10噸位橋式起重機(jī)總體設(shè)計(jì)【說(shuō)明書(shū)+CAD】

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In general,overhead travelling crane is composed of srane span structure,hoisting mechanism ,wheeling mechanism,travelling mechanism of the larger traveller ,control carbin,the car conductive device,the general supply conductive device of srane etc.This design uses the electric double girder overhead travelling crane research. The full text is divided into 5 parts to complete this design topic content: The first part is the preface.In this part,the effect of crane, the development of the situation and existing problems of lifting equipment at home and abroad,the development direction of China will be introduced. The second part is the determination of the overall layout of the structure.This part mainly analyzes the work characteristics and technical parameters of the crane.The constiturnt part of layout scheme include hoisting mechanism , wheeling mechanism,travelling mechanism of the larger traveller and calculation of wheel pressure will also be mentioned.This part include The third part is the design of the bridge structure.It includes the main dimensions of overhead travelling crane such as the wheelbase of cart,height of main beam,end beam heigt,layout size of the stiffened plate and so on. We will consider the checking of calculating load,box structure beam and main weid. The fourth part is the design of electrical part.The fundamental and development status of frequency control will be talked about. Overhead travelling crane，hoisting mechanism，cart and trolley all need consider frequency control.There is a design of global PLC. In the last part ,according to the conclusion,the paper has made analysis and summary to this design,giving the basic size and electrical part of Overhead travelling crane to be proved,pointing to the deficiencies and needing improvements of the argument. Key words: Overhead travelling crane; ,hoisting mechanism; bridge structure; PLC 目 錄 摘 要 III Abstract IV 目 錄 V 1 緒論 1 1.1 引言 1 1.2 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀 1 1.3 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀和目標(biāo) 1 2 起重機(jī)總體結(jié)構(gòu)的布置方案 2 2.1 起重機(jī)工作時(shí)的特點(diǎn) 2 2.2 起重機(jī)主要參數(shù)的確定 2 2.3 起重機(jī)的主要組成部分 2 2.3.1 起升機(jī)構(gòu)的布置方案 2 2.3.2 小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的布置方案 3 2.3.3 大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的布置方案 4 2.4 起重機(jī)的輪壓的計(jì)算 4 2.4.1 橋架支撐反力的計(jì)算 4 2.4.2 小車(chē)支承反力的計(jì)算 6 3 橋式起重機(jī)橋架結(jié)構(gòu)的計(jì)算 7 3.1 主要尺寸的確定 7 3.1.1 已確定尺寸 7 3.1.2 大車(chē)輪距的計(jì)算 7 3.1.3 主梁高度的計(jì)算 7 3.1.4 端梁高度的計(jì)算 7 3.1.5 橋架端部梯形高度的計(jì)算 7 3.1.6 主梁腹板高度的選用 7 3.1.7 主梁截面尺寸的確定 7 3.1.8 加勁板的布置尺寸 8 3.2 計(jì)算載荷 10 3.2.1 固定載荷的計(jì)算 10 3.2.2 移動(dòng)載荷的計(jì)算 11 3.2.3 水平慣性載荷的計(jì)算 11 3.2.4 車(chē)輪側(cè)向載荷的計(jì)算 12 3.2.5 載荷組合 12 3.3 箱形結(jié)構(gòu)主梁的計(jì)算 13 3.3.1 主梁垂直方向最大彎矩和剪力的計(jì)算情況 13 3.3.2 主梁水平方向最大彎矩的計(jì)算 14 3.3.3 主梁的強(qiáng)度驗(yàn)算 15 3.3.4 主梁的垂直剛度驗(yàn)算 17 3.3.5 主梁的水平剛度驗(yàn)算 17 3.4 主要焊縫的計(jì)算 18 3.4.1 主梁與端梁的連接焊縫 18 3.4.2 主梁上蓋板焊縫 18 3.5 計(jì)算總結(jié) 19 4 電氣部分的設(shè)計(jì) 20 4. 1 變頻調(diào)速的基本原理及發(fā)展現(xiàn)狀 20 4.1.1 變頻器工作原理 20 4.1.2 變頻調(diào)速的方式 20 4.1.3 變頻器的類(lèi)型 21 4.1.4 變頻調(diào)速時(shí)電動(dòng)機(jī)的過(guò)渡狀態(tài) 21 4.1.5 變頻器的功能 22 4.2 橋式起重機(jī)的變頻調(diào)速 23 4.2.1 橋式起重機(jī)的負(fù)載特點(diǎn) 23 4.2.2 橋式起重機(jī)的調(diào)速方法和節(jié)能比較 23 4.2.3 電動(dòng)機(jī)容量選擇 25 4.2.4 變頻器容量選擇 25 4.3 起升機(jī)構(gòu)的變頻調(diào)速 25 4.3.1 起升機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩分析 25 4.3.2 起升過(guò)程中電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài) 26 4.3.3 起升機(jī)構(gòu)對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)的要求 27 4.3.4 起升機(jī)構(gòu)變頻器的調(diào)速方案 27 4.4 大車(chē)的變頻調(diào)速 29 4.4.1 大車(chē)拖動(dòng)系統(tǒng) 29 4.4.2 大車(chē)變頻調(diào)速控制要點(diǎn) 29 4.5 小車(chē)的變頻調(diào)速 30 4.6 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 30 4.6.1 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則 30 4.6.2 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟 31 4.6.3 PLC制控系統(tǒng)的類(lèi)型 31 4.6.4 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 31 5 結(jié)論與展望 42 5.1 結(jié)論 42 5.2 不足及展望 42 致謝 43 參考文獻(xiàn) 44 V 十噸位橋式起重機(jī)總體設(shè)計(jì) 1 緒論 1.1 引言 起重機(jī)最基本要求是對(duì)物體進(jìn)行垂直升降，同時(shí)帶動(dòng)物體在較短的一段距離進(jìn)行移動(dòng)，以此來(lái)適應(yīng)物體在不同狀態(tài)下的需求。隨著時(shí)代的發(fā)展，起重機(jī)在現(xiàn)代生活中扮演著越來(lái)越重要的角色，它為人們節(jié)省了大量的人力、物力并在機(jī)械自動(dòng)化方面得到進(jìn)一步的發(fā)展。 因?yàn)榭雌饋?lái)像金屬的橋架，橋式起重機(jī)因此得名。橋式起重機(jī)主要被放置在倉(cāng)庫(kù)、工廠等場(chǎng)所并只能在指定的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行工作。 1.2 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀 在國(guó)外，起重機(jī)發(fā)展速度較快，水平較高。國(guó)外在集成電路、微處理器、微型計(jì)算器及電子監(jiān)控技術(shù)等方面具有較大的運(yùn)用，并在節(jié)能、環(huán)保方面等方面加大了投入。 1.3 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀和目標(biāo) 隨著時(shí)代的發(fā)展，我國(guó)起重機(jī)械的種類(lèi)不斷增加，但在集成電路和微型計(jì)算機(jī)方面仍需不斷加強(qiáng)。對(duì)比國(guó)外發(fā)展情況，我國(guó)應(yīng)大力發(fā)展機(jī)電一體化產(chǎn)品，加強(qiáng)起重機(jī)可靠性和技術(shù)水平，應(yīng)用新技術(shù)來(lái)改善惡劣工作條件，進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量。 相關(guān)業(yè)內(nèi)人士指出，未來(lái)全球起重機(jī)行業(yè)將向重點(diǎn)產(chǎn)品大型化、高速化和專(zhuān)業(yè)化方向，系列產(chǎn)品模塊化、組合化、標(biāo)準(zhǔn)化和實(shí)用化方向及通用產(chǎn)品小型化、輕型化、簡(jiǎn)易化和多樣化方向發(fā)展。因此本土起重行業(yè)應(yīng)加大開(kāi)發(fā)，注重人才的培養(yǎng)和引進(jìn)，切實(shí)增強(qiáng)行業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，積極參與國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。 2 橋式起重機(jī)總體結(jié)構(gòu)上布置方案的確定 2.1 起重機(jī)工作時(shí)的特點(diǎn) 起重機(jī)械是間歇?jiǎng)幼鞑⒕哂幸欢ǖ闹貜?fù)特點(diǎn)，在搬運(yùn)物體時(shí)，首先起升重物，然后進(jìn)行水平方向的移動(dòng)，隨著降落被吊物會(huì)回到原始位置。像起升機(jī)構(gòu)包括空載和負(fù)載兩種升降情況，而對(duì)于大車(chē)這類(lèi)運(yùn)行機(jī)構(gòu)則具有空載和負(fù)載下的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。對(duì)于起重機(jī)械的一個(gè)工作循環(huán)，即搬運(yùn)一次物品的過(guò)程中，相關(guān)的工作機(jī)構(gòu)需要進(jìn)行一次正向和反向的運(yùn)動(dòng)。對(duì)于起重機(jī)械和連續(xù)運(yùn)輸機(jī)械的區(qū)別就在于前者是以周期性的短暫工作循環(huán)往復(fù)運(yùn)送物品，而后者是以長(zhǎng)期連續(xù)單向的工作運(yùn)送物品。就是這種差異導(dǎo)致起重機(jī)械與連續(xù)運(yùn)輸在結(jié)構(gòu)和用途上有著區(qū)別。 2.2 起重機(jī)主要參數(shù)的確定 對(duì)于起重機(jī)，它的主要參數(shù)有額定起重量、上升高度、起升速度、主梁跨度、大車(chē)額定工作速度、小車(chē)額定工作速度、起重機(jī)總質(zhì)量、軌距、大小車(chē)輪距、最大和最小輪壓和額定工作級(jí)別。 其具體數(shù)值如下： ;; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ;; ;額定工作級(jí)別為。 2.3 起重機(jī)的主要組成部分 一個(gè)正常起重機(jī)由運(yùn)行機(jī)構(gòu)和起升機(jī)構(gòu)、橋架金屬結(jié)構(gòu)和電力設(shè)施組成。其中運(yùn)行機(jī)構(gòu)和起升機(jī)構(gòu)是使物體作升降及水平方向上的移動(dòng)，以此來(lái)完成一個(gè)周期運(yùn)動(dòng)。 橋架金屬結(jié)構(gòu)是根據(jù)起重機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，像運(yùn)行機(jī)構(gòu)和起升機(jī)構(gòu)、被掉重物、橋架本身等這些重力將作用在金屬結(jié)構(gòu)上并要滿(mǎn)足一定條件下載荷的要求。 電力設(shè)施為起重機(jī)提供動(dòng)力來(lái)源，并相應(yīng)提供一些輔助功能。 2.3.1 起升機(jī)構(gòu)的布置方案 本起升機(jī)構(gòu)由吊鉤，鋼絲繩，制動(dòng)器，減速器，電動(dòng)機(jī)等部分組成，其中有些零件采用標(biāo)準(zhǔn)件。 起升機(jī)構(gòu)的連接方式為：電動(dòng)機(jī)依靠聯(lián)軸器同減速器進(jìn)行連接，再經(jīng)過(guò)減速器與卷筒相連，而卷筒上的鋼絲繩因?yàn)檫B著吊鉤而使物體可以進(jìn)行升降。 起升機(jī)構(gòu)需先確定技術(shù)參數(shù)方可考慮布置方案。主要的標(biāo)準(zhǔn)件根據(jù)計(jì)算進(jìn)行選用，而非標(biāo)準(zhǔn)件要對(duì)零件受彎矩、剪力和組合載荷等情況進(jìn)行考慮。 布置方案如圖2.1所示： 圖2.1 起升機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)簡(jiǎn)圖 2.3.2 小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的布置方案 小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)依靠電動(dòng)機(jī)與聯(lián)軸器相連，并通過(guò)減速器，低速聯(lián)軸器與小車(chē)主動(dòng)輪進(jìn)行連接。 起重小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的功能是讓小車(chē)在水平方向進(jìn)行移動(dòng)，使被吊重物能改變工作位置從而滿(mǎn)足不同要求，而被吊重物又可通過(guò)小車(chē)傳遞載荷。 小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)分為支撐裝置和驅(qū)動(dòng)裝置。支撐裝置主要通過(guò)車(chē)輪組傳遞載荷。運(yùn)行時(shí)可通過(guò)平衡梁來(lái)減小輪壓，而緩沖器安裝在小車(chē)上可保證運(yùn)行的安全。因?yàn)殚_(kāi)式齒輪摩擦嚴(yán)重，因此驅(qū)動(dòng)裝置采用閉式齒輪傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)方式為集中驅(qū)動(dòng)，小車(chē)傳動(dòng)方案如圖2.2所示： 圖2.2小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)簡(jiǎn)圖 1、電動(dòng)機(jī) 2、制動(dòng)器 3、減速器 4、車(chē)輪 5聯(lián)軸器 6浮動(dòng)軸 7聯(lián)軸器 本方案?jìng)鲃?dòng)軸所受的扭矩較小，每邊軸的扭矩是減速器輸出軸扭矩的一半。減速器輸出軸與車(chē)輪軸之間的聯(lián)接采用了半齒聯(lián)軸器5和浮動(dòng)軸6，因而便于安裝，且允許有較大的安裝誤差。由于齒輪的維護(hù)保養(yǎng)條件好，齒輪傳動(dòng)構(gòu)成獨(dú)立的減速器部件，因而機(jī)構(gòu)的拆裝分組性好。但這種方案中，車(chē)輪軸承和聯(lián)軸器不可避免增多會(huì)使運(yùn)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，造成制造難度加大。 2.3.3 大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的布置方案 在連接方式上，大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)和小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)基本相同，都是通過(guò)電動(dòng)機(jī)與聯(lián)軸器，減速器的連接將動(dòng)力矩傳遞到到主動(dòng)車(chē)輪組上，其與小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的主要區(qū)別在于兩者間軌距的差別。 因?yàn)榇筌?chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)比起小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)對(duì)負(fù)載的要求更大，所以大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)采用分別驅(qū)動(dòng)，這樣即方便了安裝又不會(huì)因一側(cè)電動(dòng)機(jī)損壞而在運(yùn)行時(shí)造成停止。傳動(dòng)方案如圖2.3所示： 圖2.3 大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)簡(jiǎn)圖 1、電動(dòng)機(jī) 2、制動(dòng)器 3、聯(lián)軸器 4、浮動(dòng)軸 5、聯(lián)軸器6、減速器 7、軸承座 8車(chē)輪 2.4 起重機(jī)的輪壓的計(jì)算 2.4.1 橋架支撐反力的計(jì)算 考慮到橋架部分為柔性支撐架結(jié)構(gòu)。暫定橋架重心與橋架支承平面交與O1點(diǎn)，此時(shí)設(shè)小車(chē)的重心位于x—x軸線(xiàn)上（如圖2.4），那么橋架各支承點(diǎn)在靜止?fàn)顟B(tài)下的支承反力如下： 圖2.4 橋架支承反力計(jì)算圖 (2.1) (2.2) (2.3) (2.4) 式中：: 橋架自身重量（N） : 小車(chē)自重（N） : 起升載荷（N） : 起重機(jī)運(yùn)行部分自身重量（N） : 從動(dòng)車(chē)輪組自重（N） : 小車(chē)與橋架重心間的距離（m） : 物品與小車(chē)重心間的距離（m） : 起重機(jī)跨度（m） 當(dāng)小車(chē)位于右端極限位置時(shí)，、達(dá)到最大值；當(dāng)小車(chē)位于左端極限位置時(shí)，、達(dá)到最大值。 當(dāng)小車(chē)處于右極限位置時(shí)； 當(dāng)小車(chē)處于左極限位置時(shí)； 2.4.2 小車(chē)支承反力的計(jì)算 由于小車(chē)車(chē)架剛度很大，所以為剛性支承架，小車(chē)各支承點(diǎn)的支承反力如下計(jì)算： (2.5) (2.6) 式中b為小車(chē)輪距（m），其它符號(hào)同前。 故： 3 橋式起重機(jī)橋架結(jié)構(gòu)的計(jì)算 3.1 主要尺寸的確定 3.1.1 已確定尺寸 根據(jù)前面所知數(shù)據(jù)：額定起重量；主梁跨度；大車(chē)正常工作速度;小車(chē)的軌距；小車(chē)基距；額定速度;起重機(jī)工作額定級(jí)別為6級(jí)；大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)以分別驅(qū)動(dòng)進(jìn)行工作：;;;;。 3.1.2 大車(chē)輪距的計(jì)算 根據(jù)公式（3.1）計(jì)算大車(chē)輪距 (3.1) 得： 取 3.1.3 主梁高度的計(jì)算 根據(jù)公式（3.2）計(jì)算主梁高度 (3.2) 得： （理論值） 3.1.4 端梁高度的計(jì)算 端梁高度由公式（3.3）進(jìn)行計(jì)算 (3.3) 得： 取 3.1.5 橋架端部上梯形高度大小 由公式（3.4）可知端部梯形高度為 （3.4） 得: 取 3.1.6 主梁腹板高度的選用 由上可知主梁計(jì)算高度為 3.1.7 主梁截面尺寸的確定 主梁中間截面各構(gòu)件板厚根據(jù)表3-1推薦確定如下： 表3-1 箱型主梁腹板和蓋板厚度的薦用值 選取腹板厚；上下蓋板厚主梁兩腹板間距根據(jù)公式（3.5）（3.6）來(lái)選擇： (3.5) (3.6) 得: 因此取 蓋板的寬度由公式（3.7）： （3.7） 得: 取 實(shí)際的主梁高度由公式（3.8）： （3.8） 得: 因?yàn)橹髁褐С薪孛娴母叨热0=700mm，那么實(shí)際支承截面的高度為： 此時(shí)主梁對(duì)于支承和中間截面尺寸圖如下： 3.1.8 加勁板的布置尺寸 由于考慮到主梁截面里受壓構(gòu)件的穩(wěn)定性，所以一些加勁板的增加必不可少，如圖3.3。 圖3.3箱形主梁的構(gòu)造圖 1—間距較大加勁板 2—間距較小的加勁板 3—加勁角鋼 大加勁板在主梁端部的距離： 取 。 小加勁板在主梁端部的距離： 大加勁板在主梁中部的距離由公式（3.9）： （3.9） 得: 取 小加勁板在主梁中部的距離：當(dāng)小車(chē)鋼軌用P15輕軌鋼，此時(shí)在水平重心線(xiàn)x—x的最小抗彎截面模數(shù)為Wmin=47.7cm3，則小加勁板根據(jù)連續(xù)梁由鋼軌的彎曲強(qiáng)度條件得到（加勁板所在位置為連續(xù)的支點(diǎn)；此時(shí)加勁板中間受車(chē)輪輪壓作用）： 由公式（3.10） (3.10) 得： 式中：小車(chē)的輪壓，設(shè) ：動(dòng)力系數(shù)1.15 ：鋼軌的許用應(yīng)力， 因此可知小加勁板間距a1===1m。 考慮到腹板的高厚比,因此要加入水平加勁桿，；來(lái)使腹板保持穩(wěn)定。選擇角鋼作水平加勁桿。 3.2 計(jì)算載荷 3.2.1 固定載荷的計(jì)算 橋式起重機(jī)橋架上受多種載荷的作用：像固定載荷、移動(dòng)載荷、水平慣性載荷和大車(chē)運(yùn)行側(cè)向載荷等。 對(duì)于固定載荷，分為均布載荷和集中載荷兩類(lèi)。受載方面對(duì)于箱形主梁（主梁、軌道、走臺(tái)和欄桿等），是為均布載荷；對(duì)于司機(jī)室、大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)和安裝在走臺(tái)上的起重機(jī)電氣設(shè)備等，這些為集中載荷。設(shè)半個(gè)橋架的自重： 司機(jī)室的重量，其與主梁一端重心的距離；大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的重量，其到主梁一端重心的距離為。 主梁的均布載荷根據(jù)公式（3.11）： (3.11)得 主梁的總均布載荷: 考慮到當(dāng)起重機(jī)運(yùn)行不平穩(wěn)的的情況，橋架由于發(fā)生震動(dòng)，造成固定載荷對(duì)橋架的動(dòng)力加載。故在計(jì)算固定載荷時(shí),要考慮一個(gè)沖擊系數(shù)。 主梁的均布載荷如公式（3.12）： （3.12） 表3-2軌道沖擊載荷 式中： 根據(jù)表3-2得到 得: 3.2.2 移動(dòng)載荷的計(jì)算 移動(dòng)載荷的產(chǎn)生主要來(lái)源于小車(chē)及被吊重物對(duì)主梁的作用。由于起升機(jī)構(gòu)在上升或下降重物時(shí)會(huì)產(chǎn)生與運(yùn)動(dòng)方向相反的慣性力，所以當(dāng)計(jì)算作用在主梁上的輪壓時(shí)，要引用一個(gè)動(dòng)力系數(shù)來(lái)抵消慣性力產(chǎn)生的額外作用。由表3-3選用不同主起升量下兩個(gè)車(chē)輪的輪壓值。 表3-3 吊鉤小車(chē)的輪壓值 注：和還要考慮動(dòng)力系數(shù)的影響 圖3.4小車(chē)輪壓情況 考慮動(dòng)力系數(shù)的影響,小車(chē)車(chē)輪的輪壓值由公式（3.13）計(jì)算： (3.13) 得： 式中： —— 動(dòng)力系數(shù)。 3.2.3 水平慣性載荷的計(jì)算 當(dāng)大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)在起動(dòng)或制動(dòng)時(shí)沿著水平方向會(huì)產(chǎn)生慣性載荷，垂直作用在主梁上。如圖3.5所示，其中Pg為起重小車(chē)在滿(mǎn)載時(shí)的質(zhì)量所造成的水平慣性載荷，依靠與軌道的接觸在跨中作用于主梁；qg為橋架本身的重量產(chǎn)生的水平慣性載荷，在主梁上以均布載荷的方式進(jìn)行作用。 由于主動(dòng)輪只占全部車(chē)輪的一半，水平慣性載荷取各個(gè)垂直載荷（即起重小車(chē)的輪壓集中載荷和主梁的均布載荷）的1/10。作用位置參照3.5。則： 圖3.5 水平慣性載荷的作用簡(jiǎn)圖 3.2.4 車(chē)輪側(cè)向載荷的計(jì)算 在不同狀態(tài)下，起重機(jī)工作時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一定程度的歪斜，此時(shí)歪斜車(chē)輪的輪緣和軌道側(cè)面產(chǎn)生側(cè)向載荷S,其方向垂直于起重機(jī)運(yùn)行方向，根據(jù)現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)，側(cè)向載荷與輪壓、 跨度L和大車(chē)輪距K有關(guān)，可根據(jù)（3.14）計(jì)算： (3.14) 式中： P—輪壓，選擇機(jī)構(gòu)運(yùn)行最大輪壓值； 圖3.6大車(chē)運(yùn)行歪斜時(shí)側(cè)向載荷作用簡(jiǎn)圖 圖3.7側(cè)壓系數(shù)值和輪壓K 、 3.2.5 載荷組合 在一個(gè)起重機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，所受的載荷不斷變化，如起重載荷，自重載荷等為經(jīng)常作用于起重機(jī)的，但像慣性載荷等出現(xiàn)時(shí)間并不長(zhǎng)。即使是經(jīng)常作用的載荷大小也不一定保持不變，這時(shí)應(yīng)將載荷在某些特殊的位置進(jìn)行分析以確保起重機(jī)在各個(gè)狀態(tài)下都能正常工作。對(duì)于一些特殊狀態(tài)可見(jiàn)表3-4 表3-4主梁與端梁的載荷組合情況 其中第1種載荷組合情況用于計(jì)算結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度；而第2種載荷組合情況用于結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算。 3.3 箱形結(jié)構(gòu)主梁的計(jì)算 3.3.1 主梁垂直方向上最大彎矩和剪力的驗(yàn)算 當(dāng)運(yùn)行機(jī)構(gòu)為分別驅(qū)動(dòng)時(shí)，如圖3.8所示： 圖3.8 主梁垂直方向載荷簡(jiǎn)圖 主梁垂直方向的最大彎矩由公式（3.15）可得： （3.15） 式中： G1=450kg—大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的重量； l1=150cm—大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的作用位置； G0=1000kg—司機(jī)室與支點(diǎn)重心的距離； 根據(jù)上面已知條件： 主梁截面上的最大剪力由（3.16） 計(jì)算： （3.16） 得： 3.3.2 主梁水平方向最大彎矩的計(jì)算 主梁水平方向的彎矩是因?yàn)榇筌?chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)在突然啟動(dòng)或者制動(dòng)情況下所產(chǎn)生的水平慣性載荷造成的。對(duì)于作用在橋架主梁上的水平慣性載荷是由兩部分組成：其中一個(gè)是起重小車(chē)在吊著重物時(shí)產(chǎn)生的集中慣性載荷Pg；另一個(gè)為橋架本身重量引起的均布慣性載荷qg。根據(jù)上面條件將水平慣性載荷按照他們的重量的1/10取值。將下車(chē)部分慣性載荷由兩個(gè)車(chē)輪傳遞給主梁簡(jiǎn)化并為一個(gè)集中載荷Pg作用于主梁的跨中。在確定主梁水平方向的彎矩時(shí)，可以認(rèn)為橋架平面是一個(gè)6次超靜定鋼架結(jié)構(gòu)，如圖3.9所示： 圖3.9 主梁水平方向彎矩簡(jiǎn)圖 此時(shí)作用在主梁跨中的水平彎矩由（3.17）計(jì)算： (3.17) 式中： （3.18） —主梁截面對(duì)垂直重心軸線(xiàn)y—y的慣性矩（cm4）； —端梁截面在垂直方向的y—y的慣性矩（cm4）； 集中慣性載荷在主梁上的大?。? 均布載荷在主梁上的大?。? 取 =2； ; 并且已知： K=500cm;Lxc=200cm。 因此可得： =263568.1 3.3.3 主梁的強(qiáng)度驗(yàn)算 主梁中間截面的最大彎曲應(yīng)力根據(jù)公式（3.19）計(jì)算： （3.19） 式中：Wx—主梁對(duì)軸線(xiàn)x—x的彎曲截面模數(shù)，由公式（3.20）計(jì)算： （3.20） —主梁對(duì)軸線(xiàn)y—y的抗彎截面模數(shù)，由公式（3.21）計(jì)算： (3.21) 因此可得： Wy= 表3-5 類(lèi)載荷組合時(shí)鋼材的許用應(yīng)力 查表3-5得：A3鋼的許用應(yīng)力為： 故 對(duì)于最大剪應(yīng)力在主梁上的大小根據(jù)（3.22）： （3.22） 式中： —主梁截面上所產(chǎn)生的最大剪力，： Ix0—主梁支承截面對(duì)水平重心軸線(xiàn)x—x的慣性矩，根據(jù)公式(3.23)計(jì)算： (3.23) S—主梁支承截面在y—y垂直重心軸線(xiàn)上的靜矩： （3.24） 因此可得： 根據(jù)表3-5可知A3鋼的許用應(yīng)力， 故： 在主梁同時(shí)受有彎矩和剪力作用的任意截面中，由彎曲正應(yīng)力和剪應(yīng)力產(chǎn)生的合根據(jù)公式（3.25）： （3.25） 即： 由以上可知，滿(mǎn)足強(qiáng)度條件。 3.3.4 主梁的垂直剛度驗(yàn)算 主梁在吊著重物時(shí)，最大垂直撓度根據(jù)（3.26）： （3.26） 式中： 因此可得： 許用撓度值根據(jù)（3.27）： (3.27) 得： 因此 由上面的計(jì)算可知，主梁的垂直剛度足夠。 3.3.5 主梁的水平剛度驗(yàn)算 主梁在大車(chē)運(yùn)行時(shí)，機(jī)構(gòu)受到慣性載荷的作用下，在水平方向最大撓度根據(jù)（3.28）計(jì)算： (3.28) 式中： 由此可得： 水平撓度的許用值： 因此： 由上面計(jì)算可知，主梁的垂直和水平剛度均滿(mǎn)足要求。當(dāng)起重機(jī)不超過(guò)額定狀態(tài)時(shí)，不需要再進(jìn)行驗(yàn)算。 3.4 主要焊縫的計(jì)算 3.4.1 主梁與端梁的連接焊縫 主梁與端梁腹板的連接焊縫的剪應(yīng)力由公式（3.29）計(jì)算（查看圖3.10） 圖3.10 主梁與端梁的焊縫 （3.29） 式中：h0—連接處焊縫計(jì)算高度， 因此： 3.4.2 主梁上蓋板焊縫 主梁在支承處剪力的作用，則上蓋板焊縫剪應(yīng)力根據(jù)（3.30）： （3.30） 式中: Ix0—主梁在支承處截面對(duì)水平重心線(xiàn)x—x的慣性矩，前面已計(jì)算； S—主梁上蓋板對(duì)截面水平重心線(xiàn)的面積矩： 因此計(jì)算得： 因?yàn)楹缚p的許用應(yīng)力為，此時(shí)滿(mǎn)足要求。 3.5 計(jì)算總結(jié) 表3-6 本章橋架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸 4 電氣部分的設(shè)計(jì) 4. 1變頻調(diào)速原理 4.1.1 變頻器工作原理 由異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式（4.1）： （4.1） 根據(jù)上式，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 n和電源的頻率f1成正比。 4.1.2 變頻調(diào)速的方式 電動(dòng)機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E1： （4.2） 如果不計(jì)電動(dòng)機(jī)里定子阻抗壓降，端電壓U1為： 當(dāng)依靠改變電源頻率f1來(lái)改變速度時(shí)，需保證電源電壓U1隨之變化并使U1/ f1不變，這樣才不會(huì)造成磁通Φ變化。電動(dòng)機(jī)的工作方式根據(jù)U1和f1有以下三種： (1) 當(dāng)功率與轉(zhuǎn)矩為恒定的調(diào)速 隨著電源頻率慢慢大于額定頻率，此時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速將超過(guò)額定轉(zhuǎn)速，因?yàn)樾枰獮槎ㄖ担瑒t會(huì)造成實(shí)際電壓大于額定電壓，這種情況是不正常的。當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)速大于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，只能增加頻率而電源電壓始終為額定值，雖然這樣使電動(dòng)磁通減小而造成轉(zhuǎn)矩減弱，但總的輸出功率不變。 由上可知，此調(diào)速方法適合當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)速超過(guò)額定轉(zhuǎn)速的情況，特別是功率需求不變時(shí)；而當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，需保證不變，此時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩是不變的，具體如圖4.1圖（c）： (2) 當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩保持在最大值時(shí) 為滿(mǎn)足工作過(guò)程中輸出轉(zhuǎn)矩為恒定，要為定值，這時(shí)工作電壓與頻率要保持一定關(guān)系，即能忽略電動(dòng)機(jī)阻抗的影響。 當(dāng)工件條件是在額定轉(zhuǎn)速以下時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不變并在較低頻率下維持較高轉(zhuǎn)矩，具體如圖4.1（b）所示： (3) U1/ f1為常數(shù) 當(dāng)工作電壓和工作頻率小于額定值時(shí)，在忽略定子壓降的條件下，此時(shí)磁通在工作過(guò)程中維持不變。但由于工作電壓的降低，定子壓降漸漸不能忽視，則難以恒定，此時(shí)磁通減小，輸出轉(zhuǎn)矩隨之減小，即此調(diào)速范圍較小，只適合于如風(fēng)扇等負(fù)載，具體如圖 4.1圖（a）： (c) (b) 恒轉(zhuǎn)矩 恒功率 n n’ n n M 0 M 0 0 M (a) 圖4.1 變頻調(diào)速機(jī)械特性 4.1.3 變頻器的類(lèi)型 (1) 交交變頻器 由周波變換器將電網(wǎng)的交流電變換成一個(gè)頻率可變的交流電供給電動(dòng)機(jī)。由于它的最高輸出頻率比起電網(wǎng)頻率的較低，所以此變頻器主要用在驅(qū)動(dòng)低速電動(dòng)機(jī)上面。 (2) 交直交型變頻器 由整流器將電網(wǎng)的交流電變成直流電，再通過(guò)逆變器將直流變換成頻率，電壓大小可變化的交流電提供電動(dòng)機(jī)。變頻器的輸出電壓則在電動(dòng)機(jī)額定電壓以下進(jìn)行變化。但變頻器的頻率可大于電網(wǎng)頻率。 (3) 兩種變頻器（電壓源，電流源） 電壓源和電流源兩種變頻器的主要區(qū)別在于對(duì)無(wú)功分量的處理方式上體現(xiàn)。 當(dāng)變頻器的輸出電壓波形為正弦波，輸出阻抗較高，采用電感來(lái)吸收無(wú)功分量且輸出電流波為矩形波，此時(shí)變頻器為電流源變頻器。 而當(dāng)變頻器狀態(tài)相反，如輸出電壓為矩形波，輸出阻抗較小等情況下，此時(shí)變頻器為電壓源變頻器。 4.1.4 變頻調(diào)速時(shí)電動(dòng)機(jī)的過(guò)渡狀態(tài) 在起動(dòng)過(guò)程中，隨著變頻器輸出頻率增加，電動(dòng)機(jī)沿著各頻率下機(jī)械特性的包絡(luò)線(xiàn)加速。直至穩(wěn)定工作在設(shè)定頻率點(diǎn)上因這個(gè)過(guò)程中，因?yàn)殡娫措妷河捎陬l率變化慢慢變大，則會(huì)使電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流比起全壓起動(dòng)時(shí)低。 隨著變頻器的輸出頻率減小，電動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)將進(jìn)入第二象限，此時(shí)為發(fā)電狀態(tài)并制動(dòng)。電動(dòng)機(jī)的性能回饋給變頻器，由它的制動(dòng)電阻器消耗，如果變頻器電網(wǎng)側(cè)的整流器具有可逆性能，這部分能還可以回饋電網(wǎng)，如圖 4.2給出了過(guò)渡狀態(tài)。 圖4.2 變頻電源下電動(dòng)機(jī)過(guò)渡狀態(tài) （a）提高頻率 （b）降低頻率 發(fā)電 電動(dòng) f3 f1 Mn 3 2 1 f1 (a) n2 f3 n n3 n1 f2 M 0 Mn n2 (b) f3 n1 f2 M 0 4.1.5 變頻器的功能 隨著時(shí)代的進(jìn)步，變頻器的發(fā)展日新月異，對(duì)于變頻器主要由以下幾方面的特點(diǎn)： (1) 多種u/f特性可供助記詞選擇，可以滿(mǎn)足各種交流異步電動(dòng)機(jī)的要求。 (2) 本身帶有轉(zhuǎn)矩變化功能，工作方式也可在恒定和輸出轉(zhuǎn)矩恒定兩方面進(jìn)行選擇。特別是轉(zhuǎn)矩的大小即可人為設(shè)定又能自動(dòng)選擇，而當(dāng)變頻器利用自動(dòng)補(bǔ)償功能可使電動(dòng)機(jī)在低頻狀態(tài)下減小阻抗影響，以此來(lái)擴(kuò)大輸出轉(zhuǎn)矩。 (3) 設(shè)有線(xiàn)性和S型加減速時(shí)間可以大很寬的范圍內(nèi)設(shè)定。 (4) 在減速過(guò)程中，允許電動(dòng)機(jī)電力制動(dòng)，此刻變頻器吸收電動(dòng)機(jī)的動(dòng)能，將多余的能量消耗在制動(dòng)電阻器中。但因?yàn)殡娮杵魅萘坎粔颍冾l器只能在較短時(shí)間內(nèi)吸收能量。當(dāng)有圈套的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，還需要外部制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻器選件，這樣方可使制動(dòng)能力提高到額定工作大小。有些產(chǎn)品具有將能量回饋電網(wǎng)的能力，其制動(dòng)過(guò)程能力更強(qiáng)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)接近停機(jī)時(shí)，變頻器還利用直流動(dòng)力制動(dòng)來(lái)使工作負(fù)載更準(zhǔn)確。 (5) 通過(guò)外部控制繼電器的觸點(diǎn)就能調(diào)換變頻器輸出電源相序，從而可以改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，這樣可以省去控制電動(dòng)機(jī)定子回路的大電流可逆接觸器。 (6) 設(shè)有多個(gè)輸出頻率點(diǎn)各點(diǎn)參數(shù)可以獨(dú)立整定，由外部控制器切換，變頻器可以接受0-10V直流電壓或4mA20mA直流電流控制信號(hào)，它的輸出頻率可以隨信號(hào)連續(xù)變化實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。 (7) 變頻器有完善的自身保護(hù)功能，可對(duì)單臺(tái)電動(dòng)機(jī)實(shí)行過(guò)流和過(guò)熱保護(hù)。 (8) 變頻器的高速范圍一般可達(dá)1：10限制調(diào)速范圍的主要原因是在低頻段電動(dòng)機(jī)出力下降，驅(qū)動(dòng)能力差。 4.2 橋式起重機(jī)的變頻調(diào)速 4.2.1 橋式起重機(jī)負(fù)載狀態(tài) 負(fù)載性質(zhì)：橋式起重機(jī)的運(yùn)行機(jī)構(gòu)和起升機(jī)構(gòu)在工作時(shí)，阻轉(zhuǎn)矩基本保持恒定，為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。 對(duì)于起升機(jī)構(gòu)所吊重物在空間狀態(tài)下具有位能，即為位能負(fù)載。其特點(diǎn)是：隨著重物的下降，重物依靠本身加速度下落，若物體重力小于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)阻力時(shí)，物體仍需靠電動(dòng)機(jī)進(jìn)行下降，此時(shí)為阻力負(fù)載。若物體重力大于傳動(dòng)阻力時(shí)，重物依靠本身重力下降，此時(shí)電動(dòng)機(jī)接收能量，即被吊重物為動(dòng)力負(fù)載；而當(dāng)起升重物時(shí)，電動(dòng)機(jī)需克服重物本身重力，屬于阻力負(fù)載。 4.2.2 橋式起重機(jī)的調(diào)速方法和節(jié)能比較 (1) 繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)速方法 起重機(jī)械各部分的拖動(dòng)系統(tǒng)，一般需要調(diào)速，由于異步電動(dòng)機(jī)與其他電動(dòng)機(jī)相比，有著機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于維修的特點(diǎn)，因此在變頻調(diào)速之前，雖然各種調(diào)速方法都不盡如人意，但從使用的可靠性出發(fā)，被廣泛地使用著。在起重業(yè)中，最常見(jiàn)的調(diào)速方法是依靠在繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)里增加或減小轉(zhuǎn)子回路中的電阻。調(diào)速方式是使用滑環(huán)和電刷在轉(zhuǎn)子里面串入一些電阻，依靠接觸器控制接入的電阻，以此控制轉(zhuǎn)速。 (2) 繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的功率損失 隨著異步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子里面串入電阻，其機(jī)械特性如圖 4.3（a）中的所示。這時(shí)，機(jī)械特性改變，在負(fù)載不變的前提下，拖動(dòng)系統(tǒng)的工作點(diǎn)由A點(diǎn)y移到B點(diǎn)，轉(zhuǎn)速由n1下降為n2。其功率的分配情況的變化如下： 圖4.3 轉(zhuǎn)子功率分配的比較 (b) (a) 0 n n2 n1 T 2 1 B A ① 同步轉(zhuǎn)速未變，故電磁功率與未調(diào)速之前的相同，根據(jù)公式(4.3) (4.3) 即可得知電磁功率 ②電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)速為，故輸出功率將隨之減小，即 電動(dòng)機(jī)的損失功率為： 功率分配如圖4.3(b)所示，可見(jiàn)，損失的功率在電磁總功率中占的比例是很大的。事實(shí)上，轉(zhuǎn)速的下降（或者說(shuō)，機(jī)械功率的減少）是通過(guò)在轉(zhuǎn)子的外接電阻中消耗能量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。并且，轉(zhuǎn)速越低，機(jī)械特性越軟，損失功率在電磁功率中也會(huì)變得越大，這是很不經(jīng)濟(jì)的。 (3) 變頻調(diào)速時(shí)功率的損失 隨著異步電動(dòng)機(jī)頻率的改變，它的機(jī)械特性與自然機(jī)械特性保持平行。因此，在不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)差大致保證相等，如圖4.4(a)所示。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL不變時(shí)，拖動(dòng)系統(tǒng)此時(shí)的工作點(diǎn)為C點(diǎn)。這時(shí)： ①同步轉(zhuǎn)速下降到，因此電磁功率也會(huì)隨之下降為，有 圖4.4 轉(zhuǎn)子功率分配的比較 (b) （a） 0 n2 n1 T 2 1 C A n ②電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)速為，此時(shí)輸出功率與上面的相同，為： 電動(dòng)機(jī)的損失功率為： 可見(jiàn)，損失的功率和額定轉(zhuǎn)速下的功率很接近，如圖4.4(b)所示。 所以，對(duì)于這兩種調(diào)速方法，變頻調(diào)速的功率損失比較小，節(jié)能效果也更加明顯。除此以外，如果變頻調(diào)系統(tǒng)再配上電源反饋選件，則在吊鉤放下重物時(shí)，還可將重物釋放的位能反饋給電源，進(jìn)一步節(jié)能。 4.2.3 電動(dòng)機(jī)容量選擇 用在變頻調(diào)速系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)其輸出能力受以下幾方面的影響： (1)在低速運(yùn)行時(shí)由于風(fēng)扇運(yùn)行減小，使電動(dòng)機(jī)的允許輸出功率下降。 (2)變頻器輸出電源中會(huì)有一定數(shù)量的高次諧波，它會(huì)使電動(dòng)機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生諧波損耗，使輸出功率下降，并會(huì)增加運(yùn)行時(shí)的噪音。 有些變頻器在低頻段會(huì)使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩下降很多，造成起動(dòng)困難。為此對(duì)電動(dòng)機(jī)發(fā)熱進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，首先要考慮上述因素。 P1=PK(kw) （4.4） 式中 P―發(fā)熱校驗(yàn)情況下電動(dòng)機(jī)的功率； 　　　　P1－變頻器影響后需要的電動(dòng)機(jī)功率； 　　　　K－增容系數(shù)，對(duì)于重復(fù)短時(shí)工作制情況下，一般取K＝1.05~1.1。 當(dāng)驅(qū)動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)，要再次對(duì)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)能力進(jìn)行檢查，使保證其在工作范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)都可以正常起動(dòng)。 4.2.4 變頻器的容量選擇 一般用變頻器輸出電流來(lái)作為選擇參考。當(dāng)驅(qū)動(dòng)單個(gè)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，變頻器的銘牌輸出電流Iinv要滿(mǎn)足以下兩式： Iinv > Ied （4.5） Iinv >K0I0/ kg （4.6） 式中：Ied－電動(dòng)機(jī)的額定電流； I0－電動(dòng)機(jī)工作時(shí)最大電流，是靜載電流與動(dòng)載電流之和。如果負(fù)載需要全壓來(lái)起動(dòng)時(shí)，此時(shí)是電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流； kg－為變頻器正常過(guò)載倍數(shù)，見(jiàn)產(chǎn)品手冊(cè)； K0－安全系數(shù)，當(dāng)為短時(shí)工作制時(shí)一般為K0=1.05~1