水電站龍門起重機起升機構(gòu)設(shè)計
水電站龍門起重機起升機構(gòu)設(shè)計,水電站,龍門,起重機,機構(gòu),設(shè)計
畢業(yè)設(shè)計（論文）中期報告
題目：水電站龍門起重機起升機構(gòu)的設(shè)計
1． 設(shè)計（論文）進展狀況
1.1 通過查閱書籍資料，進行相關(guān)參數(shù)的選擇和計算。
通過查閱相關(guān)資料了解水電站龍門起重機的基本參數(shù)，包括起重量、跨度、起升高度、吊具質(zhì)量、額定起升速度起升機構(gòu)工作級別。
本起重機主要針對水電站現(xiàn)場閘門的啟閉，起重量達80～500噸，本設(shè)計針對起重量是450t的門式起重。對壩頂龍門起重機跨度約在8～16米范圍內(nèi)，高度約在20米左右。
1）起重量：450t；
2）跨度：16m；
3）起升高度：20m；
4）額定起升速度： v=0.5m/min；
5）起升機構(gòu)工作級別：M6。
2． 起升機構(gòu)設(shè)計計算
2.1 1）選取吊具。由起重量450t，根據(jù)吊鉤允許起重量表（）查的吊鉤質(zhì)量9637，假設(shè)鋼絲繩的重量為7000。
2）每套起升卷筒的滑輪組倍率。。
2.2 鋼絲繩的選擇
1）滑輪組效率：
（查表確定） （2.1）
下降時的滑輪組效率：
（2.2）
小車行走時滑輪組的效率：
2) 鋼絲繩最大拉力
當起升機構(gòu)工作時鋼絲繩最大拉力為：
（2.3）
式中：Q—起升載荷，Q=；
—起升質(zhì)量，即起重量（kg）；
—機構(gòu)的總效率；
—卷筒及導向滑輪效率；
—滑輪組的倍率，為滑輪組分支數(shù)；
—滑輪組鋼絲繩卷入卷筒的根數(shù)；
—滑輪組的效率；
在式中，取重力加速度為。
當靜止時最大拉力為：
當下降時最大拉力為：
當小車運行時最大拉力為：
因工作級別為，根據(jù)經(jīng)驗選取C值為0.095。
計算鋼絲繩最小直徑：由鋼絲繩最小直徑公式，得
（2.4）
式中：C—鋼絲繩的選擇系數(shù)；
S—鋼絲繩最大靜拉力（N）；
由表可選取鋼絲繩：，最小直徑為36mm，破斷拉力為904000N，參考質(zhì)量為542kg/100m[5]。所選用鋼絲繩的計算安全系數(shù)，滿足鋼絲繩的要求。
2.3 卷筒設(shè)計
1）卷筒直徑：
當選取國產(chǎn)直徑為的鋼絲繩時，根據(jù)公式：
（2.5）
式中: —按鋼絲繩中心計算的卷筒的允許的最小卷繞直徑,684mm；
—鋼絲繩直徑，；
—與機構(gòu)工作級別和鋼絲繩結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)，因工作級別為，所以。
那么名義直徑，圓整為800mm。
槽深為
繩槽半徑為
2）卷筒長度：
層數(shù)多卷筒長度可以短，但起升速度變化較大。經(jīng)初步計算，認為采用單層較為有利。每一卷筒的繞繩量，節(jié)距，在單層情況下，卷筒的長度L可用下式計算：
，圓整為1100mm。 （2.6）
3）卷筒壁厚：
因采用了單層，所以。根據(jù)公式可得：
（2.7）
所以取壁厚為40mm。
4）鋼絲繩的速度
平均速度：
5）卷筒的靜轉(zhuǎn)矩：
6）卷筒輪輻的強度計算：
由以上可得，卷筒輪輻滿足要求。
7）卷筒軸的設(shè)計計算：
軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計：
圖2 軸承設(shè)計圖
2.4 電動機選擇
1）起升機構(gòu)電動機的穩(wěn)態(tài)功率，即靜功率按以下公式計算：
（2.8）
式中：；
—滑輪組效率，取0.9146
—卷筒組效率，取0.98
—減速器效率，取0.94
—開式齒輪效率，取0.93
電動機預(yù)計轉(zhuǎn)速為：
（2.9）
2)電動機選型：
起升機構(gòu)可選擇4臺YZP200L—8型電動機。電動機的額定功率為15kW，輸出扭矩為，轉(zhuǎn)速為， 。
2.5 開式齒輪傳動的設(shè)計計算：
因齒輪為開式齒輪，所以可根據(jù)彎矩強度的計算齒輪的模數(shù)，根據(jù)電動機轉(zhuǎn)速和起升速度算得總傳動比為i=44.21，而減速器的傳動比為100所以開式齒輪的傳動比為4.421。取小齒輪的齒數(shù)為，大齒輪用ZG340制作[8]。由
（2.10）
選取模數(shù)為的圓柱齒輪。
設(shè)計開式齒輪傳動參數(shù)為：，小齒用，調(diào)質(zhì)，齒面硬度為260；大齒輪用ZG340，正火，齒面硬度為200。
2.6 減速器選擇
因起升速度很小，從理論上說起升載荷系數(shù)接近于1。查表得。于是疲勞計算得載荷為[9]：
選用4臺，輸出軸的連接形式為平鍵，工作級別為，當輸入軸的轉(zhuǎn)速為735時，高速軸的許用功率為15.5kW，額定輸出扭矩為21200，輸出扭矩的安全系數(shù)為：
許用功率為，輸出功率安全系數(shù)為：
2.7 高速軸連軸器選擇
電動機輸出軸的最高扭矩為：
（2.11）
式中：—機構(gòu)電動機額定轉(zhuǎn)矩換算到聯(lián)軸器所在軸的轉(zhuǎn)矩；
—與發(fā)動機有關(guān)的動載荷系數(shù)，對起重機構(gòu)，取為：；
—起動頻繁程度系數(shù)，由表5可得；
選用帶制動輪梅花形彈性聯(lián)軸器，型號為：，公稱轉(zhuǎn)矩630，轉(zhuǎn)動慣量為0.15，質(zhì)量為24.93[10]。
表5 系數(shù)
Table 5 Coefficient
機構(gòu)每小時起動次數(shù)
1.0
1.3
1.5
2.8 低速軸聯(lián)軸器選擇
低速軸上的扭矩為：
（2.12）
選用雙齒輪聯(lián)軸器，型號為：，公稱轉(zhuǎn)矩56000，轉(zhuǎn)動慣量為5.08，質(zhì)量為305。
2.9 制動器
（1）制動器的選擇
每套驅(qū)動裝置設(shè)計兩個制動器，每個制動器的制動扭矩為：
（2.13）
式中：—齒輪傳動的減速比，包括了減速比100和開式齒輪的4.421；
—機構(gòu)總效率；
—制動安全系數(shù)，由表6可查。
選用型的制動器，制動轉(zhuǎn)矩，安裝時調(diào)整。兩臺制動器一臺延遲動作，避免產(chǎn)生過大沖擊。
3． 進行了起升機構(gòu)總裝配圖的繪制
4． 完成外文資料翻譯
5． 存在問題及解決措施
存在問題：①對一些參數(shù)的選取及相關(guān)計算還存在一些問題；
②液壓失效保護制動器、機構(gòu)起動時間計算和零件疲勞計算
方面還沒有做完；
③ 對各個部分的校核還沒有計算；
④卷筒裝配圖以及零件圖還沒有繪制。
解決措施：所有存在的問題都需要尋找相關(guān)文獻和資料進行相關(guān)的選取與計算，來進行解決。
6． 后期工作安排
6.1 完成卷筒裝配圖，并完成所有零件圖的繪制工作。
6.2 完成零件全部的設(shè)計計算并進行相關(guān)校核計算，撰寫畢業(yè)論文。
指導教師簽字：
年 月 日
注：1. 正文：宋體小四號字，行距20磅；標題：加粗 宋體四號字
2. 中期報告由各系集中歸檔保存，不裝訂入冊。
畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告
題目：水電站龍門起重機起升機構(gòu)設(shè)計
開題報告填寫要求
1．開題報告作為畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會對學生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應(yīng)在指導教師指導下，由學生在畢業(yè)設(shè)計（論文）工作前期內(nèi)完成。
2．開題報告內(nèi)容必須按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計的電子文檔標準格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）填寫并打印（禁止打印在其它紙上后剪貼），完成后應(yīng)及時交給指導教師審閱。
3．開題報告字數(shù)應(yīng)在1500字以上，參考文獻應(yīng)不少于15篇（不包括辭典、手冊，其中外文文獻至少3篇），文中引用參考文獻處應(yīng)標出文獻序號，“參考文獻”應(yīng)按附件中《參考文獻“注釋格式”》的要求書寫。
4． 年、月、日的日期一律用阿拉伯數(shù)字書寫，例：“2008年11月26日”。
撰寫內(nèi)容要求：
1. 畢業(yè)設(shè)計（論文）綜述（題目背景、研究意義及國內(nèi)外相關(guān)研究情況）
1.1 題目背景
門式起重機是一種重要的物料搬運設(shè)備，廣泛用于廠礦、車站、港口、電站等生產(chǎn)領(lǐng)域中[1]。常用以實現(xiàn)工件翻轉(zhuǎn)、吊運等要求。隨著我國水電行業(yè)的發(fā)展，對這種設(shè)備的需求越來遠多，要求也越來越高。本課題主要針對水電站現(xiàn)場閘門的啟閉，起重量達80～500噸,跨度較小,為8～16米；起升速度較低,為1～5米/分。這種起重機雖然不是經(jīng)常吊運，但一旦使用，工作卻十分繁重，因此要適當提高工作級別。合理設(shè)計龍門起重機起升機構(gòu)，完成升降功能，從而實現(xiàn)閘門的啟閉。龍門起重機起重范圍可以從幾噸到幾十噸甚至幾百噸，在機械制造、冶金、鋼鐵、碼頭集裝箱裝運等行業(yè)都必須有龍門起重機。而起升機構(gòu)更是起重機的咽喉設(shè)備。
1.2 研究意義
起重機的出現(xiàn)大大改善了人們的生產(chǎn)和生活，它能夠提高工作的自動化程度，提高工作效率，有效降低人們的工作強度，完成一些復雜重復性工作。它對于發(fā)展國民經(jīng)濟，改善人們的事物起著重要的作用。以前需要許多人花長時間才能搬動的大型物件現(xiàn)在用起重機就能輕易達到效果，尤其是在小范圍的搬動過程中起重機的作用是相當明顯的。例如在鐵路貨場裝卸火車、汽車，在船廠吊裝船舶，在水電站大壩起吊閘門，在港口碼頭裝卸集裝箱，在工廠內(nèi)部起吊和搬運笨重的成件物品，在建筑安裝工地進行施工作業(yè)，在儲木場堆積木材等。起重機械的主要任務(wù)是起重，而直接承擔起重任務(wù)的是起升機構(gòu)，其他機構(gòu)都是為了擴大起重機的使用范圍。最簡單的起重機實際上也就僅有一個起升機構(gòu)?，F(xiàn)代的絕大多數(shù)起重機，不論他們的型式和用途如何，都是根據(jù)同一個工作原理構(gòu)成的。龍門起重機通常由起升機構(gòu)(使物品上下運動)、運行機構(gòu)(使起重機械移動)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)(使物品作水平移動)，再加上金屬機構(gòu)，動力裝置，操縱控制及必要的輔助裝置組合而成。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，起重量和起升速度不斷提高，因而機構(gòu)演變?nèi)遮呁晟啤?
1.3 國內(nèi)外相關(guān)研究情況
龍門式起重機的市場份額越來越大，使用非常廣泛，這是產(chǎn)品本身、龍門式起重機廠家以及國家政策等多種因素共同作用下的結(jié)果，隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，國家“一攬子計劃”的推動，跟促進了相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。起重機的市場需求一年年的上漲，需求量超出了很多起重機生產(chǎn)廠家的預(yù)期。
雖然起重機市場需求增大，但我們應(yīng)該清楚地認識到，世界上工業(yè)發(fā)達國家的技術(shù)比我們領(lǐng)先很多。在機械設(shè)計方面與他們還有很大的差距，國家的起重機設(shè)計制造行業(yè)起點低、設(shè)備差，相對發(fā)達國家落后幾十年。所以我們應(yīng)該借鑒消化國外技術(shù)，完善自己，加快我國起重機械工業(yè)的發(fā)展。穩(wěn)定性好；抗風性能好；機器成本與單位起重量比低；維護檢修成本低；占用地面空間小等優(yōu)點。
2. 本課題研究的主要內(nèi)容和擬采用的研究方案、研究方法或措施
在起重機中，用以提升或下降貨物的機構(gòu)稱為起升機構(gòu)，一般采用卷揚式。起升機構(gòu)是起重機機中最重要、最基本的機構(gòu)，其工作的好壞直接影響到整臺起重機的工作性能。起升機構(gòu)一般由驅(qū)動裝置、鋼絲繩卷繞系統(tǒng)、聯(lián)軸器、制動器、減速器、卷筒等部件。鋼絲繩卷繞系統(tǒng)包括鋼絲繩、卷筒、定滑輪和動滑輪。取物裝置有吊鉤、吊環(huán)、抓斗、電磁吸盤、吊具等多種形式。安全保護裝置有超負荷限制器、起升高度限制器、下降深度限制器、超速保護開關(guān)等，根據(jù)實際情況配用。起升機構(gòu)有內(nèi)燃機驅(qū)動、電動機驅(qū)動和液壓驅(qū)動三種驅(qū)動方式。
電動機驅(qū)動是起升機構(gòu)主要的驅(qū)動方式。直流電動機的機械特性適合起升機構(gòu)工作要求，調(diào)速性能好，但獲得直流電源較為困難。在大型的工程機械上，常常使用內(nèi)燃機和直流發(fā)電機實現(xiàn)直流傳動。交流電動機驅(qū)動能直接從電網(wǎng)取得電能，操作簡單，維護容易，機組重量輕，工作可靠，在電動機起升結(jié)構(gòu)中被廣泛采用。本起升結(jié)構(gòu)采用的啟動方式也為電動機驅(qū)動。
參數(shù)設(shè)計：
1）起重量：450t；
2）跨度：38m；
3）起升高度：20m。
比例：10:1
圖2.1 門式起重機簡圖
下圖為原動機驅(qū)動的起升機構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡圖。電動機1通過聯(lián)軸器2與減速器4的高速軸相連。機構(gòu)工作時，減速器的低速軸帶動卷筒7，將鋼絲繩5卷上或放出，經(jīng)過滑輪組系統(tǒng)，使吊鉤6實現(xiàn)上升或下降。機構(gòu)停止工作時，制動器3使吊鉤連同貨物懸吊在空中。吊鉤的升降靠電動機改變轉(zhuǎn)向來實現(xiàn)。
1-電動機 2-聯(lián)軸器 3-制動器
4-減速器 5- 鋼絲繩 6- 吊鉤組 7-卷筒
圖2.2 起升機構(gòu)的簡圖
3. 本課題研究的重點及難點，前期已開展工作
本課題研究的重點在于對驅(qū)動裝置、鋼絲繩卷繞系統(tǒng)、聯(lián)軸器、制動器、減速器、卷筒等部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計；重點是結(jié)合實際情況對起升機構(gòu)主要參數(shù)的研究與確定。前期搜集閱讀了很多關(guān)于起重機機的文獻與文章，對國內(nèi)外振動給料機的現(xiàn)狀與發(fā)展有了一定的了解。
4. 完成本課題的工作方案及進度計劃（按周次填寫）
第1-2周：選題、收集與課題相關(guān)資料、文獻，所需軟件的了解與準備；
第3-4周：通過文獻閱讀，了解龍門起重機研究現(xiàn)狀，初步形成本課題設(shè)計思路與方案，畫出龍門起重機的大框架，并完成開題報告；
第5-6周：龍門起重機起升機構(gòu)設(shè)計思路的明確、設(shè)計方案與框架確定；
第7-10周：完成龍門起重機起升機構(gòu)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計與傳動裝置設(shè)計，完成中期報告；
第9-11周：主要零件圖的繪制，包括總裝圖、卷筒，減速器等；
第12-13周：完成論文撰寫與裝訂和圖紙的打印；
第14周：送論文評閱，準備答辯；
第15周：論文答辯。
指導教師意見（對課題的深度、廣度及工作量的意見）
指導教師： 年 月 日
所在系審查意見：
系主管領(lǐng)導： 年 月 日
注：1. 正文：宋體小四號字，行距20磅。
2. 開題報告由各系集中歸檔保存。
參考文獻
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本科畢業(yè)設(shè)計（論文）
題目：水電站龍門起重機起升結(jié)構(gòu)設(shè)計
水電站龍門起重機起升機構(gòu)設(shè)計
摘 要
在激烈的起重機制造行業(yè)，為占領(lǐng)制高點，許多起重機制造廠商廣泛采用先進的生產(chǎn)工藝，模塊化設(shè)計等等，以期在滿足用戶需求要求的同時能夠最大程度的降低生產(chǎn)制造成本。文章旨在龍門起重機起升機構(gòu)設(shè)計。在繪制機械制圖時，運用計算機繪制了起升機構(gòu)總圖和卷筒總成圖。這樣對起重機設(shè)計有一個更好的了解。設(shè)計重點在于對鋼絲繩、卷筒、電動機、減速器、制動器、聯(lián)軸器的選型，同時對電動機發(fā)熱、起制時間等進行校核。起重機的分類方法有多種，常見的是按起重機體型特點來分類。如橋式起重機、門式起重機、門座起重機、塔式起重機、汽車起重機、鐵路起重機、桅桿起重機、纜索起重機等。門式起重機是橋式起重機的一種變形。在水電站要用于閘門的起吊。它的金屬結(jié)構(gòu)像門形框架，承載主梁下安裝兩條支腳，可以直接在地面的軌道上行走，主梁兩端可以具有外伸懸臂梁。門式起重機具有場地利用率高、作業(yè)范圍大、適應(yīng)面廣、通用性強等特點，在港口貨場得到廣泛使用。
關(guān)鍵詞：龍門起重機；起升機構(gòu)；電動機
The Design of Goliath Crane Hoisting Mechanicsm
Abstract
In the crane manufacturing industry,to occupy high ground,many manufacturers of gantry crane adopt advanced technology,modular design,so as to meet needs of customer and reduce manufacturing cost at the greatest extent. This article aims to the design of the gantry cranes systems and the overall stability,especially for the design and calculation of lifting mechanism. In drawing,we do not only complete the map of total machine by hand-draw,and also use computer to draw the total plan of the hoisting mechanism and reel assembly. Thus,we can get a better understanding of the gantry crane design.This article focuses on the design of steel wire rope,roller,motor,reducer,brake,coupling selection,at the same time,make the calibration of motor heating,starting and braking time,the overall stability.The classification of crane there are many methods,common in size characteristics to crane classification. Such as bridge cranes,door crane,tower cranes,cranes,railway crane,crane,the cable crane,mast.Door crane bridge crane is a kind of deformation. In the hydropower station,mainly used in gate of raising. Its metal door frame structure as shape,bearing under article install two main girder supporting feet,can be directly in the ground track walk,the main girder ends can have overhanging the cantilever beam. Door crane with high efficiency and the homework range,wide adaptability,strong commonality and other characteristics,widely used in the hydropower station.
Key words:Gantry crane;Hoisting mechanism;Motor
目 錄
1 緒論 1
1.1起重機的概念 1
1.2起重機的發(fā)展趨勢 4
1.3課題的研究目的和意義 9
1.4水電站門式起重機工作特點 10
1.5本文所要做的主要工作 10
2 設(shè)計要求 11
2.1設(shè)計標準 11
2.2設(shè)計原理 11
2.3參數(shù)設(shè)計 12
3 起升機構(gòu)設(shè)計計算 13
3.1概述 13
3.2鋼絲繩的選擇 13
3.2.1鋼絲繩最大拉力 14
3.2.2鋼絲繩最大拉力 14
3.3卷筒設(shè)計 15
3.4電動機選擇 18
3.4.1起升機構(gòu) 18
3.4.2電動機選型 18
3.4.3校核電動機 19
3.5開式齒輪傳動的設(shè)計計算 20
3.6減速器選擇 21
3.7高速軸連軸器選擇 21
3.8低速軸聯(lián)軸器選擇 21
3.9制動器 21
3.9.1制動器的選擇 22
3.9.2制動器的校核 22
3.10液壓失效保護制動器 23
3.11機構(gòu)起動時間計算 23
3.12零件疲勞計算 24
3.12.1載荷 24
3.12.2應(yīng)力 25
II
4 結(jié)論 27
參考文獻 28
致謝 29
畢業(yè)設(shè)計（論文）知識產(chǎn)權(quán)聲明 30
畢業(yè)設(shè)計（論文）獨創(chuàng)性聲明 31
附錄 32
III
1 緒論
1.1起重機的概念
起重機是在一定范圍內(nèi)垂直提升和水平搬運重物的多動作起重機械。又稱吊車。屬于物料搬運機械。起重機的工作特點是做間歇性運動，即在一個工作循環(huán)中取料、運移、卸載等動作的相應(yīng)機構(gòu)是交替工作的。
中國古代灌溉農(nóng)田用的是臂架型起重機的雛形。14世紀，西歐出現(xiàn)了人力和畜力驅(qū)動的轉(zhuǎn)動臂架型起重機。19世紀前期，出現(xiàn)了橋式起重機；起重機的重要磨損件如軸、齒輪和吊具等開始采用金屬材料制造，并開始采用水力驅(qū)動。19世紀后期，蒸汽驅(qū)動的起重機逐漸取代了水力驅(qū)動的起重機。20世紀20年代開始，由于電氣工業(yè)和內(nèi)燃機工業(yè)迅速發(fā)展，以電動機或內(nèi)燃機為動力裝置的各種起重機基本形成。
起重機主要包括起升機構(gòu)、運行機構(gòu)、變幅機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)和金屬結(jié)構(gòu)等。起升機構(gòu)是起重機的基本工作機構(gòu)，它們大多是由吊掛系統(tǒng)和絞車組成，也有通過液壓系統(tǒng)升降重物的。運行機構(gòu)用以縱向水平運移重物或調(diào)整起重機的工作位置，一般是由電動機、減速器、制動器和車輪組成。變幅機構(gòu)只配備在臂架型起重機上，臂架仰起時幅度減小，俯下時幅度增大，分平衡變幅和非平衡變幅兩種?；剞D(zhuǎn)機構(gòu)用以使臂架回轉(zhuǎn)，是由驅(qū)動裝置和回轉(zhuǎn)支承裝置組成。金屬結(jié)構(gòu)是起重機的骨架，主要承載件如橋架、臂架和門架可為箱形結(jié)構(gòu)或桁架結(jié)構(gòu)，也可為腹板結(jié)構(gòu)，有的可用型鋼作為支承梁。
起重機根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同可以分為：①橋架型起重機?？稍陂L方形場地及其上空作業(yè)，多用于車間、倉庫、露天堆場等處的物品裝卸，有梁式起重機、橋式起重機、龍門起重機、纜索起重機、運載橋等。②臂架型起重機。可在圓形場地及其上空作業(yè)，多用于露天裝卸及安裝等工作，有門座起重機、浮游起重機、桅桿起重機、壁行起重機和甲板起重機等。另外，起重機也可以根據(jù)驅(qū)動方式、工作類型、機動性和用途等進行分類。
龍門式起重機，俗稱龍門吊，龍門起重機。是門式起重機的象形說法，其實就是門式起重機。龍門式起重機一般用于項目安裝，例如大型設(shè)備，但要求場地寬闊。很多時候都是用于起重很重的貨物。其結(jié)構(gòu)如字眼所說，就像個龍門，將軌道平鋪于地面，老式的在兩頭有電機，拖動起重機在軌道上來回移動，很多的龍門式為了安裝更加的精準，也有采用變頻電機和伺服驅(qū)動。
龍門式起重機可按門框結(jié)構(gòu)形式，按主梁形式，按主梁結(jié)構(gòu)，按用途形式分類。
按門框結(jié)構(gòu)分為門式起重機和懸臂門式起重機。門式起重機可分為全門式起重機和半門式起重機。全門式起重機是主梁無懸伸，小車在主跨度內(nèi)進行。半門式起重機是支腿有高低差，可根據(jù)使用場地的土建要求而定；懸臂門式起重機可分為雙懸臂門式起重機和單懸臂門式起重機。雙懸臂門式起重機是最常見的一種結(jié)構(gòu)形式，其結(jié)構(gòu)的受力和場地面積的有效利用都是合理的。雙懸臂門式起重機是最常見的一種結(jié)構(gòu)形式，其結(jié)構(gòu)的受力和場地面積的有效利用都是合理的。
按主梁形式可分為單主梁和雙主梁?。單主梁門式起重機結(jié)構(gòu)簡單，制造安裝方便，自身質(zhì)量小，主梁多為偏軌箱形架結(jié)構(gòu)。與雙主梁門式起重機相比，整體剛度要弱一些。因此，當起重量Q≤50t、跨度S≤35m時，可采用這種形式。單主梁門式起重機門腿有L型和C型兩種形式。L型的制造安裝方便，受力情況好，自身質(zhì)量較小，但是，吊運貨物通過支腿處的空間相對小一些。C型的支腳做成傾斜或彎曲形，目的在于有較大的橫向空間，以使貨物順利通過支腳；雙主梁門式起重機承載能力強，跨度大、整體穩(wěn)定性好，品種多，但自身質(zhì)量與相同起重量的單主梁門式起重機相比要大些，造價也較高。
根據(jù)主梁結(jié)構(gòu)不同，又可分為和桁架梁、箱形梁和蜂窩梁三種形式。一般多采用箱形結(jié)構(gòu)。桁架梁使用角鋼或工字鋼焊接而成的結(jié)構(gòu)形式，優(yōu)點是造價低，自重輕，抗風性好。但是由于焊接點多和桁架自身的缺陷，桁架梁也具有撓度大，剛度小，可靠性相對較低，需要頻繁檢測焊點等缺點。適用于對安全要求較低，起重量較小的場地；箱梁使用鋼板焊接成箱式結(jié)構(gòu)，具有安全性高，剛度大等特點。一般用于大噸位及超大噸位的門式起重機。如MGhz1200，起重量1200噸，為國內(nèi)最大的門式起重機，主梁采用了箱梁結(jié)構(gòu)。箱梁同時也具有造價高，自重大，抗風性較差等缺點。?蜂窩梁?一般指“等腰三角形蜂窩梁”，主梁端面為三角形，兩側(cè)斜腹上有蜂窩孔，上下部有弦桿；蜂窩梁吸收了桁架梁和箱梁的特點，較桁架梁具有較大的剛度，較小的撓度，可靠性也較高。但是由于采用鋼板焊接，自重和造價也比桁架梁稍高。適用于使用頻繁或起重量大的場地或梁場。由于這種梁型為專利產(chǎn)品，因此生產(chǎn)廠家較少。
按用途形式可分為普通龍門起重機、水電站龍門起重機、造船龍門起重機和集裝箱龍門起重機。普通龍門起重機多采用箱型式和桁架式結(jié)構(gòu)，用途最廣泛?？梢园徇\各種成件物和散狀物料，起重量在100噸以下，跨度為4～39米。用抓斗的普通門式起重機工作級別較高。普通門式起重機主要是指吊鉤、抓斗、電磁、葫蘆門式起重機，同時也包括半門式起重機。同時也包括半門式起重機；水電站龍門起重機主要用來吊運和啟閉閘門，也可進行安裝作業(yè)。起重量達80～500噸，跨度較8～16米。起升速度較低，為1～5米/分。這種起重機雖然不是經(jīng)常吊運，但一旦使用作卻十分繁重，因此要適當提高工作級別；造船龍門起重機?用于船臺拼裝船體，常備有兩臺起重小車：一臺有兩個主鉤，在橋架上翼緣的軌道上運行；另一臺有一個主鉤和一個副鉤，在橋架下翼緣的軌道上運行，以便翻轉(zhuǎn)和吊裝大型的船體分段。起重量一般為100～1500噸；跨度達185米；起升速度為2～15米/分，還有0.1～0.5米/分的微動速度；集裝箱龍門起重機用于集裝箱碼頭。拖掛車將岸壁集裝箱運載橋從船上卸下的集裝箱 軌道龍門吊運到堆場或后方后，由集裝箱龍門起重機堆碼起來或直接裝車運走，可加快集裝箱運載橋或其他起重機的周轉(zhuǎn)。可堆放高3～4層、寬6排的集裝箱的堆場，一般用輪胎式，也有用有軌式的。集裝箱龍門起重機與集裝箱跨車相比，它的跨度和門架兩側(cè)的高度都較大。為適應(yīng)港口碼頭的運輸需要，這種起重機的工作級別較高。起升速度為8～10米/分；跨度根據(jù)需要跨越的集裝箱排數(shù)來決定，最大為60米左右相應(yīng)于20英尺、30英尺、40英尺長集裝箱的起重量分別約為20噸、25噸和30噸。
門式起重機的選用。它符合通用門式起重機GB/T14406-1993以及GB5905-86的有關(guān)規(guī)定。?一般情下，起重量在50t以下，跨度在35m以內(nèi)，無特殊使用要求，宜選用單主梁式。如果要求門腿寬度大，工作速度較高，或經(jīng)常吊運重件、長大件，則宜選雙梁門式起重機。?
跨度和懸臂長度。門式起重機的跨度是影響起重機自身質(zhì)量的重要因素。選擇中，在滿足設(shè)備使用條件和符合跨度系列標準的前提下，應(yīng)盡量減少跨度。?輪距的確定原則?，能滿足門架沿起重機軌道方向的穩(wěn)定性要求；貨物的外形尺寸要能順利通過支腿平面鋼架；?注意使輪距B與跨度S成一定比例關(guān)系，一般取輪距B=（1/4—1/6）S。
門式起重機間距尺寸確定。在工作中，門式起重機外部尺寸與堆場的貨物及運輸車輛通道之間應(yīng)留有一定的空間尺寸，以利于裝卸作業(yè)。一般運輸車輛在跨度內(nèi)裝卸時，應(yīng)保持與門腿有0.7m以上的間距。吊具在不工作時應(yīng)與運輸車輛有0.5m以上的間距，貨物過門腿時，應(yīng)有0.5m以上的間距。
操作規(guī)程。在工作前對制動器、吊鉤、鋼絲繩和安全裝置等部件按點檢卡的要求檢查，發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，應(yīng)先予排除。?操作者必須在確認走臺或軌道上無人時，才可以閉合主電源。當電源斷路器上加鎖或有告示牌時，應(yīng)由原有關(guān)人除掉后方可閉合主電源。在工作中每班第一次起吊重物時（或負荷達到最大重量時），應(yīng)在吊離地面高度0.5米后，重新將重物放下，檢查制動器性能，確認可靠后，再進行正常作業(yè)。?操作者在作業(yè)中，應(yīng)按規(guī)定對下列各項作業(yè)鳴鈴報警。①起升、降落重物；開動大、小車行駛；②起重機行駛在視線不清楚通過時，要連續(xù)鳴鈴報警；③起重機行駛接近跨內(nèi)另一起重機時；④吊運重物接近人員時。?操作運行中應(yīng)按統(tǒng)一規(guī)定的指揮信號進行。?工作中突然斷電時，應(yīng)將所有的控制器手柄置于“零”位，在重新工作前應(yīng)檢查起重機動作是否正常。?起重機大、小車在正常作業(yè)中，嚴禁開反車制動停車；變換大、小車運動方向時，必須將手柄置于“零”位，使機構(gòu)完全停止運轉(zhuǎn)后，方能反向開車。?有兩個吊鉤的起重機，在主、副鉤換用時和兩鉤高度相近時，主、副鉤必須單獨作業(yè)，以免兩鉤相撞。?兩個吊鉤的起重機不準兩鉤同時吊兩個物件。不工作的情況下調(diào)整起升機構(gòu)制動器。?不準利用極限位置限制器停車，嚴禁在有負載的情況下調(diào)整起升機構(gòu)制動器。?嚴格執(zhí)行“十不吊”的制度。①指揮信號不明或亂指揮不吊；②超過額定起重量時不吊；③吊具使用不合理或物件捆掛不牢不吊；④吊物上有人或有其它浮放物品不吊；⑤抱閘或其它制動安全裝置失靈不吊；⑥行車吊掛重物直接進行加工時不吊；⑦歪拉斜掛不吊；⑧具有爆炸性物件不吊；⑨埋在地下物件不拔吊；⑩帶棱角塊口物件、未墊好不吊。如發(fā)現(xiàn)異常，立即停機，檢查原因并及時排除。在工作后?，將吊鉤升高至一定高度，大車、小車?？吭谥付ㄎ恢茫刂破魇直糜凇傲恪蔽?；拉下保護箱開關(guān)手柄，切斷電源。?進行日常維護保養(yǎng)。?做好交接班工作。?
工作級別。龍門吊也就是門式起重機工作級別A。它反映了起重機在載荷狀態(tài)和利用繁忙程度兩個方面的工作特性。工作級別的劃分是由起重機的利用等級U和載荷狀態(tài)Q決定的。它們分為A1～A8八個級別。起重機工作級別，也就是金屬結(jié)構(gòu)的工作級別，按起升機構(gòu)確定，分為A1－A8級，若與我國規(guī)定的起重機工作類型對照，大體上相當于：A1－A4－輕；A5－A6－中；A7－重；A8－特重。?
備案資料。根據(jù)國家的相關(guān)規(guī)定，龍門吊備案需要以下相關(guān)手續(xù)：出廠合格證，制造企業(yè)資質(zhì)證，安裝人員操作證，開工告知，自檢報告。?維護保養(yǎng)。起重機各機構(gòu)的工作性能和壽命很大程度上取決于潤滑。潤滑時，機電產(chǎn)品的保養(yǎng)、潤滑參見自身說明書，走行大車、吊重桁車等應(yīng)每周注一次潤滑脂。卷揚機加注工業(yè)齒輪油，應(yīng)經(jīng)常檢查油面高度，及時補充。?鋼絲繩應(yīng)注意鋼絲繩斷絲情況。如有斷絲、斷股或磨耗量達到報廢標準時，應(yīng)及時更換新繩。吊具必須定期檢查。?滑輪組?主要檢查繩槽磨損情況，輪緣有無崩裂及滑輪在軸上有無卡住現(xiàn)象。?車輪?定期檢查輪緣和踏面，當輪緣部分的磨損或崩裂達到10%厚度時應(yīng)更換新輪。當踏面上兩主動輪直徑相差超過D/600，或踏面上出現(xiàn)嚴重的傷痕時應(yīng)重新車光。?制動器每班應(yīng)檢查一次。制動器應(yīng)動作準確，銷軸不許有卡住現(xiàn)象。閘瓦應(yīng)正確貼合制動輪，松閘時閘瓦間隙應(yīng)相等。
1.2起重機的發(fā)展趨勢
當前，全世界各行各業(yè)都在迅猛發(fā)展，我國正處于建設(shè)階段，對起重運輸機械的需求量也在不斷增加，生產(chǎn)規(guī)模越來越大、自動化程度也越來越高，這些迫使企業(yè)不得不更多地使甩大型化、效率高、自動化程度高的起重機械設(shè)備。德國的起重機行業(yè)很發(fā)達，技術(shù)也處于領(lǐng)先地位，是起重運輸機械出口大國，其起重運輸機械的總產(chǎn)值位居機械制造業(yè)各類產(chǎn)品的首位。另外，美國和日本也是生產(chǎn)起重運輸機械的大國，他們在技術(shù)上已達到世界先進水平。隨著高科技迅猛發(fā)展，起重機運輸行業(yè)的競爭也十分激烈，用戶對起重機的性能要求也越來越高，起重機正經(jīng)歷著一場巨大的變革。在國外，起重機向著模塊化設(shè)計、數(shù)據(jù)總線管理系統(tǒng)、控制元件的研發(fā)以及起重機簡單化的方向發(fā)展。而國內(nèi)也取得了長足的發(fā)展,例如新材料的應(yīng)用、新裝置的研制和新零部件的采用、產(chǎn)品設(shè)計的系列化、柔性部件的使用、傳動和控制系統(tǒng)設(shè)計的標準化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計手段的應(yīng)用等。
如今，起重機在技術(shù)上呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢：
(1) 向大型化、自動化的方向發(fā)展；
(2) 向智能化、集成化的方向發(fā)展；
(3) 向成套化、系統(tǒng)化的方向發(fā)展；
(4) 向模塊化、組合化的方向發(fā)展；
(5) 向小型化、輕型化的方向發(fā)展。
我國的起重機運輸機行業(yè)發(fā)展較晚，經(jīng)過四十多年的發(fā)展，特別是近十年的飛躍式發(fā)展，才達到相當規(guī)模，并具有一定水平，形成了完整的研究設(shè)計、生產(chǎn)制造體系。在機械工業(yè)中，起重運輸機械已慢慢的成為一個獨立行業(yè)，為我國重點大型工程提供了所需的大型成套設(shè)備。雖然如此，但是與世界先進水平相比，在性能、質(zhì)量、品種、數(shù)量等方面還存在相當大的差距。當今，在全球化市場的環(huán)境下，起重機行業(yè)競爭十分激烈，我國起重機制造業(yè)面臨著機遇與挑戰(zhàn)并存的新形勢。
門式起重機是一種重要的物料搬運設(shè)備，廣泛用于廠礦、車站、港口、電站等生產(chǎn)領(lǐng)域中[1]。常用以實現(xiàn)工件翻轉(zhuǎn)、吊運等要求。隨著我國水電行業(yè)的發(fā)展，對這種設(shè)備的需求越來遠多，要求也越來越高。本課題主要針對水電站現(xiàn)場閘門的啟閉，起重量達80～500噸，跨度較小，為8～16米；起升速度較低，為1～5米/分。這種起重機雖然不是經(jīng)常吊運，但一旦使用，工作卻十分繁重，因此要適當提高工作級別。合理設(shè)計龍門起重機起升機構(gòu)，完成升降功能，從而實現(xiàn)閘門的啟閉。龍門起重機起重范圍可以從幾噸到幾十噸甚至幾百噸，在機械制造、冶金、鋼鐵、碼頭集裝箱裝運等行業(yè)都必須有龍門起重機。而起升機構(gòu)更是起重機的咽喉設(shè)備。龍門式起重機的市場份額越來越大，使用非常廣泛，這是產(chǎn)品本身、龍門式起重機廠家以及國家政策等多種因素共同作用下的結(jié)果，隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，國家“一攬子計劃”的推動，促進了相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。起重機的市場需求一年年的上漲，需求量超出了很多起重機生產(chǎn)廠家的預(yù)期。
雖然起重機市場需求增大，但我們應(yīng)該清楚地認識到，世界上工業(yè)發(fā)達國家的技術(shù)比我們領(lǐng)先很多。在機械設(shè)計方面與他們還有很大的差距，國家的起重機設(shè)計制造行業(yè)起點低、設(shè)備差，相對發(fā)達國家落后幾十年。所以我們應(yīng)該借鑒消化國外技術(shù)，完善自己，加快我國起重機械工業(yè)的發(fā)展。穩(wěn)定性好；抗風性能好；機器成本與單位起重量比低；維護檢修成本低；占用地面空間小等優(yōu)點。
隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大，自動化程度的提高，作為重要設(shè)備的起重機在現(xiàn)代化生產(chǎn)過程中應(yīng)用越來越廣，作用愈來愈大，對起重機的要求也越來越高，科學技術(shù)的飛速發(fā)展，推動了現(xiàn)代設(shè)計和制造能力的提高，激烈的國際市場競爭也越來越依賴于技術(shù)的競爭。這些都促使起重機的技術(shù)性能進入嶄新的發(fā)展階段，起重機正經(jīng)歷著一場巨大的變革?，F(xiàn)根據(jù)起重機的新理論、新技術(shù)和新動向，結(jié)合實例，簡要論述國內(nèi)外先進起重機的特點和發(fā)展趨勢。
1） 產(chǎn)品設(shè)計的模塊化、個性化和機電一體化
用模塊化設(shè)計代替?zhèn)鹘y(tǒng)的整機設(shè)計方法，將起重機上功能基本相同的構(gòu)件、部件和零件制成有多種用途，有相同聯(lián)接要素和可互換的標準模塊，通過不同模塊的相互組合，形成不同類型和規(guī)格的起重機。在滿足不同客戶個性化需求而需要對起重機進行改進時，只需針對某幾個模塊。設(shè)計新型起重機，只需選用不同模塊重新進行組合?？墒箚渭∨可a(chǎn)的起重機改換成具有相當批量的模塊生產(chǎn)，實現(xiàn)高效率的專業(yè)化生產(chǎn)，企業(yè)的生產(chǎn)組織也可由產(chǎn)品管理變?yōu)槟K管理。達到改善整機性能，降低制造成本，提高通用化程度，用較少規(guī)格數(shù)的零部件組成多品種、多規(guī)格的系列產(chǎn)品，充分滿足用戶需求。隨著科技發(fā)展，具有自分析、自調(diào)整、自糾錯的智能化操作的全自動、半自動操作形式的高度機電一體化的設(shè)計理念已經(jīng)應(yīng)用到起重機設(shè)計當中。使得起重機更安全更易于操作和維修。
2） 產(chǎn)品制造新材料和新工藝
由于鋼鐵工業(yè)新技術(shù)的應(yīng)用，鋼材質(zhì)量得以提高。DOMEX系列高強度及超高強度剛才，在設(shè)計起重機主梁強度時，可使用較高的許用應(yīng)力，而不需要很高的安全系數(shù)，以減少起重機材料用量，從而降低設(shè)備的重量和價格。車輪采用空氣硬化鎳鉻鉬合金鋼制造，可使其使用壽命延長5年以上。在機加工方面，盡量采用少切削的精密鑄件，尤其是鋁合金鑄件占多，加工設(shè)備大量采用高精、高效的數(shù)控自動機床等，既保證了加工質(zhì)量，又提高了生產(chǎn)率，降低了成本。
3） 產(chǎn)品性能的自動化、智能化和數(shù)字化
經(jīng)過長時間的發(fā)展，起重機在引入先進技術(shù)和設(shè)計理念之后，其產(chǎn)品性能已得到了很大的提高。例如傳感器技術(shù)的應(yīng)用使得起重機能夠準確的稱量起吊重量和進行定位。限于起重機自身的外形特點特別是大型起重機的外形特點，其起吊的貨物有時候需要花費很長的時間來進行對位，由于位置擺放不對引起事故的情況也屢見不鮮。為此，很多起重機采用了防搖擺、準確對位技術(shù)并利用計算機系統(tǒng)進行精確計算，再加上專家方案，能夠很好的解決此類問題?，F(xiàn)在的人工費已經(jīng)在節(jié)節(jié)攀升，自動化高效化的機械設(shè)備越來越受到企業(yè)的喜愛，起重機也不例外。在采用傳感器技術(shù)、計算機系統(tǒng)和新材料之后，其產(chǎn)品性能正向著自動化、智能化和數(shù)字化方向發(fā)展[2]。
4） 起重機設(shè)計專業(yè)化協(xié)作
為了能迅速制造和裝配出品種多樣化的產(chǎn)品，同時降低起重機的制造成本，這就要求企業(yè)之間密切聯(lián)系和協(xié)調(diào)，企業(yè)走向?qū)I(yè)化、標準化和系列化。因為使用標準件設(shè)備能迅速組合和安裝，減少標準件外組合部分的加工制造就顯得特別重要。組合構(gòu)件的使用比起生產(chǎn)非標準件起重機來，有助于減少成本。與此同時采用標準件也可以在很大程度上減少設(shè)計的工作量。
5） 起重機的缺陷
目前，我國起重機械整體水平雖有了一些進步，但無論性能還是內(nèi)在質(zhì)量與國外產(chǎn)品相比尚有較大差距，主要表現(xiàn)在：起升機構(gòu)仍沿襲小而短的傳統(tǒng)卷筒、反彈亂繩現(xiàn)象嚴重、鋼絲繩易于疲勞、報廢率高等。現(xiàn)行起升機構(gòu)的上述缺陷，嚴重影響了主機的工作性能、可靠性和安全性。面對人世的嚴峻挑戰(zhàn)，加快研究開發(fā)高性能的新型起升機構(gòu)，迅速提高起重機械整體水平具有十分重要的意義。為了滿足堆場生產(chǎn)發(fā)展的需要，我們設(shè)計龍門起重機要使用操作方便，制造價格較低。
在鐵路、建筑工地、大型廠房、港口等諸多地方，起重機械是用來搬運物件、減輕工人高強度勞動、使生產(chǎn)更為安全的重要關(guān)鍵設(shè)備。在國家各項建設(shè)中，起重機作為 一種重要而關(guān)鍵的設(shè)備或輔助機械，應(yīng)用十分廣泛，為國家的經(jīng)濟發(fā)展發(fā)揮出重要作用。由于現(xiàn)在各項建設(shè)對起重機要求很高，特別是物流行業(yè)，既要求安全高效、又要高速度，所以，起重械也向著大型化、大起重量、高運轉(zhuǎn)速度的方向發(fā)展，機械振動的動載荷也隨之增大。有害的振動會降低產(chǎn)品質(zhì)量和工作性能，過大的動載荷使操作人員感到不適，重則會造成機械結(jié)構(gòu)的破壞，影響機械安全工作。所以，在大型高速起重機中對減振提出了特別的要求。我國正處在高速發(fā)展時期，各項大型基礎(chǔ)設(shè)施正在火熱建設(shè)中。地震災(zāi)后重建，鐵路、公路和機場等工程,還有港口物流的有效運轉(zhuǎn)，對起重機、工程機械的質(zhì)量要求更高了，衡量起重機的重要指標是可靠性和高性價比。起重機金屬結(jié)構(gòu)自重占比重相當大，所以對起重機金屬結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，減輕結(jié)構(gòu)自重并提高整機動態(tài)性能、提高作業(yè)效率，具有重要的現(xiàn)實意義。
由于起重機向著大噸位和高速度的方向發(fā)展，動態(tài)特性對起重機的影響愈來愈大，所以除了靜態(tài)分析之外，對其動態(tài)分析及優(yōu)化顯得尤為重要。而目前對大型門式 起重機結(jié)構(gòu)動力學的研究還很欠缺，結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)分析應(yīng)用相對較少，至今還沒有形成一套完善使用方法。在起重機結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面還需要繼續(xù)研究，結(jié)構(gòu)的設(shè)計還是靠設(shè)計者的經(jīng)驗來達到優(yōu)化目的，有一些結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化設(shè)計,也局限于單一部分結(jié)構(gòu)，對于大型的復雜結(jié)構(gòu)設(shè)計還無能為力。起重機械在國民經(jīng)濟各部門廣泛應(yīng)用，隨著改革開放進程的加快，起重機使用越來越繁重，鋼結(jié)構(gòu)破壞逐年增加，在起重機鋼結(jié)構(gòu)破壞中，有60%-90%是在重復應(yīng)力作用下發(fā)生疲勞破壞所致，據(jù)初步調(diào)查，全國年均起重機鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞事故多達數(shù)百起，損失億元人民幣，嚴重影響了國民經(jīng)濟的建設(shè)和發(fā)展金屬在焊接熱循環(huán)作用卜發(fā)生相變，組織的轉(zhuǎn)變引起體積的變化，也會引起與相鄰組織的變形差異這些變形差異的存在，同時產(chǎn)生了新的內(nèi)應(yīng)力。因這些變形和應(yīng)力是焊接引起的溫度均勻分布后殘存在構(gòu)件中的，故稱為焊接殘余應(yīng)力。此外，焊接連接部位因截面改變原狀，總會產(chǎn)生不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，從制造特點分析，起重機鋼結(jié)構(gòu)中殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中兩個因素同時存在。因此疲勞裂紋往往發(fā)生于焊縫熔合線的表面缺陷處或焊縫內(nèi)部缺陷處，然后沿垂直于外力作用方向擴展，直到最后斷裂材料在循環(huán)應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)變作用下。由于某點或某些點產(chǎn)生了局部的永久結(jié)構(gòu)變化，從而在一定的循環(huán)次數(shù)以后形成裂紋或發(fā)生斷裂的過程稱為疲勞。
疲勞破壞有以下特點：疲勞破壞是在循環(huán)應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)變作用下的破壞；疲勞破壞必須經(jīng)歷一定的載荷循環(huán)次數(shù)；零件或試樣在整個疲勞過程中不發(fā)生宏觀塑性變形,其斷裂方式類似于脆性斷裂；疲勞斷口上明顯地分為兩個區(qū)域。
起重機的鋼結(jié)構(gòu)不是一種構(gòu)筑物式的鋼結(jié)構(gòu)(在相對靜止狀態(tài)下承受相對平穩(wěn)載荷的鋼結(jié)構(gòu))，而是一種機械設(shè)備式的鋼結(jié)構(gòu)，它具有自身獨特的特點：本身是運動的，變化的。起重機在裝卸、起升時為完成作業(yè)任務(wù)，本身就在不斷地運動，甚至本身的幾何形狀、鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的相對位置等都在不斷地運動、變化。載荷是變化的，包括載荷的大小，載荷對起重機的作用方向和和作用點的位置。載荷的種類和同時作用的載荷的組合情況等都是變化的。
起重機鋼結(jié)構(gòu)中大部分采用焊接方式進行連接，尤其是起主要承載作用的箱型主梁是較為典型的大型焊接鋼結(jié)構(gòu)件在焊接結(jié)構(gòu)的構(gòu)建過程中，由于焊接的局部加熱作用。就使得構(gòu)件上的溫度分布極不均勻，導致了各處的膨脹和收縮變形的較大差異；其次，焊接熔池內(nèi)熔化金屬凝固冷卻的快慢不一樣也會引起收縮變形的差別。
起重機械設(shè)計領(lǐng)域是一個有著悠久歷史的行業(yè)。經(jīng)歷長時間的摸索和創(chuàng)新，該領(lǐng)域已經(jīng)形成了一整套完整而且行之有效的設(shè)計形式。但隨著時間的推移，顧客要求的提高，起重機設(shè)計行業(yè)也在不斷前行。最大起重量不斷在上升，從小起重量到重達好幾千噸的起重機，起重機制造呈現(xiàn)出梯度型。與此同時，同噸位的起重機逐漸向智能化，高效化，低成本話方向發(fā)展。
起重機的出現(xiàn)大大改善了人們的生產(chǎn)和生活，它能夠提高工作的自動化程度，提高工作效率，有效降低人們的工作強度，完成一些復雜重復性工作。它對于發(fā)展國民經(jīng)濟，改善人們的事物起著重要的作用。以前需要許多人花長時間才能搬動的大型物件現(xiàn)在用起重機就能輕易達到效果，尤其是在小范圍的搬動過程中起重機的作用是相當明顯的。例如在鐵路貨場裝卸火車、汽車，在船廠吊裝船舶，在水電站大壩起吊閘門，在港口碼頭裝卸集裝箱，在工廠內(nèi)部起吊和搬運笨重的成件物品，在建筑安裝工地進行施工作業(yè)，在儲木場堆積木材等。起重機械的主要任務(wù)是起重，而直接承擔起重任務(wù)的是起升機構(gòu)，其他機構(gòu)都是為了擴大起重機的使用范圍。最簡單的起重機實際上也就僅有一個起升機構(gòu)?，F(xiàn)代的絕大多數(shù)起重機，不論他們的型式和用途如何，都是根據(jù)同一個工作原理構(gòu)成的。龍門起重機通常由起升機構(gòu)(使物品上下運動)、運行機構(gòu)(使起重機械移動)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)(使物品作水平移動)，再加上金屬機構(gòu)，動力裝置，操縱控制及必要的輔助裝置組合而成。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，起重量和起升速度不斷提高，因而機構(gòu)演變?nèi)遮呁晟啤?
1.3課題的研究目的和意義
起重機械設(shè)計領(lǐng)域是一個有著悠久歷史的行業(yè)。經(jīng)歷長時間的摸索和創(chuàng)新，該領(lǐng)域已經(jīng)形成了一整套完整而且行之有效的設(shè)計形式。但隨著時間的推移，顧客要求的提高，起重機設(shè)計行業(yè)也在不斷前行。最大起重量不斷在上升，從小起重量到重達好幾千噸的起重機，起重機制造呈現(xiàn)出梯度型。與此同時，同噸位的起重機逐漸向智能化，高效化，低成本話方向發(fā)展。
在現(xiàn)今信息化的時代，借助現(xiàn)代計算機技術(shù)和信息技術(shù)許多在以前很復雜的問題就變的簡單了許多了，設(shè)計周期得以大大縮短。在計算中，起重機的載荷為靜載荷，慣性載荷和震動載荷。靜載荷是起重機在平穩(wěn)狀態(tài)下運行所受的載荷。除此之外，在起制動過程中還受慣性載荷，速度變化越大，慣性載荷越大。對于起重機來說，各部分結(jié)構(gòu)并不是理想的剛體，而是一個彈性系統(tǒng)，所以在上述基本載荷狀態(tài)下還疊加了按一定頻率變化的振動載荷，它提高了起重機各部分的應(yīng)力峰值，同時它的反復作用也使起重機的的某些敏感部分疲勞損壞?，F(xiàn)代大型計算機系統(tǒng)能夠很好的模擬起重機這一類機械的工作情況，并對其進行仿真。由此可以得到震動的源頭。設(shè)計人員可以依次來進行優(yōu)化設(shè)計，并將優(yōu)化設(shè)計方案在計算機中進行模擬仿真以檢驗優(yōu)化結(jié)果。這樣可以大大節(jié)省起重機改進時間和成本。振動載荷對于起重機的強度有重要的意義，研究起重機動力學的主要目的就是要弄清這部分應(yīng)力的大小。
目前，我國起重機械整體水平雖有了一些進步，但無論性能還是內(nèi)在質(zhì)量與國外產(chǎn)品相比尚有較大差距，主要表現(xiàn)在：起升機構(gòu)仍沿襲小而短的傳統(tǒng)卷筒、反彈亂繩現(xiàn)象嚴重、鋼絲繩易于疲勞、報廢率高等?，F(xiàn)行起升機構(gòu)的上述缺陷，嚴重影響了主機的工作性能、可靠性和安全性。面對人世的嚴峻挑戰(zhàn)，加快研究開發(fā)高性能的新型起升機構(gòu)，迅速提高起重機械整體水平具有十分重要的意義。為了滿足堆場生產(chǎn)發(fā)展的需要，我們設(shè)計了這臺龍門起重機，使用操作方便，制造價格較低，維護保養(yǎng)簡便等特點的貨場用龍門起重機[3]。
1.4水電站門式起重機工作特點
本起重機主要針對水電站現(xiàn)場閘門的啟閉，起重量達80～900噸，我設(shè)計的是450t門式起重機。
在起重機中，用以提升或下降貨物的機構(gòu)稱為起升機構(gòu)，一般采用卷揚式。起升機構(gòu)是起重機機中最重要、最基本的機構(gòu)，其工作的好壞直接影響到整臺起重機的工作性能。起升機構(gòu)一般由驅(qū)動裝置、鋼絲繩卷繞系統(tǒng)、聯(lián)軸器、制動器、減速器、卷筒等部件。鋼絲繩卷繞系統(tǒng)包括鋼絲繩、卷筒、定滑輪和動滑輪。取物裝置有吊鉤、吊環(huán)、抓斗、電磁吸盤、吊具等多種形式。安全保護裝置有超負荷限制器、起升高度限制器、下降深度限制器、超速保護開關(guān)等，根據(jù)實際情況配用。
1.5本文所要做的主要工作
綜上所述，本論文以水電站龍門起重機為研究對象。設(shè)計的主要任務(wù)是熟悉起重機設(shè)計的具體環(huán)節(jié)，基本掌握起重機設(shè)計中對于載荷類型的分析和計算過程。并對起升機構(gòu)進行初步選型和布置，繪制龍門起重機起升機構(gòu)的裝配圖。
25
西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文）
2 設(shè)計要求
2.1設(shè)計標準
1） GB3811-83 《起重機設(shè)計規(guī)范》
2） GB6067-85 《起重機安全規(guī)范》
3） GB/T14406-93 《通用龍門起重機》
4） GB10183-88 《橋式和龍門起重機制造及軌道公差》
2.2設(shè)計原理
下圖為原動機驅(qū)動的起升機構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡圖。電動機1通過聯(lián)軸器2與減速器4的高速軸相連。機構(gòu)工作時，減速器的低速軸帶動卷筒7，將鋼絲繩5卷上或放出，經(jīng)過滑輪組系統(tǒng)，使吊鉤6實現(xiàn)上升或下降。機構(gòu)停止工作時，制動器3使吊鉤連同貨物懸吊在空中。吊鉤的升降靠電動機改變轉(zhuǎn)向來實現(xiàn)。
1-電動機 2-聯(lián)軸器 3-制動器
4-減速器 5-鋼絲繩 6-吊鉤組 7-卷筒
圖2.2 起升機構(gòu)的簡圖
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2.3參數(shù)設(shè)計
本起重機的跨度大，為了減少小車自重，采用牽引式小車。這種小車的運行用繩索牽引，繩索驅(qū)動機構(gòu)裝在起重機的端梁上。起升機構(gòu)裝在支腿的橫梁上，起升繩索通過端梁的導向滑輪，繞過小車的起升滑輪組，從滑輪組出來的鋼絲繩固定在另一側(cè)的端梁上。這樣，當起升機構(gòu)停止、運行機構(gòu)運動時，起升滑輪組的繩索運動，但吊鉤只作水平運動；運行機構(gòu)停止、起升機構(gòu)運動時，吊鉤只作鉛垂運動。當兩個機構(gòu)同時開動時，吊鉤作傾斜運動。
1）起重量：450t；
2）跨度：16m；
3）起升高度：20m；
4）額定起升速度：0.5m/min；
5）起升機構(gòu)工作級別：M6 。
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3 起升機構(gòu)設(shè)計計算
3.1概述
選取吊具。由起重量450t，根據(jù)吊鉤允許起重量表（）查的吊鉤質(zhì)量9637kg，假設(shè)鋼絲繩的重量為7000kg。
機構(gòu)布置。采用獨立的起升機構(gòu)，安裝在下梁上。每套起升卷筒的滑輪組倍率[4]。
圖3.1 門式起重機簡圖
3.2鋼絲繩的選擇
3.2.1滑輪組效率
表3.1 單個滑輪及滑輪組的效率
軸承形式
滑輪效率
滑輪組倍率數(shù)
滑動
0.95
0.97
0.95
0.92
0.90
0.88
0.84
0.80
滾動
0.98
0.99
0.98
0.97
0.96
0.95
0.94
0.92
由以上公式得：
（由表1確定） （3.1）
下降時的滑輪組效率：
（3.2）
小車行走時滑輪組的效率：
（3.3）
3.2.2鋼絲繩最大拉力
當起升機構(gòu)工作時鋼絲繩最大拉力為：
（3.4）
式中：—起升載荷，=（N）；
—起升質(zhì)量，即起重量（kg）；
—機構(gòu)的總效率；
—卷筒及導向滑輪效率；
—滑輪組的倍率，為滑輪組分支數(shù)；
—滑輪組鋼絲繩卷入卷筒的根數(shù)；
—滑輪組的效率。
N
在式中，取重力加速度為m/s2。
當靜止時最大拉力為：
N
當下降時最大拉力為：
N
當小車運行時最大拉力為：
N
表3.2 C和n值（鋼芯鋼絲繩）
機構(gòu)工作級別
選擇系數(shù)C值鋼絲公稱抗拉強度/(N/mm2）
安全系數(shù)n
1470
1570
1670
1770
1870
1960
2160
運動
靜態(tài)
M1
0.082
0.079
0.077
0.075
0.073
0.071
0.068
3.15
2.5
M2
0.085
0.082
0.079
0.077
0.075
0.073
0.070
3.35
2.5
M3
0.087
0.084
0.082
0.079
0.077
0.075
0.072
3.55
3
M4
0.092
0.089
0.087
0.084
0.082
0.080
0.076
4
3.5
M5
0.098
0.095
0.092
0.089
0.087
0.085
0.081
4.5
4
M6
0.109
0.106
0.103
0.100
0.097
0.095
0.090
5.6
4.5
M7
0.123
0.119
0.116
0.112
0.109
0.107
0.102
7.1
5
M8
0.139
0.134
0.130
0.126
0.123
0.120
0.114
9
5
因工作級別為，根據(jù)經(jīng)驗選取C值為0.095。
計算鋼絲繩最小直徑：由鋼絲繩最小直徑公式，得
mm （3.5） 式中：C—鋼絲繩的選擇系數(shù)；
S—鋼絲繩最大靜拉力（N）。
由表可選取鋼絲繩：，最小直徑為36mm，參考質(zhì)量為542kg/100m[5]。所選用鋼絲繩的計算安全系數(shù)，破斷拉力為904000N，滿足的要求。
3.3卷筒設(shè)計
1）卷筒直徑：
當選取國產(chǎn)直徑為的鋼絲繩時，根據(jù)公式：
mm （3.6）
式中： —按鋼絲繩中心計算的卷筒的允許的最小卷繞直徑,684mm；
—鋼絲繩直徑，mm；
—與機構(gòu)工作級別和鋼絲繩結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)，因工作級別為，所以。
那么名義直徑mm，圓整為800mm。
槽深為mm。
繩槽半徑為mm。
2）卷筒長度：
層數(shù)多卷筒長度可以短，但起升速度變化較大。經(jīng)初步計算，認為采用單層較為有利。每一卷筒的繞繩量m，節(jié)距mm，在單層情況下，卷筒的長度L可用下式計算：
mm，圓整為1100mm。 （3.7）
3）卷筒壁厚：
因采用了單層，所以。根據(jù)公式可得：
取壁厚為40mm。
4）鋼絲繩的速度：
平均速度：
m/min （3.8）
5）卷筒的靜轉(zhuǎn)矩：
N·m
6）卷筒輪輻的強度計算：
由以上可得，卷筒輪輻滿足要求。
7）卷筒軸的設(shè)計計算：
軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計：
圖3.2 軸承設(shè)計圖
因承受的主要是彎矩，而主要受力點是2、4。根據(jù)軸承的受力和直徑確定1、5段的直徑為200mm。取它們的長度為124.7mm。
因2段和4段需要用到軸肩，而取2處軸肩的高度為10mm。所以2段軸的直徑為220mm，長度為160mm。取4處軸肩高度為20mm，所以4段直徑為240mm，長度為270mm。
因考慮到2、4處需設(shè)立軸肩，取第三段軸的直徑為250mm，長度為1050mm。
圖3.3 軸的強度計算
①求軸承的支反力：
N （3.9）
②繪制彎矩圖：
N·mm （3.10）
③繪制轉(zhuǎn)矩圖：
N·m
④繪制當量彎矩圖：
（3.11）
式中的取0.6。
MPa （3.12）
8）鍵的計算校核：
MPa （3.13）
9）螺栓聯(lián)接的強度計算：
MPa （3.14）
所選螺母滿足條件。
3.4電動機選擇
電動機驅(qū)動是起升機構(gòu)主要的驅(qū)動方式。直流電動機的機械特性適合起升機構(gòu)工作要求，調(diào)速性能好，但獲得直流電源較為困難。在大型的工程機械上，常常使用內(nèi)燃機和直流發(fā)電機實現(xiàn)直流傳動。交流電動機驅(qū)動能直接從電網(wǎng)取得電能，操作簡單，維護容易，機組重量輕，工作可靠，在電動機起升結(jié)構(gòu)中被廣泛采用。本起升結(jié)構(gòu)采用的啟動方式也為電動機驅(qū)動。
3.4.1起升機構(gòu)電動機
靜功率按以下公式計算：
式中：；
—滑輪組效率，取0.9146；
—卷筒組效率，取0.98；
—減速器效率，取0.94；
—開式齒輪效率，取0.93。
電動機預(yù)計轉(zhuǎn)速為：
r/min （3.15）
3.4.2電動機選型
起升機構(gòu)可選擇Y250M-8型電動機。電動機的額定功率為30kW，輸出扭矩為198 N·m，轉(zhuǎn)速為740r/min，主動慣量為0.339kg·m2，自重為260kg[7]。變頻控制的電動機最小起動轉(zhuǎn)矩為：
N·m （3.15）
鋼絲繩的速度：
m/min
3.4.3校核電動機
由表3可知，對于一般用途電動機，??；起升機構(gòu)的工作并不繁忙，根據(jù)實際估算。每天工作循環(huán)不超過10次，最長通電時間為55min，由表4可知，變頻電機的工作制為。
表3.3 起升機構(gòu)的、、的推薦值
起重機用途
（%）
電站檢修用
15—25
150
0.8（0.7）
一般用途吊鉤式
25
300
0.8
繁重使用吊鉤式
40
300
0.8
間隙裝卸抓斗式
40
450
0.8
連續(xù)裝載抓斗式
60
450
0.8
表3.4 工作制功率換算關(guān)系
工作制
S2
S3
S4和S5
30min
60min
15%
25%
40%
60%
150次/h
300次/h
功率折算系數(shù)
1.10
1.00
1.35
1.10
1.00
0.80
0.83
0.73
①起升電動機發(fā)熱校核：
kW，校核通過。
②起升電動機過載能力校核：
kW，校核通過。
3.5開式齒輪傳動的設(shè)計計算
因齒輪為開式齒輪，所以可根據(jù)彎矩強度的計算齒輪的模數(shù)，根據(jù)電動機轉(zhuǎn)速和起升速度算得總傳動比為，而減速器的傳動比為100所以開式齒輪的傳動比為4.421。取小齒輪的齒數(shù)為，大齒輪用ZG340制作。由
（3.17）
選取模數(shù)為的圓柱齒輪。
設(shè)計開式齒輪傳動參數(shù)為，小齒，調(diào)質(zhì)，齒面硬度為260HBS；大齒輪用ZG340，正火，齒面硬度為200HBS。
齒輪的校核：
。于是許用應(yīng)力為
MPa，MPa
MPa，MPa
①齒面接觸強度校核：
（3.18）
②齒輪彎曲強度校核：
由表查的。齒輪彎曲強度：
MPa （3.19）
MPa
由以上可得齒輪彎曲強度合格。
③齒輪的圓周速度：
m/s （3.20）
符合9級齒輪。
3.6減速器選擇
因起升速度很小，從理論上說起升載荷系數(shù)接近于1。查表得。于是疲勞計算得載荷為：
N·m
選用，輸出軸的連接形式為平鍵，工作級別為，當輸入軸的轉(zhuǎn)速為735r/min時，高速軸的許用功率為15.5kW，額定輸出扭矩為21200 N·m，輸出扭矩的安全系數(shù)為：
許用功率為kM，輸出功率安全系數(shù)為：
3.7高速軸連軸器選擇
電動機輸出軸的最高扭矩為：
N·m （3.21）
式中：—機構(gòu)電動機額定轉(zhuǎn)矩換算到聯(lián)軸器所在軸的轉(zhuǎn)矩；
—與發(fā)動機有關(guān)的動載荷系數(shù)，對起重機構(gòu)，取為：；
—起動頻繁程度系數(shù)，由表5可得。
選用帶制動輪梅花形彈性聯(lián)軸器，型號為：，公稱轉(zhuǎn)矩630 N·m，轉(zhuǎn)動慣量為0.15kg·m2，質(zhì)量為24.93kg[10]。
表3.5 系數(shù)
機構(gòu)每小時起動次數(shù)
1.0
1.3
1.5
3.8低速軸聯(lián)軸器選擇
低速軸上的扭矩為：
N·m （3.22）
選用雙齒輪聯(lián)軸器，型號為：，公稱轉(zhuǎn)矩56000 N·m，轉(zhuǎn)動慣量為5.08 kg·m2，質(zhì)量為305 kg。
3.9制動器
3.9.1制動器的選擇
每套驅(qū)動裝置設(shè)計兩個制動器，每個制動器的制動扭矩為：
N·m （3.23）
式中：—齒輪傳動的減速比，包括了減速比100和開式齒輪的4.421；
—機構(gòu)總效率；
—制動安全系數(shù)，由表6可查。
選用型的制動器，制動轉(zhuǎn)矩N·m，安裝時調(diào)整。兩臺制動器一臺延遲動作，避免產(chǎn)生過大沖擊。
表3.6 起升機構(gòu)制動安全系數(shù)k的規(guī)定值
機構(gòu)形式及安全要求
制動安全系數(shù)k
一般起升機構(gòu)
1.5
重要起升機構(gòu)
1.75
運輸液態(tài)金屬或其他危險物品
一套機構(gòu)裝兩個制動器
1.25
兩套剛性聯(lián)系機構(gòu)裝四個制動器
1.1
具有液壓制動的液壓起升機構(gòu)
1.25
3.9.2制動器的校核
計算制動時間：
轉(zhuǎn)動慣量：
kg·m2 （3.24）
靜轉(zhuǎn)矩：
N·m （3.25）
變頻控制的電動機上的平均起動轉(zhuǎn)矩：
N·m
起升載荷：
N
起升速度：
m/s
與相應(yīng)的電動機轉(zhuǎn)速：
r/min
鋼絲繩速度：
m/s
制動時間為：
s滿足要求。
3.10液壓失效保護制動器
為了防止傳動機構(gòu)失效，特在卷筒端設(shè)置失效保護制動器，其制動轉(zhuǎn)矩按下公式計算：
N·m （3.26）
式中： 。
選用型號為的液壓鉗盤制動器，加緊力為250kN，制動力為200kN，制動盤直徑根據(jù)卷筒的最大外徑確定；卷筒外徑為mm，加余量，取mm，查表得mm；平均摩擦直徑為mm，制動轉(zhuǎn)矩為[12]：
N·m
3.11機構(gòu)起動時間計算
轉(zhuǎn)動慣量：
kg·m2
靜轉(zhuǎn)矩：
N·m
變頻控制的電動機上的平均起動轉(zhuǎn)矩：
N·m
起升載荷：
N
與相應(yīng)的電動機轉(zhuǎn)速：
r/min
第四層鋼絲繩速度：
m/s
總的起動時間：
s
3.12零件疲勞計算
計算開式小齒輪軸的疲勞。多層繞筒上鋼絲繩拉力，起升時為132812N，下降時為105000N?？蛰d時軸的受力可以忽略不計。
圖3.4 小齒輪部分
3.12.1載荷
卷筒軸上的轉(zhuǎn)矩：
N·m （3.27）
小齒輪軸上的轉(zhuǎn)矩：
N·m （3.28）
小齒輪上的圓周力：
N （3.29）
軸承徑向力：
N
軸承型號為：23132，額定動負荷kN。
3.12.2應(yīng)力
用于疲勞計算得基本載荷需乘以，因此軸肩處彎矩為：
N·mm （3.30）
彎曲正應(yīng)力：
N·mm2 （3.31）
扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力：
N·mm2 （3.32）
彎曲切應(yīng)力：
N·mm2 （3.33）
合成應(yīng)力為：
N·mm2 （3.34）
式中：—計算點的復合
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