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湖 南 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué)
全日制普通本科生畢業(yè)設(shè)計
板坯搬運起重機(jī)的設(shè)計
DESIGN OF SLAB HANDING CRANE
學(xué)生姓名：魏靖
學(xué) 號：200940614131
年級專業(yè)及班級：2009級機(jī)械設(shè)計制造及其自
動化（1）班
指導(dǎo)老師及職稱：董亮 教授
學(xué) 院：工學(xué)院
湖南·長沙
提交日期：2013年05月
湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)全日制普通本科生畢業(yè)設(shè)計
誠 信 聲 明
本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)設(shè)計是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，進(jìn)行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產(chǎn)權(quán)爭議。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體在文中均作了明確的說明并表示了謝意。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。
畢業(yè)設(shè)計作者簽名：
年 月 日
板坯搬運起重機(jī)的設(shè)計
學(xué) 生：魏靖
指導(dǎo)老師：董亮
(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，長沙 410128)
摘 要：制造業(yè)是一個國家或地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱，其發(fā)展水平標(biāo)志著該國家或地區(qū)的經(jīng)濟(jì)實力、科技水平、生活水準(zhǔn)和國防實力的水平。而制造業(yè)的發(fā)展離不開各種各樣的起重機(jī)械。
本文對雙梁橋式起重機(jī)進(jìn)行了比較系統(tǒng)和完整的設(shè)計。雙梁橋式起重機(jī)主要由起升機(jī)構(gòu)、小車運行機(jī)構(gòu)、大車運行機(jī)構(gòu)及橋架結(jié)構(gòu)等組成，本文對其各個部分又進(jìn)行了分析與設(shè)計，并進(jìn)行了嚴(yán)格的計算驗算
關(guān)鍵詞：雙梁橋式起重機(jī)；起升機(jī)構(gòu)；運行機(jī)構(gòu)；橋架結(jié)構(gòu)
Design of Slab Handing Crane
Student:Weijing
Tutor:Dongliang
(College of Engineering , Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)
Abstract:The manufacturing industry is an important pillar of the economic development of a country or region.Their level of development marked the country or region's economic strength, technological level, the standard of living and national defensive strength level.The manufacturing sector development is inseparable from a variety of lifting appliances.In this paper double girder overhead crane more systematic and complete design.A double girder overhead crane mainly composed of the hoisting mechanism, the car run institutions the traveling mechanism and the bridge structure.In this paper it contains various parts of the analysis and design,and a rigorous calculation checking.
Key words:Double girder overhead crane ; Hoisting mechanism; Operating agencies; Bridge structure;
1 前言
眾所周知，起重機(jī)作為許多大型工程必不可少的工具，用途的確越來越廣泛，不僅適用于廠礦、企業(yè)的車間、倉庫等，而且可以適應(yīng)在室內(nèi)或露天的固定跨間作一般裝卸及起重運輸工作。由此可見起重機(jī)的在實際過程中的作用越來越重要了。
物料搬運成了人類生產(chǎn)活動的重要組成部分，距今已有五千多年的發(fā)展歷史。隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，自動化程度的提高，作為物料搬運重要設(shè)備的起重機(jī)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(jī)的要求也越來越高。起重機(jī)正經(jīng)歷著一場巨大的變革。在工程中所用的起重機(jī)械，根據(jù)其構(gòu)造和性能的不同，一般可分為輕小型起重設(shè)備、橋式類型起重機(jī)械和臂架類型起重機(jī)三大類。輕小型起重設(shè)備如：千斤頂、氣動葫蘆、電動葫蘆、平衡葫蘆（又名平衡吊）、卷揚機(jī)等。橋架類型起重機(jī)械如梁式起重機(jī)、龍門起重機(jī)等。臂架類型起重機(jī)如固定式回轉(zhuǎn)起重機(jī)、塔式起重機(jī)、汽車起重機(jī)、輪胎起重機(jī)、履帶起重機(jī)等。[1]
橋式起重機(jī)是橋架在高架軌道上運行的一種橋架型起重機(jī)，又稱天車。橋式起重機(jī)的橋架沿鋪設(shè)在兩側(cè)高架上的軌道縱向運行，起重小車沿鋪設(shè)在橋架上的軌道橫向運行，設(shè)置在小車上的起升機(jī)構(gòu)實現(xiàn)貨物垂直升降。三個機(jī)構(gòu)的綜合，構(gòu)成一立方體形的工作范圍，這樣就可以充分利用橋架下面的空間吊運物料，不受地面設(shè)備的阻礙。[2]
橋式起重機(jī)廣泛地應(yīng)用在室內(nèi)外倉庫、廠房、碼頭和露天貯料場等處。橋式起重機(jī)可分為普通橋式起重機(jī)、簡易梁橋式起重機(jī)和冶金專用橋式起重機(jī)三種。各類橋式起重機(jī)的特點如下：
1) 普通橋式起重機(jī)主要采用電力驅(qū)動，一般是在司機(jī)室內(nèi)操縱，也有遠(yuǎn)距離控制的。起重量可達(dá)五百噸，跨度可達(dá)60米。
2) 簡易梁橋式起重機(jī)又稱梁式起重機(jī)，其結(jié)構(gòu)組成與普通橋式起重機(jī)類似，起重量、跨度和工作速度均較小。橋架主梁是由工字鋼或其它型鋼和板鋼組成的簡單截面梁，用手拉葫蘆或電動葫蘆配上簡易小車作為起重小車，小車一般在工字梁的下翼緣上運行。橋架可以沿高架上的軌道運行，也可沿懸吊在高架下面的軌道運行，這種起重機(jī)稱為懸掛梁式起重機(jī)。
3) 冶金專用橋式起重機(jī)在鋼鐵生產(chǎn)過程中可參與特定的工藝操作，其基本結(jié)構(gòu)與普通橋式起重機(jī)相似，但在起重小車上還裝有特殊的工作機(jī)構(gòu)或裝置。這種起重機(jī)的工作特點是使用頻繁、條件惡劣，工作級別較高。主要有五種類型
4) 鑄造起重機(jī)：供吊運鐵水注入混鐵爐、煉鋼爐和吊運鋼水注入連續(xù)鑄錠設(shè)備或鋼錠模等用。主小車吊運盛桶，副小車進(jìn)行翻轉(zhuǎn)盛桶等輔助工作。
5) 夾鉗起重機(jī)：利用夾鉗將高溫鋼錠垂直地吊運到深坑均熱爐中，或把它取出放到運錠車上。
6) 脫錠起重機(jī)：用以把鋼錠從鋼錠模中強(qiáng)制脫出。小車上有專門的脫錠裝置，脫錠方式根據(jù)錠模的形狀而定：有的脫錠起重機(jī)用項桿壓住鋼錠，用大鉗提起錠模；有的用大鉗壓住錠模，用小鉗提起鋼錠。
7) 加料起重機(jī)：用以將爐料加到平爐中。主小車的立柱下端裝有挑桿，用以挑動料箱并將它送入爐內(nèi)。主柱可繞垂直軸回轉(zhuǎn)，挑桿可上下擺動和回轉(zhuǎn)。副小車用于修爐等輔助作業(yè)。
8) 鍛造起重機(jī)：用以與水壓機(jī)配合鍛造大型工件。主小車吊鉤上懸掛特殊盛料器高溫液態(tài)鋼包，用以支持和翻轉(zhuǎn)鋼包，副小車用來抬起鋼包，澆鑄液態(tài)金屬。[3]
橋式類型起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)一般由主梁和端梁組成，分為單主梁橋架和雙梁橋架兩類。單主梁橋架由單根主梁和位于跨度兩邊的端梁組成，雙梁橋架由兩根主梁和端梁組成。主梁與端梁剛性連接，端梁兩端裝有車輪，用以支承橋架在高架上運行。主梁上焊有軌道，供起重小車運行。橋架主梁的結(jié)構(gòu)類型較多比較典型的有箱形結(jié)構(gòu)、四桁架結(jié)構(gòu)和空腹桁架結(jié)構(gòu)。[4]
箱形結(jié)構(gòu)又可分為正軌箱形雙梁、偏軌箱形雙梁、偏軌箱形單主梁等幾種。正軌箱形雙梁是廣泛采用的一種基本形式，主梁由上、下翼緣板和兩側(cè)的垂直腹板組成，小車鋼軌布置在上翼緣板的中心線上，它的結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，適于成批生產(chǎn)，但自重較大。
偏軌箱形雙梁和偏軌箱形單主梁的截面都是由上、下翼緣板和不等厚的主副腹板組成，小車鋼軌布置在主腹板上方，箱體內(nèi)的短加勁板可以省去，其中偏軌箱形單主梁是由一根寬翼緣箱形主梁代替兩根主梁，自重較小，但制造較復(fù)雜。
四桁架式結(jié)構(gòu)由四片平面桁架組合成封閉型空間結(jié)構(gòu)，在上水平桁架表面一般鋪有走臺板，自重輕，剛度大，但與其它結(jié)構(gòu)相比，外形尺寸大，制造較復(fù)雜，疲勞強(qiáng)度較低，已較少生產(chǎn)。
空腹桁架結(jié)構(gòu)類似偏軌箱形主梁，由四片鋼板組成一封閉結(jié)構(gòu)，除主腹板為實腹工字形梁外，其余三片鋼板上按照設(shè)計要求切割成許多窗口，形成一個無斜桿的空腹桁架，在上、下水平桁架表面鋪有走臺板，起重機(jī)運行機(jī)構(gòu)及電氣設(shè)備裝在橋架內(nèi)部，自重較輕，整體剛度大，這在中國是較為廣泛采用的一種型式。
下面具體介紹普通橋式起重機(jī)的構(gòu)造。普通橋式起重機(jī)一般由起重小車、橋架運行機(jī)構(gòu)、橋架金屬結(jié)構(gòu)組成。起重小車又由起升機(jī)構(gòu)、小車運行機(jī)構(gòu)和小車架三部分組成。
起升機(jī)構(gòu)包括電動機(jī)、制動器、減速器、卷筒和滑輪組。電動機(jī)通過減速器，帶動卷筒轉(zhuǎn)動，使鋼絲繩繞上卷筒或從卷筒放下，以升降重物。小車架是支托和安裝起升機(jī)構(gòu)和小車運行機(jī)構(gòu)等部件的機(jī)架，通常為焊接結(jié)構(gòu)。[2]
起重機(jī)運行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動方式可分為兩大類：一類為集中驅(qū)動，即用一臺電動機(jī)帶動長傳動軸驅(qū)動兩邊的主動車輪；另一類為分別驅(qū)動、即兩邊的主動車輪各用一臺電動機(jī)驅(qū)動。中、小型橋式起重機(jī)較多采用制動器、減速器和電動機(jī)組合成一體的“三合一”驅(qū)動方式，大起重量的普通橋式起重機(jī)為便于安裝和調(diào)整，驅(qū)動裝置常采用萬向聯(lián)軸器。
起重機(jī)大車運行機(jī)構(gòu)一般只用四個主動和從動車輪，如果起重量很大，常用增加車輪的辦法來降低輪壓。當(dāng)車輪超過四個時，必須采用鉸接均衡車架裝置，使起重機(jī)的載荷均勻地分布在各車輪上。[4]
2 起升機(jī)構(gòu)計算
2.1 確定起升機(jī)構(gòu)傳動方案，選擇滑輪組和吊鉤組[4]
傳動方案如圖 1 Q=30t 查[1]表4-2取滑輪組的倍率 ih=4承載繩分支數(shù) Z=2i=2*4=8
圖 1起升機(jī)構(gòu)傳動方案簡圖
Fig. 1 Lifting transmission scheme diagram of mechanism
查[1]表8選用圖號為 T1-362.1509吊鉤組，質(zhì)量 G0=847kg，兩動滑輪間的間距：A=102mm (l0=102mm,l1=165mm)
2.2 選擇鋼絲繩[4]
若滑輪組采用滾動軸承，當(dāng)=4，查[1]表4-10得滑輪組效率 =0.98，鋼絲繩所受最大拉力:
max===37.887kN (1)
查[1]表4-8，重級工作類型（工作級別A7），安全系數(shù) n=5
鋼絲繩的計算破斷拉力：
Sb=Smax=5*37.886=189.433kN (2)
鋼絲繩的直徑?。?
d>Cmax=0.1=19.46mm (3)
式中 選擇系數(shù)： C=0.1
查附表1選用瓦林吞型纖維芯鋼絲繩，鋼絲繩公稱抗拉強(qiáng)度1670MPa，光面鋼絲，右交互捻，直徑d=20mm，鋼絲繩的最小破斷拉力[Sb]=237.8KN，標(biāo)記如下：鋼絲繩 20NAT 6×19W+FC 1670 ZS 216 162 GB 8918-88
2.3 確定滑輪主要尺寸[6]
滑輪的敘用最小直徑:
D≧ed=2020=400mm （4）
式中系數(shù)e=20，由表4-8查得。
由[1]附表2選用滑輪直徑D=560，滑輪的繩槽部分尺寸可由附表3查得。
由[1]附表4選用鋼繩直徑d=20mm，D=560mm，滑輪軸直徑=120mm的E1型滑輪，標(biāo)記為：E1 20×560-100 ZB JB J80006.8-87
2.4 確定卷筒尺寸并驗算強(qiáng)度[3]
卷筒直徑：D≥d（e-1）=20（22.4-1）=380mm (5）
由附表13 選用D=630mm卷筒繩槽尺寸由[3]附表14-3查得槽距p=22mm，槽底半徑R=11mm。
卷筒尺寸：有槽部分長度
L` =()p=()22= 744.28 mm （6）
取L0=800mm。
則總長L=2（L0+L1+L2）+L3=2*(800+66+66)+200=2062mm. （7）
式中 ——附加安全系數(shù)，取=2
L1——無繩槽卷筒端部尺寸，一般取L1=3p=66mm；
L2——固定鋼繩所需長度，一般取L2=3p=66mm；
L3——卷槽中間光滑部分長度，根據(jù)鋼繩允許偏角確定，取L3=200mm；
——卷筒計算尺寸直徑=D+d=630+20=650mm。
卷筒壁厚：
（8）
取=20mm，卷筒壁壓應(yīng)力驗算：
（9）
選用灰鑄鐵HT250，最小抗拉強(qiáng)度
許用壓應(yīng)力： (10)
，故抗壓強(qiáng)度足夠
圖 2 卷筒彎矩圖
Fig. 2 Roll bending moment diagram
卷筒的最大彎距發(fā)生在鋼絲繩位于各端卷筒中間（如圖2）時：
（11）
卷筒斷面系數(shù)： （12）
式中 ——卷筒外徑，D=630mm
——卷筒內(nèi)徑，
于是： （13）
合成應(yīng)力： （14）
式中許用拉應(yīng)力
卷筒強(qiáng)度驗算通過，故選定卷筒直徑D=630mm，長度L=2100mm卷筒槽型的槽底半徑R=11mm，槽距p=22mm，起升高度H=12m，倍率=4，靠近減速器一端的卷筒槽向為左的卷筒
630-2100-11×22-16×4 左ZB J80 007.2-87
2.5 選電動機(jī)[5]
計算靜功率： （15）
式中——機(jī)構(gòu)總效率，一般取=0.8-0.9，
電動機(jī)計算功率： （16）
式中系數(shù) 由[1]表6-1查得，取 =0.9
由附表30選用電動機(jī) 315M-10，=600r/min， [ =8.86kg.
，電動機(jī)質(zhì)量=1170kg。
2.6 驗算電動機(jī)發(fā)熱條件[5]
按照等效功率法，求JC=40%時所需等效功率：
（17）
式中 ——工作級別系數(shù)，查[1]表6-4，對A7級，=0.85
——系數(shù)，由[1]圖6-6查得 =0.87
由以上計算結(jié)果 ，故初選電動機(jī)能滿足發(fā)熱條件
2.7 選擇減速器[6]
卷筒轉(zhuǎn)速： （18）
減速器總傳動比：
查附表35選 ZQ-1000-Ⅴ-3CA 減速器，工作類型為重級，許用功率[N]=161KW， =20.49，質(zhì)量 =2140kg入軸直徑d1=90mm，軸端長度L1=135mm。
2.8 驗算起升速度和實際所需功率[3]
實際起升速度：
（19）
誤差：
實際所需等效功率：
（20）
2.9 校核減速器輸出軸強(qiáng)度[6]
由[1]公式6-16 得輸出軸最大徑向力：
（21）
式中 =2*38381.4=76.7628KN ——卷筒上卷撓鋼絲繩引起的載荷。
——卷筒及軸自重
[R]=12.8*9.8=125.44KN ——ZQ1000減速器輸出軸端最大允許徑向載荷，由附表36查得。
由[1]公式6-17得輸出軸最大扭矩：
（22）
式中 ——電動機(jī)軸額定力矩
——當(dāng)JC=40%時電動機(jī)最大矩倍數(shù)，由附表33查得
——減速器傳動效率
——減速器輸出軸最大容許轉(zhuǎn)矩，由附表36查得
由以上計算，所選減速器能滿足要求。
2.10 選擇制動器[6]
所需靜動力矩 （23） 式中 =1.75——制動安全系數(shù)，由[1]表6查得
由于所設(shè)計的是左右對稱的兩個制動器，故所選制動器只需滿足 。由附表15選用YWZ5-500/121制動器，其制動轉(zhuǎn)矩 =1120~2240Nm，制動輪直徑=500mm,制動器質(zhì)量 =135.8kg。
2.11 選擇聯(lián)軸器[6]
高速聯(lián)軸器計算轉(zhuǎn)矩，由[1]表6-26式
（24） 式中 =2600——電動機(jī)額定轉(zhuǎn)矩
N=1.5——聯(lián)軸器安全系數(shù)
=1.8——剛性動載荷系數(shù)，一般 =1.5-2.0
最大容許轉(zhuǎn)矩[]=8000Nm＞Mc值，飛輪力矩 =1.54，質(zhì)量，浮動軸兩端為圓柱形d=65mm,l=115mm，靠減速器軸端聯(lián)軸器，由附表43選用CLZ5半聯(lián)軸器，技術(shù)參數(shù)同上。
2.12 驗算起動時間[3]
起動時間： （25）
式中
靜阻力矩： （26）
平均起動轉(zhuǎn)矩：
通常,起升機(jī)構(gòu)起動時間為1-5s,此處tq<1s,可在電氣設(shè)計時增加起動電阻,延長起動時間,故所選電動機(jī)合適。
2.13 驗算制動時間[3]
制動時間：
（27)
由[1]表6-6查得許用減速度a≤0.2，a=
,故合適。
2.14 高速浮動軸計算[6]
2.14.1 疲勞計算
由[2]起升機(jī)構(gòu)疲勞計算基本載荷 （28）
式中 ——動載荷系數(shù)=（1+）/2=1.09
——起升動載荷系數(shù)=1+0.71v=1+0.71*14.96/60=1.18
由前節(jié)已選定軸徑d=65mm，因此扭轉(zhuǎn)應(yīng)力：
（29）
軸材料用45號鋼，=600MPa ， =300MPa
彎曲
扭轉(zhuǎn)：, 。
軸受脈動循環(huán)的許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力：
（30）
式中：k=——考慮零件集合形狀和零件表面狀況的應(yīng)力集中系數(shù)；
——與零件幾何形狀有關(guān)對于零件表面有急劇過度和開有鍵槽及緊配合區(qū)段, =1.5-2.5；
——與零件表面加工光潔度有關(guān), =2.5；
——考慮材料對應(yīng)力循環(huán)不對稱的敏感系數(shù),對碳鋼及低合金鋼=0.2；
——安全系數(shù), =1.25；
故 , 通過。
2.14.2 強(qiáng)度驗算：
軸所受最大轉(zhuǎn)矩：
最大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力：
（31）
許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力：
式中： ——安全系數(shù)，=1.5
，故通過。
浮動軸的構(gòu)造如圖3
圖 3浮動軸
Figure 3 Floating shaft
中間軸徑d1=d+（5～10）=70～75mm，取d1=75mm。
3. 小車運行機(jī)構(gòu)的計算
3.1 確定機(jī)構(gòu)傳動方案[8]
經(jīng)比較后，確定采用如圖4 所示傳動方案：
圖 4小車運行機(jī)構(gòu)簡圖
Fig. 4 Schematic diagram of a trolley running mechanism
3.2 選擇車輪和軌道并驗算強(qiáng)度[12]
車輪最大輪壓：小車質(zhì)量估計取Grc=18000kg
假定輪壓均布：
（32）
車輪最小輪壓：
（33）
初選車輪：由附表18可知，當(dāng)運行速度<60m/min時 工作級別為重級，車輪直徑為Dc=630mm，軌道類型43kg/m，許用輪壓為17.6≈18t。
強(qiáng)度驗算：按車輪和軌道為線接觸及點接觸兩種情況驗算車輪接觸強(qiáng)度。
車輪踏面疲勞計算載荷：
（34）
車輪材料，取ZG 340-640
線接觸局部擠壓強(qiáng)度：
（35）
式中 ——許用線接觸應(yīng)力常數(shù)=6
l ——車輪與軌道有效接觸強(qiáng)度，對于軌道P43，l=46
C1——轉(zhuǎn)速系數(shù)，車輪轉(zhuǎn)速，=1.02
C2——工作級別系數(shù)，由[1]表5-4，取C2=1
，故通過。
點接觸局部擠壓強(qiáng)度
（36）
式中 ——許用點接觸應(yīng)力常數(shù)，由[1]表5-2查=0.132
R——曲率半徑，車輪與軌道曲率半徑中的較大值。車輪半徑,軌道半徑 ，故取R=315mm
M——由r/R比值（r為r1，r2中小者）所確定的系數(shù)，r/R =300/315=0.95，由[1]表8-6查得m=0.39
， 故通過。
根據(jù)以上計算結(jié)果，選定直徑Dc=630mm的單輪緣車輪，標(biāo)記為：車輪 DYL-630 GB 4628-84。
3.3 運行阻力計算[12]
摩擦阻力矩： （37）
查附表19，Dc=630mm車輪組選用軸承為7520，軸承內(nèi)徑和外徑的平均值 d=（100+180）/2=140mm，由[1]表8-10 查得滾動摩擦系數(shù)k=0.6mm=0.0006m，軸承摩擦系數(shù) =0.02，附加阻力系數(shù)=2.0，
運行摩擦阻力：
（38）
無載荷時：
（39）
（40）
3.4 選電動機(jī)[8]
電動機(jī)靜功率： （41）
式中： ——滿載荷時阻力。
=0.9 ——機(jī)構(gòu)傳動效率。
m=1——驅(qū)動電動機(jī)臺數(shù)。
初選電動機(jī)功率：N=
式中 ——電動機(jī)動率增大系數(shù)，=1.15 ；
由附表30選用JZR2-31-6，Ne=11KW ，n1=940r/min，，電動機(jī)質(zhì)量=155kg。
3.5 驗算電動機(jī)發(fā)熱條件[8]
等效功率：
（42）
式中 ——工作級別系數(shù)，由[1]表3-1查得，當(dāng)JC=25%時， =1.0
——由[1]表查圖6-6得=1.12
Nx
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