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畢業(yè)設計開題報告
學 院
機械工程學院
專 業(yè)
機械工程及自動化
班級學號
學 生
指導教師
題 目
橋式起重機副起升機構設計
起重機械
0 引言
起重機械的基本任務是垂直升降重物，并可兼使重物作短距離的水平移動，以滿足重物裝卸、轉載、安裝等作業(yè)的要求。起重機機械是現(xiàn)代化生產必不可少的重要機械設備，它對于減輕繁重的體力勞動、提高勞動生產率和實現(xiàn)生產過程的機械化、自動化及改善人民的物質、文化生活都具有重大的意義。
起重機械廣泛應用于工礦企業(yè)、港口碼頭、車站倉庫、建筑工地、海洋開發(fā)、宇宙航行等各個工業(yè)部門，可以說陸地、海洋、空中、民用、軍用各個方面都有起重機械在進行著有效的工作。
起重機械不僅可以作為輔助的生產設備，完成原料、半成品、產品的裝卸、搬運，進行機電設備的安裝、維修，而且它也是一些生產過程工藝操作中的必須設備，例如鋼鐵冶金生產中的各個環(huán)節(jié)，從爐料準備、加料到煉好的鋼水澆鑄成錠以及脫模取錠等。又例如原子能工業(yè)中的一些工藝操作等人所難達到之處，沒有起重機械，簡直無法生產。據(jù)統(tǒng)計，在我國冶金、煤炭部門的機械設備總臺數(shù)或總重中，起重運輸機械約占25％～65％。
起重機械與運輸機械發(fā)展到現(xiàn)在，已經成為合理組織成批大量生產和機械化流水作業(yè)的基礎，是現(xiàn)代化生產的重要標志之一。在我國四個現(xiàn)代化的發(fā)展和各個工業(yè)部門機械化水平、勞動生產率的提高中，起重機必將發(fā)揮更大的作用。
1 起重機械的發(fā)展動向
1.1 發(fā)展超大型起重機
由于各重點工程向大型化發(fā)展，所需構件和配套設備重量不斷增加，對超大型起重設備的需求日趨增長。1992年200t以上伸縮臂式起重機的世界銷量為90臺，到1997年增至130臺。德國廠商在起重機大型化發(fā)展進程中處于領先地位。世界市場中150t以上的大噸位起重機多數(shù)是由利勃海爾和德馬泰克公司提供的。利渤海爾LTM1800型是目前世界最大的AT產品，起重量800t，安裝超起裝置后型號變更為LTM11000D型，最大起重量增至1000t。該機售價550萬美元。1998年推出的LTM1500型(起重量500t)售價為540萬德國馬克。上述三種機型在行駛狀態(tài)需拆下吊臂等裝置分別進行運輸。
德馬泰克公司1997年推出的AC650型安裝超起裝置后，最大起重量可從650t增至800t。該機售價500萬德國馬克。AC650是目前世界上起重噸位最大的整裝式伸縮臂起重機，行駛狀態(tài)不需拆下吊臂分別運輸。
住友建機、多田野和加藤公司曾于1989年相繼推出360t汽車起重機。住友建機在90年代開發(fā)出80t～250t共4種AT產品。多田野也在90年代相繼推出100t～550t共6種特大型AT產品。加藤公司則研制成NK5000型500t汽車起重機。目前日本生產的特大型起重機僅在國內銷售。
1.2 “迷你”起重機大量涌現(xiàn)
起重機向微型化發(fā)展，是適應現(xiàn)代建設要求而出現(xiàn)的新趨勢。10年前開發(fā)的神鋼RK70(7t)是世界首臺裝有下俯式吊臂的“迷你”(Mini) RT產品。目前下俯式吊臂已成為“迷你”起重機的重要標志。這種新概念設計已成功移植到德馬泰克AC25(25t)和加藤CR-250(25t)等較大噸位起重機上。
小松公司曾在90年代初、中期相繼推出了裝有下俯式吊臂的 LW80(8t)和LW100-1(10t)“迷你”RT產品。該公司還曾于1993年和1997年分別推出了另外兩種別具特色的LT300型(4.9t)和LT500型(12t)“迷你”RT。據(jù)資料介紹，LT300型與LT500型是世界首批裝有全自動水平伸縮副臂的輪式起重機。它們將輪式起重機公路行駛能力與專用伸縮臂架技術融為一體，且具有塔機功能，可越過屋頂或其他障礙物靠近作業(yè)面，能替代小型自行架設塔機或大型折疊臂式隨車起重機。
1.3 伸縮臂結構不斷改進
利渤海爾LTM1090/2(90t)和LTM1160/2型(160t)AT產品，采用了裝有“Telematik”單缸自動伸縮系統(tǒng)的卵圓形截面主臂。這種卵圓形截面主臂在減輕結構重量和提高起重性能方面具有良好效果。目前卵圓形吊臂已列入利勃海爾新產品標準部件，裝有世界最長的7節(jié)84m卵圓形截面主臂的LTM1500型(500t)AT產品，也采用這種單缸伸縮系統(tǒng)。格魯夫開發(fā)的單缸伸縮系統(tǒng)要早于利勃海爾公司，但格魯夫早期采用的單缸伸縮系統(tǒng)伸縮速度較慢。此外，德馬泰克大噸位起重機主臂也采用卵圓形截面。
格魯夫GMK6250(250t)和GMK5180(180t)兩種AT產品，采用了裝有雙銷雙鎖自動伸縮系統(tǒng)的U形截面主臂，伸臂速度較快(平均9m/s左右)。伸縮系統(tǒng)由電子式起重機操作裝置控制，可將主臂自動伸至各種選定臂長。據(jù)報道，美國謝迪．格魯夫工廠將采用德國工廠的主臂制造技術，原有梯形主臂將被淘汰，原因是焊接工藝復雜，制造成本高。
1.4 數(shù)據(jù)總線技術得到應用
利渤海爾LTM1030/2型(30t)是世界首臺裝有數(shù)據(jù)總線管理系統(tǒng)的高技術雙軸AT產品。該機采用CANBUS(控制域網(wǎng)總線)技術，完成發(fā)動機－傳動系統(tǒng)各功能塊之間的數(shù)字式數(shù)據(jù)傳輸和電子控制。CANBUS總線及電氣、液壓、繩長和風力等數(shù)據(jù)又被輸入到LSB控制裝置之中。LSB控制裝置是Liccon起重機控制系統(tǒng)的組成部分，可對整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)流及監(jiān)控特性進行編程。采用數(shù)據(jù)總線管理系統(tǒng)，可降低起重機油耗及排放值，簡化布線，提高整機可靠性與維修方便性。目前已有多種新機型裝有LSB系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線(包括LTM1500)。格魯夫GMK6250和GMK5180也采用了數(shù)據(jù)總線技術。
1.5 靜液壓傳動起重機進入市場
首臺靜液壓傳動起重機是原克虜伯公司1992年研制的雙軸KMK2035型(35t)AT產品。瑞士Compact Truck公司1993年推出的雙軸CT2(35t)AT產品是世界第一臺投放市場的靜液壓傳動起重機。意大利Rigo公司在1994年推出了RT200(20t)靜液壓傳動RT起重機。隨后Compact Truck公司在1997年推出了兩種采用靜液壓傳動的3軸CT3(70t/80t)全地面起重機。該機裝有8節(jié)7.1m～40.5m主臂，最大時速75km/h。 采用靜液壓傳動，上車發(fā)動機既可驅動起重裝置，還可驅動行走裝置。此外，可將發(fā)動機橫向安裝在上車回轉式操縱室后部，起到整體式配重作用。據(jù)介紹，某些機型采用靜液壓傳動后，可大約減重1/3。
1.6 混合型起重機得到發(fā)展
過去10年中日本RT產品居世界領先地位，許多產品裝有傳統(tǒng)型號不具備的適于公路行駛的驅動裝置，因而可在日本公路合法行駛。這樣就促使用戶對歐美制造廠商也提出了新要求。據(jù)報道，1997年世界RT產品總銷量達5000臺，其中日本生產了2800臺，美國為1250臺。
起重機工業(yè)中出現(xiàn)了許多新概念設計。Compact Truck公司雙軸CT2型（35t）、三軸CT3型(70/80t)和2000年將推出的4軸/6軸CT4型(110t/150t)AT產品，打破了傳統(tǒng)驅動模式，采用靜液壓傳動，裝有下俯式主臂，整機結構緊湊。
德馬泰克雙軸AC250型(25t)、加藤雙軸CR－250型(25t)AT產品和格魯夫3軸 ATS40型(36.3t)全地面汽車起重機也屬于混合型起重機，前兩種機型又稱為城市型起重機。
1.7 汽車起重機也在不斷發(fā)展
為與RT和AT產品抗衡，汽車起重機新技術、新產品也在不斷發(fā)展。近年來汽車起重機在英、美等國市場的復興，使人們對汽車起重機產生新的認識。幾年前某些工業(yè)界人士曾預測，RT和AT產品的興起將導致汽車起重機的衰退。日本汽車起重機在世界各地日益流行，以及最近格魯夫、特雷克斯、林克．貝爾特、德馬泰克等公司汽車起重機的產品進展，已向上述觀念提出挑戰(zhàn)。隨著工程起重機各機種間技術的相互滲透與競爭，汽車起重機會在世界市場中繼續(xù)占有一席之地。
3.8 隨車起重機產銷量不斷增長
80年代末和90年代，國外隨車起重機發(fā)展極其迅速。世界年總產量已達10萬臺左右。發(fā)展趨勢是向多功能、大型化發(fā)展，已開發(fā)出裝有6～8節(jié)伸縮臂的產品。液壓系統(tǒng)油缸壓力已達30～33MPa，比10年前約提高50%，從而導致油缸尺寸的縮小，可在油泵規(guī)格不變或略有減小的情況下，提高油缸工作速度。遙控裝置也有可能獲得更廣泛的使用。隨車起重機將在今后一段時間內進一步侵占小噸位流動式起重機的部分市場。
2起重機的類型
2.1起重機的基本型式
起重機械的型式形形色色，五花八門。根據(jù)起重機械所配備的工作機構數(shù)目的多少或服務范圍的不同，起重機械可分為以下兩大類別：
1． 單動作的起重機械 這種起重機械只配備一個工作機構（起升機構），只能實現(xiàn)一個方向上的往復運動，因此其服務范圍是一條直線，如千斤頂、固定滑車、升降機、電梯等。
2． 復動作的起重機械 這種起重機械配備有兩個以上的工作機構，即除起升機構外還配備有其它輔助機構，可以實現(xiàn)二個方向以上的往復運動，因此其服務范圍是一個平面或一個立體空間。
2.2復動作的起重機械分類
（1）橋架型起重機
構造特征：金屬構架做成直線形式或門形橋架的形式，構造較簡單。
服務范圍：長方體空間。
機構數(shù)目：一般有起升、大車運行和小車運行三個工作機構。
吊載能力：較大（一般在支撐平面內吊載，穩(wěn)定性好）
典型機種：橋式起重機、門式起重機、纜索起重機等。
橋式起重機水 橋架型起重機中最主要的型式，在數(shù)量上占起重機總數(shù)的首位，使用范圍極為廣泛，一般用在車間內為生產工藝過程服務。
門式起重機是橋架型起重機中另一主要型式，與橋式起重機相比，它們的主要特征是在橋架的一端或兩端設有支腿，可直接支承在地基上或沿地面軌道運行，一般用在碼頭、堆場、造船臺等露天作業(yè)場地上，為貨物裝卸。堆垛。船體拼接等生產工藝過程服務。當門式起重機的小車運行速度大，運行距離長，生產率高，主要吊運散料時，常改稱為裝卸橋。
當橋架型起重機的跨度特別大時，為了減輕橋架和整機的自身質量，常常改用纜索來代替橋架，供起重小車支承和運行之用，這類起重機成為纜索起重機，常用在水電站大壩施工等現(xiàn)場上，為工件吊運?；炷翝仓壬a工藝過程服務。
2-1門式起重機
（2）臂架型起重機
構造特征：有固定的或可擺動的臂架，上部結構相對下部結構能夠回轉，構造較復雜。
服務范圍：圓形或腰圓形的柱體空間。
機構數(shù)目：一般有起升、回轉、變幅和運行四個工作機構、
吊載能力：較?。ㄖС衅矫嫱獾踺d，受限于起重機的整體穩(wěn)定性）
典型機種：門座起重機、塔式起重機、汽車起重機等。
2-2履帶式起重機
3.0 起升機構
3.1 概述
在起重機械中，用來使貨物提升或下降的機構成為起升機構。起升機構是起重機最基本的機構。
起升機構通常包括：取物裝置、鋼絲繩卷繞系統(tǒng)、制動裝置、減速裝置、驅動裝置以及安全裝置等部分，其中不少零件采用標準零件。
典型的起升機構構造是：電動機通過連軸器同傳動效率較高的漸開線圓柱齒輪減速器相連接，減速器的輸出軸上裝有卷筒，它通過鋼絲繩和滑輪組與吊鉤相聯(lián)。機構工作時，卷筒將鋼絲繩卷進或放出，從而通過滑輪組系統(tǒng)使懸掛在吊鉤上的物品起升或下降。機構停止工作時，懸起的物品依靠制動器剎住。吊鉤的起升和下降通過電動機轉換向開動來實現(xiàn)。
此外，起升機構還包括有操縱設備、支承臺架等。
通常，起升機構設計時給定的工作參數(shù)主要有：起重量Q、起升高度H、起升速度v和機構的工作級別（工作類型、JC%）等。
起重量超過10t時，常設有兩個起升機構：主起升機構與副起升機構。這兩個機構可以分別工作，也可協(xié)同工作。副鉤起重量一般取為主鉤起重量的20％～30％。
橋式和門式起重機的起重量常取為12.5/3、16/3, 20/5, 32/8, 50/12.5, 80/20, 100/32, 125/32等。
起升機構的最大起升速度可由起升高度H及最大加速度 αmax=1~1.2/s2來確定：vmax=(Hαmax)1/2 通常取v＝1～100m/min。
下降速度v降＝（1～1.5）v，對于大起升高度的起重機，下降速度還可以取得高些。
3.2 起升機構驅動裝置的典型布置方案
起升機構中大多數(shù)情況均采用閉式減速器傳動，并且以漸開線圓柱齒輪傳動為主。一些新穎的齒輪傳動如圓弧齒輪、擺線行星齒輪傳動、漸開線少齒差行星齒輪傳動和諧波傳動正被逐漸引用到起重機械上來。
起升機構的典型布置方案通常分為兩大類：平行線布置和同軸線布置。
一、平行軸線布置
電動機軸與卷筒軸平行布置的方式應用最廣泛。在高速軸上，電動機同減速器通過彈性柱銷連軸器或齒輪連軸器相聯(lián)接。帶制動輪的連軸器常用半齒連軸器，出于安全的原因，其制動輪必須裝在與傳動機構剛性連接的軸上。
制動器一般都裝在高速軸上，高速軸上，高速軸轉矩小，制動器的尺寸可以小一些。目前也有將盤式制動器裝在電動機尾部殼體內的，制成一個組合部件（帶制動器的電動機），從而使機構外形緊湊、美觀，組裝方便。根據(jù)起重機械安全規(guī)程的要求，起升機構的制動器應是長臂式的。
在機構傳動系統(tǒng)中，連軸器是其中一個重要的部件。要求它體積小，轉動慣量小、并且最好有彈性，有調位補償性能。它對機構的尺寸。傳動性能和維修裝拆工藝性能都有一定的影響。
二、同軸線布置
在同軸線布置的起升機構中，電動機、減速器和卷筒成直線排列，電動機和卷筒分別布置在同軸線減速器的兩端，或者把減速器布置在卷筒內部。為使機構緊湊和提高組裝性能，可采用附裝有制動器的凸緣型電動機。同軸線布置的起升機構橫向尺寸較緊湊，但加工精度和安裝 要求較高，維修稍為不便。
三、調速裝置的變速方案
常用的變速方法分電氣調速和機械調速兩大類。電氣調速是目前應用最廣泛的調速方式，它又分為交流調速和直流調速兩種。交流調速主要有變頻、變極和變轉差率三種方式。其中有低頻電源調速，直流能耗制動低速下降，變極鼠籠型電機調速，可控硅串級調速，滑差調速電動機調速，改變轉子外串電阻，定子調壓，推桿制動器調速和渦流制動器調速等。直流調速主要分固定電壓通電和可控硅電壓供電調調速兩種。其中有改變外串電阻和接法的直流串激電動機，直流發(fā)電機－電動機系統(tǒng)，可控硅供電－直流電動機系統(tǒng)等。
3.3 卷繞裝置
在起重機械的起升機構中，卷繞裝置具有重要的作用。卷繞裝置由繞性元件、導向和儲存元件組成。卷筒與物品之間通過繞性件構成聯(lián)系，繞性件依次通過各卷繞元件，形成卷繞系統(tǒng)。它把回轉運動轉換成直線運動，并且還改變方向和速度。所以卷繞系統(tǒng)實際上是傳動系統(tǒng)的一個組成部分，它參與著運動型式的轉換和能量的傳遞。
一、鋼絲繩
繞性件常被用作卷繞傳動的牽引構件，它們應具有良好的彎繞特性，易于卷繞和儲存。升起機構主要采用鋼絲繩和鏈條作為提升、牽引物品的繞性件。
在起重機械中，鋼絲繩是應用最廣的牽引構件。鋼絲繩的使用性能是：具有良好的各方向相同的繞性，使用可靠，無突然斷裂的現(xiàn)象，運度速度不受限制，平穩(wěn)無噪音，耐沖擊。
鋼絲繩使用鋼絲編制而成的，先由鋼絲編成繩股，而后再用繩股編繞成繩索。
編鋼絲繩的鋼絲在制造時，經過冷拉、熱處理和化學處理等工藝過程后，鋼絲強度極限可提高至σb=1800~2200N/mm2.
在起重機械中，雙繞繩應用最廣。它由兩次旋繞制成，即由鋼絲圍著股芯繞成繩股，然后繩股圍著繩芯再一次旋繞支承鋼絲繩。
繩芯有纖維織物芯、石棉芯和金屬芯等。纖維織物芯使鋼絲繩具有較好的繞性，繩芯可以在較長的時間內存儲油，受載荷時擠出油脂潤滑鋼絲。一般都采用麻芯。當卷筒作多層卷繞時，宜用金屬繩芯的鋼繩，因為它具有較好的承受橫向擠壓的承載能力。石棉芯一般用在高溫場合。
二、滑輪與滑輪組
滑輪供鋼絲繩導向和平衡鋼絲繩各分支拉力用。滑輪尺寸不大時可做成實體的或鍛造的輪子。鑄造滑輪有鑄鐵和鑄鋼兩種。鑄鐵滑輪加工工藝性好，價格便宜，對鋼絲繩壽命有利，但強度低易脆斷，多用在輕級和中級工作類型的起重機上。鑄鋼滑輪強度和沖擊韌性都較高，但工藝性稍差，表面堅硬容易使鋼絲繩磨損。用在載重和不經常換修的地方，重級和特級工作類型的起重機上經常使用鑄鋼滑輪。當尺寸較大的采用輪緣。帶肋板的輪輻和輪轂焊接而成的焊接滑輪，這種滑輪重量較輕。鑄造滑輪適用用與成批生產；焊接滑輪適用于單件生產。今年來還出現(xiàn)無切削加工壓制成型的滑輪，生產效率極高。
鋼絲繩卷繞系統(tǒng)中，由繞有鋼絲繩的定滑輪與動滑輪組成的系統(tǒng)稱為滑輪組。在起升機構中，滑輪組主要用來減輕鋼絲繩拉力或者減速，少速場合用于增速。
3.4 取物裝置
起重機的取物裝置使起升機構的重要部件之一。它對安全生產和提高生產效率具有重要意義。由于起升極裝卸物品的對象種類繁多，有成件的、散粒的和液態(tài)的等等，他們的物理性能和幾何形狀各具特點。為了適應各類物品的裝卸工作，常用的取物裝置有吊鉤、吊環(huán)、扎具、夾鉗、電磁盤、真空吸盤、料斗、盛桶和承重梁等，此外還有集裝箱專用吊具和其它專用工具。
3.5起升機構的計算
起升機構的計算使在給定肋設計參數(shù)，并將布置方案確定后進行的，通過計算選用機構中所需要的標準部件，對非標準零部件還需作進一步的強度和剛度等計算。
起升機構的載荷特點：
（1） 物品起升或下降時，在驅動機構上由鋼絲繩拉力產生的扭矩方向不變，即轉矩是單向作用的。
（2） 物品懸掛系統(tǒng)由撓性鋼絲繩組成，物品慣性引起的附加轉矩對機構影響不大，一般不超過靜轉矩的10％，使用抓斗時則需要另行考慮。
（3） 機構起動或制動時間同穩(wěn)定運動相比時短暫的。因此，可將穩(wěn)定運動時的起升載荷作為機構的計算載荷。
起升機構計算步驟如下：
1． 鋼絲繩計算
2． 卷筒基本尺寸及轉速
3． 電機選擇
4． 減速器選擇
5． 制動器選擇
6． 連軸器
7． 起動、制動時間的驗算
8． 電動機驗算
9． 起升機構主要零部件計算載荷的確定
本次設計任務介紹：
設計重機為250/50/10t+250/50/10t-20.0M水電站橋式起重機，安裝于豐滿水電站擴建工程廠房內，用于水輪發(fā)電機組及其附屬設備的安裝和檢修工作。針對客戶需求開發(fā)設計相應的起重機的大車運行機構，要求運用現(xiàn)代設計方法從方案論證到具體設計計算，以及最后的生產加工，充分發(fā)揮計算機在整體設計中的作用，并提高設計質量、縮短設計周期，提高工作效率。
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