密級： 公開 NANCHANG UNIVERSITY學 士 學 位 論 文THESIS OF BACHELOR（2009 — 2013 年）題 目 40T 門座起重機運行機構及重要總成設計 學 院：專業(yè)班級：學生姓名： 指導教師：起訖日期：學士學位論文原創(chuàng)性申明本人鄭重申明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式表明。本人完全意識到本申明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 日期：學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權南昌大學可以將本論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。保密□，在 年解密后適用本授權書。本學位論文屬于不保密□。（請在以上相應方框內打“√” ）作者簽名： 日期：導師簽名： 日期：摘要I40T 門座起重機運行機構及重要總成設計摘 要起重機是現(xiàn)代工業(yè)在實現(xiàn)出產(chǎn)過程機械化，自動化，改善物料搬運條件，提高勞動出產(chǎn)率必不可少的機械設備。它對于發(fā)展國民經(jīng)濟，改善人們的物質，文化生活的需要都起著重要作用。門座起重機作為物料搬運機械中的最主要的一種，在各行各業(yè)中得到廣泛的應用。門座式起重機在現(xiàn)代工業(yè)中是必不可少的，畢業(yè)設計進行門座式起重機的設計，不但有利于我們對大學所學知識的掌握并運用，同時通過查找和學習國內外相關的先進設計制造技術，可大大地提高我們對國內外起重機發(fā)展現(xiàn)狀的了解程度，對我們未來的學習和工作有著積極而又深遠的意義。本畢業(yè)設計論文主要針對門座起重機的運行機構以及其他一些重要的總成和機構進行設計。對門座起重機進行工況載荷分析，進行整機的穩(wěn)定性校核，以此為依據(jù)選擇相應的執(zhí)行件和驅動件。在設計的過程中，運用 CAD 技術輔助設計，盡量實現(xiàn)三維建模仿真到二維工程圖紙的輸出無紙化。關鍵詞：門座起重機；運行機構；CAD 輔助設計；載荷分析。AbstractIIDesign of 40T Gantry Crane`s Travel Mechanism and Important Assembly AbstractCrane is an indispensable mechanical equipment that used in the modern industry to make the production process mechanization and automation, help improve the material handling conditions and the labor production rate.It is very important for the development of national economy, improving people's material and cultural life.Gantry crane, as the one of the most main material handling equipment, is widely used in all walks of life. Gantry crane is indispensable in modern industry, to make the design of the gantry crane as the graduation thesis, is not only conducive to us to apply knowledge we have learned in college, but also greatly improve our understanding of crane`s development situation at home and abroad, and has a positive and far-reaching significance at our future study and work by looking and learning related design and manufacture of advanced technology at home and abroad.This graduation thesis mainly includes about gantry crane traveling mechanism and some other important assembly. Analysis working conditions of gantry crane, check the stability of the whole machine, on this basis to choose the corresponding execution parts and driving parts. In the process of design, we use the CAD technology aided design, Try our best to achieve paperless design in Creating of 3D model and mechanical drawings.Key words: Gantry Crane; Travelling Mechanism; Computer - Aided Design; Loading Analysis.目錄- 0 -目錄摘 要 .......................................................................................................................IAbstract..................................................................................................................II第一章 緒論 ..........................................................................................................21.1 門座起重機的特點及分類 .....................................................................21.2 門座起重機的結構 .................................................................................31.3 門座起重機的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 .............................................................41.4 課題研究內容 .........................................................................................6第二章 門座式起重機總體設計 ..........................................................................82.1 門座起重機的性能參數(shù)及工況環(huán)境 .....................................................82.2 確定起重機設計主要內容 .....................................................................92.2.1 起升機構的組成及工作原理 ......................................................92.2.2 變幅機構的組成及工作原理 ....................................................122.2.3 旋轉機構的組成及工作原理 ....................................................182.2.4 運行機構的組成及工作原理 ....................................................212.2.5 門座起重機的安全設置 ............................................................222.3 確定起重機金屬結構形式 ...................................................................27第三章 各工作機構和金屬結構的計算載荷及載荷組合 ................................31本節(jié)所作分析與計算均以依據(jù) GB/T3811-2008 起重機設計規(guī)范依據(jù)。 .....313.1 計算載荷 ...............................................................................................313.1.1 自重載荷 ...............................................................................31????3.1.2 起升載荷 ...............................................................................31????目錄- 1 -3.1.3 自重震動載荷 ............................................................................313.1.4 起升動載荷 ................................................................................323.1.5 突然卸載時的動力效應 ............................................................323.1.6 運行沖擊載荷 ............................................................................333.1.7 起重機運行慣性力 ....................................................................333.1.8 貨物偏擺載荷 ............................................................................333.1.9 風載荷 ........................................................................................343.2 載荷組合 ...............................................................................................37第四章 整機穩(wěn)定性校核 ....................................................................................394.1 基本原則 ...............................................................................................394.2 驗算工況、載荷系數(shù)和載荷組合 .......................................................394.2.1 門座起重機的驗算工況 ............................................................394.2.2 載荷系數(shù)和載荷組合 ................................................................394.2.3 門座起重機抗傾覆穩(wěn)定性的力矩表達式 ................................404.3 輪壓計算 ...............................................................................................45第五章 門座起重機運行機構設計分析 ............................................................495.1 運行機構概述 .......................................................................................495.1.1 運行機構設計所需要解決的問題 ............................................495.1.2 運行機構設計所需要的主要原始數(shù)據(jù) ....................................505.2 決定運行機構的結構形式 ...................................................................505.3 選擇車輪與軌道并驗算其強度 ...........................................................505.3.1 驗算車輪的耐久性 ....................................................................50目錄- 2 -5.3.2 驗算車輪的強度 ........................................................................515.4 有軌運行機構的驅動裝置 ...................................................................515.4.1 運行靜阻力的計算 ....................................................................515.4.2 按滿載運行靜功率初選電動機 ................................................535.4.3 減速裝置計算 ............................................................................535.4.4 電動機過載能力驗算 ................................................................555.4.5 制動器的選擇 ............................................................................555.5 有軌運行機構其他機構和安全輔助裝置 ...........................................56第六章 總結與展望 ............................................................................................576.1 工作總結 ...............................................................................................576.2 工作展望 ...............................................................................................57參考文獻 ..............................................................................................................59致謝 ......................................................................................................................60附件一 起重機行走機構設計圖紙 ..................................................................61第一章 緒論- 3 -第一章 緒論1.1 門座起重機的特點及分類門座起重機是港口碼頭數(shù)量和使用最多的、結構復雜、機構最多的、最典型的電動裝卸機械，是一種重要而又具有代表性的旋轉類型運動式起重機，他因具有能讓運輸車順利通過的門架結構而得名。門形座架的 4 條腿構成 4 個“門洞”，可供鐵路車輛和其他車輛通過?，F(xiàn)代門座式起重機廣泛應用于港口、碼頭貨物的機械化裝卸，造船廠船舶的施工、安裝以及大型水電站工地的建壩工程中，對于減輕繁重的體力勞動，改善工人的操作條件，提高勞動生產(chǎn)率都具有很大的意義，是實現(xiàn)生產(chǎn)過程機械化不可缺少的重要設備。它具有較好的工作性能和獨特的優(yōu)越結構，通用性好，被廣泛地用在港口雜貨碼頭。門座起重機的工作機構具有較高的運轉速度，起升速度可達 1.17m/s，變幅速度可達 0.92m/s，使用率高，每晝夜可達 22h，臺時效率也很高，一般可達100t/h 以上；它的結構是立體的，不多占用碼頭的面積，具有高大的門架和較長距離的伸臂，因而具有較大的起升高度和工作幅度，能滿足港口、碼頭、船舶和車輛的機械化裝卸、轉載，充分使用港口、碼頭場地，適應船舶的空載、滿載作業(yè)，以及地面車輛的通行要求；還具有高速靈活、安全可靠的裝卸能力，對提高裝卸生產(chǎn)率，減輕繁重的體力勞動都具有重大的意義。但門座起重機也有它的缺點，如造價高，用鋼鐵材料多，要較大的電力供給，一般輪壓較大，需要堅固的地基，附屬設備也較多，如變電所、電纜、地道、坑道、電源等。門座起重機有各種分類方法，根據(jù)結構型式的不同，可分為不同的類型。（1） 以門架的結構類型為主要標志。門座起重機可以分為全門座和半門座起重機。后者不具備完整的門架，它的兩條運行軌道不在同一水平面上，一條鋪設在地面上，另一條鋪設在庫房或特設的棧橋上。（2） 以起重臂的結構類型為主要標志。門座起重機可分為四連桿組合臂架式門座起重機和單臂架式門座起重機兩種。前者的最大優(yōu)點是臂架下面的凈空高度較大，因而在一定的起升高度要求下，起重機的總高度較低，但結構復雜，重量較大，而單臂則與上述相反。目前，國內大多采用四連桿組合臂架式起重機。（3） 以上部旋轉部分相對下部運行部分旋轉的支承裝置的結構類型為主要第一章 緒論- 4 -標志。門座起重機可分為轉柱式門座起重機、定柱式門座起重機、轉盤式門座起重機和大軸承式門座起重機。轉盤式門座起重機結構復雜，加工制造困難，目前較少采用；轉柱式和定柱式整體穩(wěn)定性好，是目前常用的形式，其中轉柱式應用最多；大軸承式結構新穎、構件少，重量輕，具有廣闊的發(fā)展前景。1.2 門座起重機的結構門座起重機又簡稱為門吊（其結構如圖 1-1 所示） 、門機，是電力驅動、有軌運行的臂架類起重機之一。它的構造大體上可以分為兩大部分：上部旋轉部分和下部運行部分。上部旋轉部分安裝在一個高大的門形底架（門架）上，并相對于下部運行部分可以實現(xiàn) 360°任意旋轉。門架可以沿軌道運行，同時它又是起重機的承重部分。起重機的自重和吊重均由門架承受，并由它傳到地面軌道上。門座起重機正是由此門形底座而得名的。圖 1-1 門座起重機示意圖門座起重機的上部旋轉部分包括臂架系統(tǒng)、人字架、旋轉平臺、司機室等，還安裝有起升機構、變幅機構、旋轉機構。下部運行部分主要由門架和運行機構組成。門架底部能通火車，軌距有 3 種：能通過一列火車軌距為 6m，稱單線門架，能通過并排兩列火車的軌距為 10.5m，稱雙線門架，能通過并排三列火車的軌距為 16m，稱三線門架。碼頭前沿的門座起重機門架多屬雙線門架。門座底部裝有行車車輪或運行臺車，運行機構使整臺起重機可以沿著地面上的軌道運行。門座式起重機一般通過電纜卷筒或地溝滑觸線供電，采用電力直接驅動，只有當電力供應無法解決時才考慮采用蒸汽發(fā)電或柴油發(fā)電等復合驅動裝置。第一章 緒論- 5 -門座起重機的工作原理是：通過起升、變幅、旋轉 3 種運動的組合，可以在一個環(huán)形圓柱體空間實現(xiàn)物品的升降、移動，并通過運行機構調整整機的工作位置，故可以在較大的作業(yè)范圍內滿足運移物品的需要。因此，門座起重機的設計的主要內容即是對門座起重機四大主要機構的設計。將一個復雜的機電系統(tǒng)劃分為主要的幾個構成單元，也是進行機電設計的一般方法。隨著機電液光一體化的發(fā)展，門座式起重機的設計將融入更多的元素，那個時候門座式起重機的設計內容將劃分的更加詳細。門座起重機的整機組成如圖 1-2 所示。圖 1-2 門座起重機結構圖1.3 門座起重機的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢門座式起重機是隨著港口事業(yè)的發(fā)展而發(fā)展起來的，1890 年,第一次將幅度不可變的固定式可旋轉臂架型起重機裝在橫跨于窄碼頭上方的運行式半門座上，成為早期的港用半門座起重機，隨著碼頭寬度的加大,門座和半門座起重機并列發(fā)展，并普遍采用俯仰臂架和水平變幅系統(tǒng)。第二次世界大戰(zhàn)后，港用門座起重機迅速發(fā)展為便于多臺起重機對同一條船進行并列工作,普遍采用了轉動部分與立柱體相連的轉柱式門座起重機,或轉動部分通過大軸承與門座相連的滾動軸承式支承回轉裝置,以減小轉動部分的尾徑,并采用了減小碼頭掩蓋面的門座結構。在發(fā)展過程中，門座起重機還逐步推廣應用到作業(yè)條件與港口相近的船臺和水電站工地等處。第一章 緒論- 6 -經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國門座式起重機行業(yè)已經(jīng)形成了一定的規(guī)模，市場競爭也越發(fā)激烈。面對競爭與市場的變化和挑戰(zhàn)，近一兩年來，起重機廠家在擴大產(chǎn)能方面投入很大，有的企業(yè)已經(jīng)收到了顯著的效果，市場占有率進一步提高。我國門座式起重機產(chǎn)品的技術水平在不斷提高，但是與國際水平還有一定距離，擴大生產(chǎn)規(guī)模，提高產(chǎn)量的同時，做到技術水平的提升，將會為增強我國門座式起重機行業(yè)的競爭力。我國起重機工業(yè)有很大的發(fā)展?jié)摿?，前景很好，但同時我國起重行業(yè)目前存在的幾個突出問題：1、整體技術含量偏低，突出表現(xiàn)在產(chǎn)品的品種規(guī)格少，性能、可靠性等指標低于發(fā)達國家同類產(chǎn)品的水平。2、知名品牌寥寥無幾，能打入國際市場并享有一定聲譽的知名品牌幾乎沒有。3、產(chǎn)品低價惡性競爭嚴重，企業(yè)合理利潤難保，已嚴重制約企業(yè)生產(chǎn)技術的持續(xù)發(fā)展。未來的一段時間內，起重機的發(fā)展趨勢包括以下幾個方面：（1）大型化和專用化。用模塊化設計代替?zhèn)鹘y(tǒng)的整機設計方法，將起重機上功能基本相同的構件、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。對起重機進行改進，只需針對某幾個模塊。設計新型起重機，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。 （2）輕型化和多樣化。由于起重機是國家特種設備，必須要具備很高的安全系數(shù)，因此在過去的很長一段時間內，起重機的設計都無法擺脫龐大、厚重的慣性思維。隨著計算機技術的發(fā)展，特別是 20 世紀以來的 CAD 技術的產(chǎn)生、發(fā)展和應用，起重機設計可以利用現(xiàn)代優(yōu)化設計方法，在減少起重機冗余機構、減輕起重機質量的同時保持甚至提升起重機的工作載荷。這樣的輕質起重機易于裝配和搬運。另一方面，伴隨著工業(yè)事業(yè)的發(fā)展，起重機的設計將更加的滲入到各行各業(yè)，起重機也將變得更加的多樣化。（3）自動化和智能化。將機械技術和電子技術相結合，將先進的計算機技術、微電子技術、電力電子技術、光纜技術、液壓技術、模糊控制技術應用到第一章 緒論- 7 -機械的驅動和控制系統(tǒng)，實現(xiàn)起重機的自動化和智能化。大型高效起重機的新一代電氣控制裝置已發(fā)展為全電子數(shù)字化控制系統(tǒng)。主要由全數(shù)字化控制驅動裝置、可編程序控制器、故障診斷及數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、數(shù)字化操縱給定檢測等設備組成。變壓變頻調速、射頻數(shù)據(jù)通訊、故障自診監(jiān)控、吊具防搖的模糊控制、激光查找起吊物重心、近場感應防碰撞技術、現(xiàn)場總線、載波通訊及控制、無接觸供電及三維條形碼技術等將廣泛得到應用。使起重機具有更高的柔性，以適合多批次少批量的柔性生產(chǎn)模式，提高單機綜合自動化水平。重點開發(fā)以微處理機為核心的高性能電氣傳動裝置，使起重機具有優(yōu)良的調速和靜動特性，可進行操作的自動控制、自動顯示與記錄，起重機運行的自動保護與自動檢測，特殊場合的遠距離遙控等，以適應自動化生產(chǎn)的需要。（4）成套化和系統(tǒng)化。在起重機單機自動化的基礎上，通過計算機把各種起重運輸機械組成一個物料搬運集成系統(tǒng)，通過中央控制室的控制，與生產(chǎn)設備有機結合，與生產(chǎn)系統(tǒng)協(xié)調配合。這類起重機自動化程度高，具有信息處理功能，可將傳感器檢測出來的各種信息實施存儲、運算、邏輯判斷、變換等處理加工，進而向執(zhí)行機構發(fā)出控制指令。這類起重機還具有較好的信息輸入、輸出接口，實現(xiàn)信息全部、準確、可靠地在整個物料搬運集成系統(tǒng)中的傳輸。起重機通過系統(tǒng)集成，能形成不同機種的最佳匹配和組合，取長補短，發(fā)揮最佳效用。目前重點發(fā)展的有工廠生產(chǎn)搬運自動化系統(tǒng)，柔性加工制造系統(tǒng)，商業(yè)貨物配送集散系統(tǒng)，集裝箱裝卸搬運系統(tǒng)，交通運輸和郵電部門行包貨物的自動分揀與搬運系統(tǒng)等。 （5）新型化和實用化。采用各種高強度低合金鋼新材料，提高承載能力，改善受力條件，減輕自重和增加外形美觀。在機構方面進一步開發(fā)新型傳動零部件，簡化機構。 “三合一”運行機構是當今世界輕、中級起重機運行機構的主流，將電動機、減速器和制動器合為一體，具有結構緊湊、輕巧美觀、拆裝方便、調整簡單、運行平穩(wěn)、配套范圍大等優(yōu)點，國外已廣泛應用到各種起重機運行機構上。 在電控方面開發(fā)性能好、成本低、可靠性高的調速系統(tǒng)和電控系統(tǒng)，發(fā)展半自動和全自動操縱。采用機電儀液一體化技術，提高使用性能和可靠性，增加起重機的功能。今后會更加注重起重機的安全性，研制新型安全保護裝置。重視司機的工作條件，應用人體工程學設計司機室，降低司機的勞動強度。德國近年為解決起重機吊鉤的防擺控制，開發(fā)了模糊邏輯電路的控制技術，用神第一章 緒論- 8 -經(jīng)信息和模糊技術來尋找開始加速的最佳時刻，將有經(jīng)驗司機防擺實際操作的數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)，實現(xiàn)最優(yōu)控制。模糊控制方式能確定實施自動工作的控制指令，將人們主觀上的模糊量通過模糊集合進行數(shù)字化定量，再利用計算機實現(xiàn)像熟練司機一樣的自如操作，取得了更高的效率和安全性。模糊控制作為新的控制方法已引人注目。（6）混合型起重機。履帶起重機和輪式起重機各有利弊，將兩者取長補短后，混合型起重機應運而生，這也是起重機新型式的大膽嘗試與突破。1.4 課題研究內容本課題主要是內河港口 50T 門座式起重機的設計。門座起重機的主要結構包括起升機構、變幅機構、旋轉機構和運行機構，而我主要負責的是運行機構的設計。小組內其他三個同學各自負責另一個主要機構的設計。為了規(guī)范課題研究的方法，提高課題研究的效率，我所擬定的課題的主要研究內容如下（大致按照時間順序）：廣泛查閱起重機及門座起重機的相關知識，增加對起重機及起重機行業(yè)的感性認識，并在閱讀相關材料及文獻的同時清晰門座起重機的設計要點。另外，要有意識的查閱相關的外文文獻，了解門座起重機發(fā)展的最新動態(tài)和技術趨勢，在這個基礎上，翻譯一篇不少于 2000 字的外文文獻。和設計小組的同學一起參觀南昌港務公司昌北碼頭，實地考察內河港口門座起重機的作業(yè)情況，認真記錄好昌北碼頭門座起重機的作業(yè)的工況環(huán)境。細致觀察門座起重機的機械構成，弄清楚門座起重機的各個主要機構的，特別是運行機構的工作原理。另外在港口工程技術人員的指導下獲得更多關于門座起重機的設計要點、保養(yǎng)知識以及需要改善改進的地方。在上述工作的基礎上，確定主要工作機構（吊鉤總成、變幅懸臂、運行機構等）和金屬結構的形式；確定組合式臂架結構主要尺寸；貨物水平位移補償系統(tǒng)設計；計算工作機構、金屬結構的計算工況、計算載荷以及載荷組合；進行總體穩(wěn)定性計算；進行輪壓計算；整機穩(wěn)定性計算。所要完成的圖紙包括：（1） 繪制門座起重機總體方案圖一張；第一章 緒論- 9 -（2） 繪制運行機構裝配圖一張；（3） 繪制相關機構總成圖；（4） 繪制相關零件圖；另外，如果時間精力足夠，還應當利用三維建模軟件（如 PRO/E）建立起重機主要零部件三維裝配模型；嘗試利用 PRO/E 軟件建立整機虛擬樣機；嘗試對虛擬樣機進行運動學和動力學仿真分析。第二章 門座起重機總體設計- 10 -第二章 門座式起重機總體設計2.1 門座起重機的性能參數(shù)及工況環(huán)境起重機的技術參數(shù)表征起重機的作業(yè)能力，是設計起重機的基本依據(jù)。設計港口起重機械時，需要根據(jù)具體的情況確定起重機的主要性能參數(shù)。本次設計的港口裝卸四連桿門座式起重機的主要性能參數(shù)見表 2-1。表 2-1 主要性能參數(shù)表項目名稱 性能參數(shù)抓斗 吊鉤起重量40t最大幅度 35工作幅度最小幅度 10軌上 20 28起升高度軌下 15 15起升機構 30m/min變幅機構 50m/min回轉機構 1.4r/min工作速度運行機構 26m/min整機 A7起升機構 M8變幅機構 M7回轉機構 M7工作級別運行機構 M4基距/軌距 10.5/10.5m第二章 門座起重機總體設計- 11 -工作狀態(tài)最大風速 20m/s非工作狀態(tài)最大風速 55m/s許用輪壓 250kN軌道型號 QU70電源 380V/50Hz起重機為內河港口起重機，港口的最大風速為 8 級。在設計起重機時，安全系數(shù)取為 1.2。起重機的使用年限是 15 年，每天工作 8 個小時。2.2 確定起重機設計主要內容港口門座式起重機主要由鋼結構、機構與電氣系統(tǒng)三大部分組成。鋼結構主要指臂架系統(tǒng)、平衡重系統(tǒng)、回轉平臺、人字架、立柱、均衡梁、機房、司機室等；機構有起升機構、變幅機構、回轉機構以及運行機構；電氣系統(tǒng)包括供電、電器與電氣控制等。2.2.1 起升機構的組成及工作原理在起重機中，起升機構主要用于實現(xiàn)貨物的提升或下降。它是起重機中最重要、最基本的機構，其工作的好壞直接影響整臺起重機的工作性能。起升機構通常有以下幾個方面的任務：1） 起升、放置重物以及與其他機構配合實現(xiàn)貨物的位移。2） 機構能夠以各種不同的速度起升和下降重物。3） 能夠隨時制動，使貨物停留在空中任意位置。4） 在電動機突然斷電的情況下，重物能夠懸在空中。5） 當電機通電后，整個機構恢復正常工作狀態(tài)。起升機構一般由驅動裝置、鋼絲繩卷繞系統(tǒng)、取物裝置和安全保護裝置等組成。驅動裝置包括電動機、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、第二章 門座起重機總體設計- 12 -電磁吸盤、吊具、掛件等多種型式。安全保護裝置有超重負荷限制器、起升高度限位開器、下降深度限位器、超速保護開關等。各大部件根據(jù)實際需要配用。下圖 2-1 以電動機驅動的雙聯(lián)起升機構為例說明其一般組成：1——電動機；2——聯(lián)軸器（帶制動輪） ；3——制動器；4——減速器；5——齒型聯(lián)軸器；6——卷筒；7——起升鋼絲繩；8——取物裝置圖 2-1 電機驅動起升機構起升機構的總體布置方式在很大程度上取決于驅動裝置型式，在港口起重機中，起重機的驅動形式有兩種：集中驅動和分別驅動。而電機分別驅動型式的最為常見，起重機的各個機構都有各自的電機驅動，分組性好，布置、安裝維修都很方便，操作控制系統(tǒng)簡單。電機與卷筒平行布置是門座起重機中最多的布置方案。通過聯(lián)軸器和減速器傳遞電機的轉動，從而使卷筒旋轉。電機的輸出扭矩通過減速器放大驅動卷筒，使鋼絲繩從卷筒上卷入或放出，從而實現(xiàn)貨物的上升或下降。卷筒的正反轉需借助電機的正反轉實現(xiàn)，而貨物的減速和停止又是依靠制動裝置實現(xiàn)。第二章 門座起重機總體設計- 13 -起升機構中起升鋼絲繩的卷繞系統(tǒng)是起升結構的重要部分，起著運動形式轉換的作用。其結構形式又取決于起重機的起重量、作業(yè)對象及起重臂架系統(tǒng)型式。港口起重機前臂架多為四連桿組合臂架系統(tǒng)和單搖桿臂架系統(tǒng)，為了適應單件雜貨、散貨的裝卸，一般有兩種取物裝置，吊鉤組或雙繩（四繩）抓斗。相應的滑輪組的卷繞方式有兩套單聯(lián)（適用于吊鉤或雙繩抓斗） 、兩套雙聯(lián)（適用于吊鉤和四繩抓斗） ，卷繞系統(tǒng)示意圖如下（圖 2-2）：兩套單聯(lián) 兩套雙聯(lián)圖 2-2 門座起重機卷繞系統(tǒng)示意圖根據(jù)卷繞系統(tǒng)的不同，相應的有不同型式的起升絞車。1） 吊鉤起升絞車，如下圖 2-3、2-4 所示：圖 2-3 單聯(lián)吊鉤絞車 圖 2-4 雙聯(lián)吊鉤絞車2） 抓斗起升絞車（常用雙電機分別驅動） ，如下圖 2-5、2-6 所示：第二章 門座起重機總體設計- 14 -圖 2-5 雙繩抓斗絞車 圖 2-6 四繩抓斗絞車畢業(yè)設計所針對港口門座式起重機 MQ4035 主要在港口使用吊鉤起升搬運貨物，因此起升機構只需要一套電機驅動，并且其吊鉤起升絞車為雙聯(lián)結構，因此 MQ4035 為單套雙聯(lián)卷繞系統(tǒng)。其起升卷繞系統(tǒng)如圖 2-7 所示：單套雙聯(lián)卷繞系統(tǒng)圖 2-7 MQ4037 起升卷繞系統(tǒng)對應的，MQ5037 起升絞車的布置形式如圖 2-8 所示：第二章 門座起重機總體設計- 15 -圖 2-8 起升驅動機構示意圖2.2.2 變幅機構的組成及工作原理變幅機構是用來實現(xiàn)臂架俯仰，以改變工作幅度的機構。它主要有兩個方面的作用：一是在滿足起重機工作穩(wěn)定性的條件下，改變幅度，以調整起重機有效起重量或調整取物裝置工作位置；二是在起重量的最大幅度與最小幅度之間運移貨物，以擴大起重機的作業(yè)范圍。港口裝卸用門座起重機變幅機構的作用主要是指后者，它與其他機構聯(lián)合作業(yè)，實現(xiàn)貨物的運移。為了實現(xiàn)起重機幅度的改變，變幅機構由兩大部分組成：臂架系統(tǒng)與變幅驅動系統(tǒng)。下面首先介紹臂架系統(tǒng)的總體設計。臂架系統(tǒng)的總體設計變幅機構根據(jù)變幅方法可分為兩種基本形式：運行小車式和擺動臂架式。運行小車式變幅機構用于小型固定式旋轉起重機，作為制造和修理車間的小型起重機設備，在港口裝卸作業(yè)中很少采用。擺動臂架式變幅機構，幅度的改變是靠擺動臂來實現(xiàn)的。港口門座起重機的變幅機構幾乎全屬此類。擺動臂架式變幅機構主要由擺動臂架、驅動裝置、傳動裝置、制動裝置所組成。此外，還有操縱設備、安全裝置等。根據(jù)變幅機構的工作性質有可分為非工作性變幅機構和工作性變幅機構。非工作性變幅機構只是用來調整幅度，在裝卸作業(yè)中，幅度不變。第二章 門座起重機總體設計- 16 -工作性幅度機構在裝卸作業(yè)時，通過改變幅度來運移貨物，以擴大起重機的服務面積和提高工作機動性。港口起重機為提高裝卸效率，要求變幅機構能夠實現(xiàn)工作性變幅。其特征是：這種變幅是在帶載條件下進行的，變幅頻繁，變幅過程成為起重機每一個工作循環(huán)的主要工序之一，變幅速度對裝卸生產(chǎn)率有直接的影響，故在這類變幅機構中，一般都應采用較高的變幅速度，以提高裝卸生產(chǎn)率。本次畢業(yè)設計所設計的港口工作的門座起重機的變幅機構是擺動臂架式的工作性變幅機構。其變幅機構應該滿足下面兩點要求：1） 載重水平位移。使載重在變幅時沿水平線或接近于水平線的軌跡移動。2） 臂架自重平衡。使臂架系統(tǒng)的總重心高度在變幅時保持不變或變化很小。為使載重在變幅過程中沿水平線或近似水平線移動，可以采用多種形式來達到，但基本上可以歸納為兩種類型：起升繩補償法（也稱為繩索補償法）和組合臂架法。MQ4037 采用的是組合臂架式變幅機構，因此可以使用組合臂架法使載重水平位移。組合臂架法的基本設計方法是機械原理中所學的關于四連桿機構定軌跡的設計方法。本次設計中，吊重水平位移補償系統(tǒng)所采用的是四連桿式組合臂架，臂架系統(tǒng)是組合式的，它由臂架、象鼻梁和剛性拉桿三部分組成，連同機架一起組成一個平面四連桿機構。如果臂架的尺寸選擇合適，則在有效幅度內，象鼻梁的端點將沿著接近水平線的軌跡移動。當起升繩沿著拉桿或臂架到象鼻梁從其頭部引出時，可滿足物品水平變幅的要求。使用這種補償系統(tǒng)物品懸掛長度減小，擺動現(xiàn)象減輕，起升繩的長度和磨損減小，起升滑輪組倍率的大小對補償系統(tǒng)沒有影響。剛性拉桿組合臂架是組合臂架方案中最廣泛采用的一種型式，圖 2-9 示出了其變幅時吊重保持水平移動的原理，剛性拉組合臂架臂架 1、象鼻梁 2、剛性拉桿 3 組成，三構件與機架構成一平面四連桿機構，這種方案又稱為四連桿組合臂架系統(tǒng)。當臂架俯仰運動時，象鼻梁端點的運動軌跡為一雙葉曲線。如果臂架系統(tǒng)尺寸及機架 O 和 D1 位置選擇適當，則在有效工作幅度范圍 S 內，象鼻梁端點運動軌跡 ab 段接近為一水平線，這時只要起升繩沿臂架系第二章 門座起重機總體設計- 17 -統(tǒng)構件的軸線布置，并從象鼻梁端點引出，就可以實現(xiàn)吊重沿接近水平線軌跡移動。四連桿臂架系統(tǒng)的主要優(yōu)點是臂架下的工作空間較大，鋼絲繩的懸掛長度不變，貨載擺動現(xiàn)象減小。其缺點是：臂架為葙型結構，自重較重，結構復雜，迎風面積也較大，在變幅過程中，臂架難以沿嚴格的水平線變幅。四連桿機構定軌跡的設計在要求不是十分精確地情況下可以采用作圖法進行設計。最后可以利用軟件對四連桿機構的目標點的軌跡的水平度進行校核圖 2-9 剛性拉桿組合臂架工作原理除了載重的水平位移補償外，也必須對臂架的自重進行補償，以使臂架調運貨物時載荷穩(wěn)定。利用臂架的俯仰來改變幅度時，臂架系統(tǒng)重心的高度也在不斷的變化，為了使臂架系統(tǒng)的重心盡可能不發(fā)生升降現(xiàn)象，以免由于重心升降時需要做功而引起變幅機構驅動功率的增大，可以采用多種構造形式來達到。在這里采用了港口普遍采用的利用活配重使臂架系統(tǒng)合成重心位置在變幅過程中，接近于水平線的軌跡移動的方案。第二章 門座起重機總體設計- 18 -圖 2-10 杠桿-活配重法臂架平衡系統(tǒng)工作原理圖圖 2-10 所示為利用桿杠活配重法來獲得臂架自重平衡的工作原理簡圖?；钆渲嘏c臂架分離，繞各自鉸軸擺動，采用杠桿連接使之組成非平行四邊形的四桿機構。這種平衡法的基本原理為：不再是保持臂架和配重的合成重心位置不變，而是根據(jù)變幅過程中，臂架位能的增加（或減少）值等于活配重位能相應地減少（或增加）值，使臂架系統(tǒng)在各個變幅位置保持總位能不變。這種方案與尾重法相比較，在臂架擺動角度相同的條件下：活配重擺動角度顯著增大，從而增大了活配重的升降高度，以至于減輕了活配重的重量。同時它把臂架系統(tǒng)分成臂架與配重兩部分，配重被移到起重機旋轉中心線較遠的地方，兩者用杠桿聯(lián)系起來，由于杠桿的放大原理，使配重重量大大地減輕，并可充分發(fā)揮配重對起重機穩(wěn)定性的作用，它在總體布置上，要比尾重法方便得多。但是這種平衡方案不能做到臂架系統(tǒng)的完全平衡。只要把四桿機構的尺寸和配重的重量選得合適，可以使誤差縮減到很小的程度，安全能滿足對臂架平衡系統(tǒng)提出的要求。由于這種方案優(yōu)點較多，因此，目前應用最普遍，門座起重機基本上都采用此種平衡方法，因此，畢業(yè)設計所設計的門座起重機也采用這個方法。變幅驅動系統(tǒng)總體設計為使臂架繞其鉸軸擺動來改變起吊貨物的位置，就必須有一套專門的驅動第二章 門座起重機總體設計- 19 -機構。根據(jù)變幅機構工作性質和要求不同，出現(xiàn)了多種傳動機構，如齒條、螺桿螺母、液壓等。下面簡要介紹經(jīng)常使用的齒條和螺桿螺母驅動機構。1） 螺桿螺母變幅驅動機構圖 2-11 螺桿螺母傳動變幅機構筒圖1—機；2－減速器；3－轉動的螺母；4－不轉動的螺桿；5－臂架；6－轉動的螺桿；7－不轉動的螺母圖 2-11 為螺桿螺母傳動變幅機構筒圖。這種傳動方案的主要優(yōu)點是：由于螺桿螺母傳動本身具有很大的傳動比，因而使整個傳動裝置緊湊、重量輕、變幅平穩(wěn)無沖擊。主要缺點是：效率低，非密封條件下工作或潤滑不良時，磨損快，螺母的螺紋磨損后不易檢查。近來出現(xiàn)的滾珠螺桿（見圖 2-12）能夠克服上述的這些缺點。這是一種有前途的變幅傳動方式。但由于制造工藝復雜，還沒有廣泛采用。圖 2-12 滾動螺桿第二章 門座起重機總體設計- 20 -1-支座；2-鍵槽； 3-螺桿；4-滾珠；5- 驅動齒輪； 6-軸承；7-螺母2） 齒條變幅驅動機構圖 2-13 為齒條傳動的變幅機構簡圖。臂架直接由齒條推動，齒條則由裝設在機器房頂上的電動機通過一個封閉式的三級圓柱齒輪減速器減速后，帶動一個小齒輪，由小齒輪的旋轉運動驅動齒條做直線運動，從而推動臂架繞其軸心擺動。對于較大型的起重機，齒條常制成針齒的形狀，以便制造和維修工作。圖 2-13 齒條傳動的變幅機構驅動簡圖1-電動機；2-液壓推桿制動器；3-圓柱齒輪減速器；4-齒型連軸節(jié)；5-齒條因為在變幅時振動和沖擊都較大，所以在齒條頭部裝設橡膠緩沖裝置或液壓緩沖裝置。另外，為了避免由于齒條超程而使臂架脫落，確保變幅機構安全工作，齒條在變幅有效區(qū)段內兩端都設有行程開關。這種傳動方式的主要優(yōu)點是：結構緊湊，重量輕，可以雙向受力，效率高。缺點是：因為存在齒間間隙，起、制動時有沖擊；齒條傳動是開式傳動，工作條件差，所以齒面易磨損。這種傳動方式由于可以在效率較高的前提下，獲得相當緊湊的結構，因而，在工作性變幅機構中得到廣泛的應用。本機變幅機構采用單根齒條驅動變幅，傳動系統(tǒng)主要由電動機、傳動軸、制動器、減速器、聯(lián)軸器、小齒輪、齒條和搖架等組成。當電機工作時，齒條作直線往復運動，以驅動組合臂架搖擺而適應各幅度位置的變化。搖架作為運動齒條的導向滑輪裝置，可繞鉸點轉動。小齒輪與齒條的嚙合間隙用三個帶有第二章 門座起重機總體設計- 21 -偏心軸的導向輪來調整。電動機與減速器的鏈接采用浮動傳動軸，在減速器的高速軸端裝有一套制動器，在臂架的下鉸點裝有減速開關，在搖架上裝有兩級終端限位保護器，在齒條箱的終端還設置有安全擋塊。變幅機構驅動傳遞路徑：變頻電機→鼓型齒形聯(lián)軸器→浮動軸→鼓型帶制動輪齒形聯(lián)軸器→減速器→低速軸鼓型齒形聯(lián)軸器→齒條支承搖架→齒條。它是采用變頻調速的方法，由電控 PLC、變頻器實現(xiàn)，具有良好的調速性能。變幅機構的傳動簡圖如圖 2-14 所示。圖 2-14 變幅機構傳動簡圖1—減速器；2—低速軸齒形聯(lián)軸器；3—制動器罩；4—制動器；5—帶制動輪齒形聯(lián)軸器；6—浮動軸；7—齒條總成；8—高速軸齒形聯(lián)軸器；9—電動機變幅緩沖裝置在臂架類起重機中，由于臂架系統(tǒng)自重和起吊貨物的重量，使得變幅機構工作時起、制動產(chǎn)生的沖擊很大，為了減緩沖擊和振動，必須在變幅機構中安裝緩沖裝置。常用的緩沖裝置有彈簧緩沖器、橡膠緩沖器（如圖 2-15） 、液壓彈簧緩沖器（圖 2-16） 。第二章 門座起重機總體設計- 22 -圖 2-15 橡膠緩沖器彈簧緩沖器內部彈簧為螺旋式壓力彈簧。這種緩沖器構造簡單，維護修理簡單，使用壽命長。其工作原理是：彈簧受壓，吸收能量減少沖擊。橡膠緩沖器內部有一組特制的橡膠墊，每塊橡膠墊之間有一個金屬墊隔離。為了增加橡膠墊的使用壽命，在其中間加入一個金屬墊片。這種緩沖器緩沖效果好，但對橡膠質量要求高，結構復雜，修理麻煩。其工作原理是橡膠墊受壓縮變形，吸收能量，減少沖擊。液壓彈簧緩沖器由阻尼油缸和緩沖彈簧制成的。阻尼油缸的阻尼大小可通過調整活塞兩側節(jié)流閥的開度來達到的。它的工作原理是依靠阻尼油缸的工作油節(jié)流發(fā)熱，吸收能量和彈簧壓縮變形吸收能量來減少沖擊。圖 2-16 液壓彈簧緩沖器1-活塞；2-缸體；3-節(jié)流閥；4-密封圈；5-彈簧；6-限位套筒；7-調節(jié)螺栓緩沖器通常安裝在機構與臂架之間的連接件上。由于液壓彈簧緩沖器具有良好的阻尼效果，便于安裝和調試，安全性高，因此本畢業(yè)設計采用的是液壓彈簧阻尼器。第二章 門座起重機總體設計- 23 -2.2.3 旋轉機構的組成及工作原理旋轉機構是用來支承旋轉部分重量，并驅使旋轉部分相對于不旋轉部分做旋轉運動的工作機構。它的作用是使被起吊的貨物圍繞起重機的旋轉中心做旋轉運動，以達到在水平面內運移貨物的目的。旋轉機構是起重機的主要工作機構之一。它只有與其他機構配合作業(yè)，才能將貨物運送到起重機工作空間范圍內的任何地方。當單獨用旋轉機構工作時，己被起吊的貨物移動范圍只是一個狹窄的圓環(huán)面（圖 2-17（a） ） ；當旋轉機構和變幅機構、起升機構聯(lián)合作用時，其工作范圍是環(huán)形圓柱體空間，在平面內是一個較寬的圓環(huán)（圖 2-17（b） ） ；當旋轉機構與運行機構、起升機構聯(lián)合作用時，其工作范圍擴大到相當大的空間（圖 2-17（c） ） 。圖 2-17 旋轉機構工作空間示意圖起重機的旋轉機構，不論其結構如何，均是由旋轉支承裝置和旋轉驅動裝置兩部分所組成的。旋轉支承裝置是用來保證起重機的旋轉部分和不旋轉部分的對中，并把旋轉部分的力（包括垂直力、水平力和傾翻力矩）傳遞給起重機的不旋轉部分的裝置。旋轉驅動裝置是實現(xiàn)起重機旋轉部分相對于不旋轉部分轉動的執(zhí)行機構。目前港口門座起重機采用的柱式旋轉支承裝置主要是由一個柱、兩個水平支承和一個垂直推力支承組成的。有時用一個向心推力支承來代替一個水平支承和垂直推力支承。根據(jù)柱是固定或旋轉，柱式旋轉支承裝置又分為定柱式和轉柱式旋轉支承裝置兩種。兩者的區(qū)別可見下圖 2-18（a）轉柱式支承和圖 2-18（b）定柱式支承。第二章 門座起重機總體設計- 24 -圖 2-18（a）轉柱式支承圖 2-18（b）定柱式支承由于轉柱式支承裝置具有結構簡單、制造方便、精度要求不高等優(yōu)點 ，因此被廣泛地應用于門座起重機。本次設計中，回轉機構采用的是轉柱式支承裝置，這種回轉支承上支承包括裝在轉柱上的水平滾輪和固定在門座上的環(huán)形軌道組成。當轉柱旋轉時，水平滾輪就沿軌道滾動。下支承是由裝在門座下十字橫梁上的推動軸承和球面徑向滾動軸承組成的。門座起重機回轉部分固定在大的轉柱上并由門座外圈上的齒圈實現(xiàn)起重機回轉部分相對于固定部分的回轉。旋轉驅動機構是用來實現(xiàn)起重機旋轉部分相對于不旋轉部分轉動的動力和速度的傳動裝置。這種裝置能滿足起重機低速正反轉、制動平穩(wěn)、安全可靠的要求。從受力方面考慮，旋轉驅