核减速器输出轴强度
由[2]公式（6-16）得输出轴最大径向力：
=≤[] （4-18）
式中=2×34630=69260N=69.26KN——卷筒上卷绕钢丝所引起的载荷；
=9.81KN—卷筒及轴自重，参考[1]附表14估计
[R]=89.5KN—ZQ650减速器输出轴端最大允许径向载荷，由[1]附表36查得。
∴==39.5KN＜[]=89.5KN
由[2]公式（6-17）得输出轴最大扭矩：
=（0.7～0.8） （4-19）
式中==9750=443.8Nm——电动机轴额定力矩；
=2.8—当=25%时电动机最大力矩倍数；
—减速器传动效率；
Nm—减速器输出轴最大容许转矩，由[1]附表36查得。
∴=0.8×2.8×443.8×40.17×0.95=37936Nm＜[]=96500Nm
由以上计算，所选减速器能满足要求。
9 选择制动器
所需静制动力矩：
（4-20）
式中=1.75—制动安全系数，由[2]第六章查得。
由[1]附表15选用YWZ5-315/50制动器，其制动转矩=360～710Nm，制动轮直径=315mm，制动器质量=61.4㎏
10 选择联轴器
高速联轴器计算转矩，由[2]（6-26）式：
(4-21)
式中—电动机额定转矩（前节求出）；
=1.5—联轴器安全系数；
=1.8—刚性动载系数，一般=1.5～2.0。由[1]附表29查得YZR-250M2电动机轴端为圆锥形，。从[1]附表34查得ZQ-650减速器的高速轴为圆锥形。
靠近电动机轴端联轴器 由[1]附表43选用CLZ半联轴器，其图号为S180，最大容许转矩[]=3150Nm＞值，飞轮力矩kg·m，质量=23.2kg
浮动轴的两端为圆柱形
靠减速器轴端联轴器 由[1]附表45选用带制动轮的半齿联轴器,其图号为S198,最大容许转矩[]=3150Nm，飞轮力矩 kg·m,质量37.5kg。为与制动器YWZ5-315/50相适应，将S198联轴器所需制动轮，修改为。
11 高速浮动轴计算
（1）疲劳计算 轴受脉动扭转载荷，其等效扭矩：
(4-22)
式中—动载系数=0.5（1+）=1.065
—起升动载系数
=1+0.71v=1+0.7110.6/60=1.13
由上节选择联轴器中，已经确定浮动轴端直径d=55mm,因此扭转应力
(4-23)
轴材料用45号钢，
弯曲：=0.27（+ ）=0.27（600+300）=243MPa
扭转：= /=243/=140MPa
=0.6=0.6300=180MPa
许用扭转应力：由[1]中式（2-11），（2-14）
(4-24)
式中—考虑零件几何形状和零件表面状况的应力集中系数；
—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，=1.5—2.5
—与零件表面加工光洁度有关，此处取k=2×1.25=2.5
—考虑材料对应力循环对称的敏感系数，对碳钢，低合金钢
—安全系数，查[1]表30得
因此,
故, 通过。
（2）强度计算 轴所受的最大转矩
(4-25)
最大扭转应力：
(4-26)
许用扭转应力：
(4-27)
式中：—安全系数，由[1]表2-21查得 故合适。高速浮动轴构造如图所示中间轴径，取

2.小车运行机构计算
1 选择车轮与轨道并验算其强度
车轮最大轮压：小车质量估计取16t。假定轮压均布，则
（4-28）
车轮最小轮压： （4-29）
初选车轮：由[1]表3-8-15 ，当运行速度大于40m/min小于60m/min ，，工作级别为M6时，车轮直径，轨道型号为。
许用轮压大于，GB4628—84规定，直径系可取250,315,400,500,630，故初步选定车轮直径=400mm，而后校核强度。
强度验算：
按车轮与轨道为线接触及点接触两种情况验算车轮接触强度
车轮踏面疲劳计算载荷：
（4-30）
车轮材料为ZG340-640，，
线接触局部挤压强度：
（4-31）
式中, —许用线接触应力常数（N/mm2），由[2]表5-2查得
—车轮与轨道有效接触强度，对于，
—转速系数，由[2]表5-3，车轮转速
（4-32）
此时，
—工作级别，由[2]表5-4得值为1
因为Pc’ > Pc，故通过。
点接触局部挤压强度：
（4-33）
式中，k2—许用点接触应力常数（N/mm2），由[3]表5-2查得k2=0.132
R—曲率半径，车轮与轨道曲率半径中的大值。车轮R1=D/2=400/2=200mm，轨道R2=300mm，故取R=300mm
m—由比值所确定的系数，，
由[3]表5-5查得m=0.47
因为，故通过。
2 运行阻力计算
摩擦阻力：
小车满载运行时的最大摩擦阻力：
（4-34）
式中，Q—起升载荷；
G—起重机或者运行小车的自重载荷；
—滚动摩擦系数，由(1)表2-3-2查得f=0.6；
—车轮轴承摩擦系数，由(1)表2-3-3查得 =0.02；
d—与轴承相配合处车轮轴的直径，d=125mm；
D—车轮踏面直径，D=400mm；
—附加摩擦阻力系数，由(1)表2-3-4查得 =2；
—摩擦阻力系数，初步计算时可按(1)表2-3-5查得 =0.01。
空载运行时最小摩擦阻力：
（4-35）
3 选电动机并验算电动机发热条件
电动机的静功率：
（4-36）
式中，—机构传动效率，取0.9式中
—满载运行时的静阻力
—驱动电动机台数
对于桥式起重机的小车运行机构可按下式初选电动机：
（4-37）
初选电动机功率：
（4-38）
式中，—电动机功率增大系数，由[1]表7-6得。
由附表选用电动机YZR-160M1，，，电动机质量154kg 。
电机等效功率：
（4-39）
式中，—工作类型参数，由表6-4查得
—由(1)按起重机工作场所得，查得r=1.12
由此可知，满足发热要求。
4 选择减速器
车轮转速：
（4-40）
机构传动比：
（4-41）
由[1]附表40，选用ZSC-600-Ⅲ-2减速器， ； (当输入转速为时)。
5 验算运行速度和实际所需功率
实际运行速度：
（4-42）
误差：
（4-43）
实际所需电动机静功率：
（4-44）
由于N’j<Ne，故所选电动机和减速器均合适
6 验算起动条件
起动时间：
（4-45）
式中 ；
m=1(驱动电动机台数)；
（4-46）
Me—JC25%时电动机额定扭矩：
（4-47）
满载运行时的静阻力矩：
（4-48）
空载时的运行阻力矩：
（4-49）
初步估算高速轴上联轴器的飞轮转矩：
（4-50）
机构总飞轮矩（高速轴）：
（4-51）
满载起动时间：
（4-52）
空载起动时间：

由[1]表7-6查得,当时, [tq]的推荐值为5.5s,故，故所选电动机能满足快速起动的要求。
7 按起动工况校核减速器功率
起动工况下校核减速器功率：
（4-53）
式中

m’—运行机构中同一传动减速器的个数，m’=1
因此
所选用减速器的，故减速器合适。
8 选择制动器
由[2]查得，对于小车运行机构制动时间，取，因此，所需制动转矩：
（4-55）
由附表15选用，其制动转矩。考虑到所取制动时间与起动时间很接近，故略去制动不打滑条件验算
9 选择联轴器
高速轴联轴器计算转矩，由[2]（6-26）式：
（4-56）
式中 n—联轴器的安全系数，运行机构n=1.35；
—机构刚性动载系数，=1.2～2.0，取=1.8。
由附表31查电动机YZR132M2-6两端伸出轴各为圆柱d=38mm，=80mm
由附表37查ZSZ-600减速器高速轴端为圆柱形=35mm，=55mm。故从附表41选鼓形齿式联轴器，主动端A型键槽=38mm，L=80mm；从动端A型键槽=30mm，L=55mm。标记为：GICL联轴器ZBJ19013-89。其公称转矩，飞轮矩，质量
高速轴端制动轮：根据制动器已选定为，由[1]附表16选制动轮直径=200mm，圆柱形轴孔d=38mm，L=80mm，标记为：制动轮200-Y38 JB/ZQ4389-86，其飞轮矩=，质量=10kg
以上联轴器与制动轮飞轮矩之和：+=
原估计基本相符，故以上计算不需修改
低速轴联轴器计算转矩，可由前节的计算转矩求出
（4-57）
由[1]附表37查得ZSC-600减速器低速轴端为圆柱形d=80mm，L=115mm，取浮动轴装联轴器轴径d=8mm，L=115mm，由[1]附表42选用两个GICLZ鼓形齿式联轴器。其主动端：Y型轴孔A型键槽，=80mm。从动端：Y型轴孔，A型键槽，=75m，L=8mm，标记为GICLZ联轴器
由前节已选定车轮直径，由[1]表19参考车轮组，取车轮轴安装联轴器处直径d=80mm，L=115mm，同样选用两个GICLZ鼓形齿式联轴器。其主动轴端：Y型轴孔，A型键槽=75m，L=115mm，从动端：Y型轴孔，A型键槽=80mm，L=115mm，标记为：GICLZ联轴器ZBJ19014-89。
10 验算低速浮动轴强度
（1）疲劳验算 由[4]运行机构疲劳计算基本载荷
（4-58）
前节已选定浮动轴端直径d=70mm，其扭转应力：
（4-59）
浮动轴的载荷变化为对称循环（因运行机构正反转转矩值相同），材料仍选用45钢，由起升机构高速浮动轴计算，得，许用扭转应力：
（4-60）
式中—与起升机构浮动轴计算相同
通过
（2）强度验算 由[4]运行机构工作最大载荷
（4-61）
式中 —考虑弹性振动的力矩增大系数，对突然起动的机构，=1.5～1.7，此处取=1.6；
—刚性动载系数，取。
最大扭转应力：
（4-62）
许用扭转应力：
（4-63）
因为 故通过
浮动轴直径： 取。