機(jī)電與車輛工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文學(xué)生姓名 專 業(yè) 機(jī)械工程及自動化班 級 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 年二月目 錄摘 要 .IIIAbstract IV第 1 章 緒 論 11.1 研 究 背 景 及 意 義 .11.2 起 重 機(jī) 簡 介 .11.3 國 內(nèi) 外 起 重 機(jī) 研 究 及 發(fā) 展 現(xiàn) 狀 2第 2 章 龍 門 起 重 機(jī) 介 紹 及 選 型 .42.1 龍 門 起 重 機(jī) 概 述 .42.1.1 龍 門 起 重 機(jī) 的 分 類 .42.1.2 龍 門 起 重 機(jī) 的 結(jié) 構(gòu) .42.1.3 龍 門 起 重 機(jī) 的 主 要 形 式 .52.1.4 龍 門 起 重 機(jī) 的 基 本 參 數(shù) .62.2 龍 門 起 重 機(jī) 的 選 型 .72.2.1 設(shè) 計 數(shù) 要 求 72.2.2 方 案 選 型 7第 3 章 龍 門 起 重 機(jī) 總 體 及 金 屬 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計 83.1 總 體 結(jié) 構(gòu) 及 尺 寸 設(shè) 計 .83.1.1 主 梁 設(shè) 計 83.1.2 端 梁 設(shè) 計 93.1.3 剛 性 支 腿 設(shè) 計 103.1.4 柔 性 支 腿 設(shè) 計 123.1.5 下 端 梁 設(shè) 計 143.1.6 上 馬 鞍 設(shè) 計 143.2 主 橋 架 計 算 .153.2.1 載 荷 計 算 153.2.2 強(qiáng) 度 計 算 173.2.4 主 梁 穩(wěn) 定 性 計 算 .213.3 支 腿 計 算 233.3.1 載 荷 計 算 233.3.2 支 腿 強(qiáng) 度 計 算 253.3.3 支 腿 穩(wěn) 定 性 計 算 .263.4 下 橫 梁 的 強(qiáng) 度 計 算 .273.5 連 接 強(qiáng) 度 驗 算 .28I3.5.1 計 算 焊 縫 的 強(qiáng) 度 .283.5.2 計 算 螺 栓 連 接 強(qiáng) 度 .303.6 剛 度 計 算 313.6.1 靜 剛 度 和 位 移 313.6.2 垂 直 動 剛 度 32第 4 章 起 升 機(jī) 構(gòu) 和 運(yùn) 行 機(jī) 構(gòu) 設(shè) 計 .344.1 起 升 機(jī) 構(gòu) 設(shè) 計 .344.1.1 鋼 絲 繩 選 擇 344.1.2 卷 筒 354.1.3 電 動 機(jī) 的 選 擇 354.1.4 減 速 器 的 選 擇 374.1.5 制 動 器 的 選 擇 374.1.6 機(jī) 構(gòu) 起 動 時 間 計 算 .374.2 小 車 的 行 走 機(jī) 構(gòu) 設(shè) 計 和 計 算 384.2.1 運(yùn) 行 機(jī) 構(gòu) 的 基 本 參 數(shù) .384.2.2 運(yùn) 行 靜 阻 力 384.2.3 電 動 機(jī) 的 選 擇 與 計 算 .394.2.4 減 速 器 的 選 擇 與 計 算 .394.2.5 連 軸 器 的 選 擇 404.2.6 制 動 器 的 選 擇 404.2.7 小 車 車 輪 的 強(qiáng) 度 計 算 .41第 5 章 行 走 機(jī) 構(gòu) 設(shè) 計 425.1 運(yùn) 行 機(jī) 構(gòu) 的 基 本 參 數(shù) .425.2 運(yùn) 行 靜 阻 力 .425.3 電 動 機(jī) 的 選 擇 與 計 算 .425.4 減 速 器 的 選 擇 .435.5 緩 沖 器 的 選 擇 .435.6 車 輪 與 軌 道 .43結(jié) 論 .45參 考 文 獻(xiàn) 46致 謝 .47II摘 要龍門式起重機(jī)是一種重要的物料搬運(yùn)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于廠礦、車站、港口、電站等生產(chǎn)領(lǐng)域中。本文對龍門起重機(jī)進(jìn)行了總體設(shè)計及金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計研究，龍門起重機(jī)主要由門架、起升機(jī)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)等組成。本文首先研究了單梁龍門式起重機(jī)的分類、結(jié)構(gòu)、主要形式、基本參數(shù)及其選型等；其次，對單梁龍門式起重機(jī)進(jìn)行了總體設(shè)計，對主梁的強(qiáng)度進(jìn)行了計算，以及對龍門式起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算；接著，起升機(jī)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計與計算；然后，起重機(jī)的行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計與計算；最后，采用 AutoCAD 制圖軟件繪制了龍門起重機(jī)裝配圖及主要零部件圖。通過本次設(shè)計，鞏固了大學(xué)所學(xué)專業(yè)知識，如：機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計、材料力學(xué)、公差與互換性理論、機(jī)械制圖等；掌握了普通機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計方法并能夠熟練使用AutoCAD 制圖軟件，對今后的工作于生活具有極大意義。關(guān)鍵詞：龍門起重機(jī)；金屬結(jié)構(gòu)；起升機(jī)構(gòu)；行走機(jī)構(gòu)IIIAbstractGantry crane is an important material handling equipment, factories and mines widely used in the production areas, railway stations, ports, power plants and the like. In this paper, gantry cranes for the overall design and structural design of metal, mainly by the door frame gantry crane, lifting mechanism, operating agencies, travel agencies and other components.This paper studies the single-beam gantry crane classification, structure, the main form, and their selection and other basic parameters; secondly, to single-beam gantry crane for the overall design of the main beam intensity was calculated, and the Dragon Metal Structure Design and calculation cranes; then, lifting mechanism and operation mechanism is designed and calculated; then, crane running gear is designed and calculated; finally, using AutoCAD drawing software to draw a gantry crane and main parts and assembly drawings parts drawing.Through this design, the consolidation of the university is the professional knowledge, such as: mechanical principles, mechanical design, mechanics of materials, tolerances and interchangeability theory, mechanical drawing and the like; mastered the design of general machinery products and be able to skillfully use AutoCAD mapping software on the future work of great significance in life.Keywords: Gantry crane; Metal structures; Hoisting mechanism; Travel agencies0第 1 章 緒論1.1 研究背景及意義隨著人類的進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)和現(xiàn)代社會越來越離不開物料搬運(yùn)，物料搬運(yùn)的經(jīng)濟(jì)意義顯示在各個方面。據(jù)不完全統(tǒng)計和專家們估計，如今的物料搬運(yùn)費(fèi)用在工業(yè)生產(chǎn)成本中所占比例可能超過 30%。在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，物料搬運(yùn)技術(shù)己成為機(jī)械制造業(yè)最大的分支之一，被西方國家稱之為第三利潤的源泉。如德國，1996 年其年產(chǎn)值為 175 億馬克，約占整個機(jī)械制造業(yè)產(chǎn)值的 8%，全國約有 350 家企業(yè)，從業(yè)人數(shù)超過了 77000 人。在美國，產(chǎn)值約達(dá)到 120 億美元。我國的物料搬運(yùn)業(yè)近年來呈增長的態(tài)勢，在國民經(jīng)濟(jì)中的作用也越來越大。如在港口中，實際上物料搬運(yùn)的費(fèi)用己經(jīng)超過 30%，在汽車制造業(yè)，也己接近 30%。據(jù)統(tǒng)計，1997 年末，我國獨(dú)立核算的物料搬運(yùn)機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)廠總數(shù)達(dá) 958 家，其中國營企業(yè) 211 家，全行業(yè)從業(yè)人數(shù)為 35.3 萬人。1997 年物料搬運(yùn)機(jī)械總產(chǎn)值 255 億元人民幣，比上年增長 3.6%，約占當(dāng)年機(jī)械工業(yè)總產(chǎn)值的 1.7%。起重機(jī)作為物料搬運(yùn)工具，裝備在國民經(jīng)濟(jì)的各個部門，在現(xiàn)代化生產(chǎn)中占有重要地位。起重機(jī)，在完成一個工作過程中，一般包括“儲、裝、運(yùn)、卸” 作業(yè)，因而對于提高生產(chǎn)能力、保證產(chǎn)品質(zhì)量、減輕勞動強(qiáng)度、降低生產(chǎn)成本、提高運(yùn)輸效率、加快物資周轉(zhuǎn)、流通等方一面均有著重要的影響，對安全生產(chǎn)、減少事故更有顯著作用。龍門起重機(jī)作為物料搬運(yùn)機(jī)械中的最主要的一種，在各行各業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，龍門起重機(jī)起重范圍可以從幾噸到幾十噸甚至幾百噸，在機(jī)械制造、冶金、鋼鐵、碼頭集裝箱裝運(yùn)等行業(yè)都必須有龍門起重機(jī)。因此，對其進(jìn)行研究，改進(jìn)其結(jié)構(gòu)，使其更加合理，使用更加方便，成本更加低廉，具有重要的現(xiàn)實意義[13-14]。1.2 起重機(jī)簡介起重機(jī)是起升、搬運(yùn)和輸送物料及產(chǎn)品的機(jī)具，是國民生產(chǎn)各部門提高勞動生產(chǎn)率、生產(chǎn)過程機(jī)械化不可缺少的大型機(jī)械設(shè)備，如圖 1.1 所示。起重機(jī)對于提高工程機(jī)械各生產(chǎn)部門的機(jī)械化，縮短生產(chǎn)周期和降低生產(chǎn)成本，起著非常重要的作用。起重機(jī)是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)不可缺少的設(shè)備，被廣泛的應(yīng)用于各種物料的起重、運(yùn)輸、裝卸、安裝和人員輸送等作業(yè)中，從而大大減輕了體力勞動強(qiáng)度，提高了勞動生產(chǎn)率，是保證施工生產(chǎn)質(zhì)量和效益的關(guān)鍵起重設(shè)備。有些起重機(jī)還能在生產(chǎn)過程中進(jìn)行某些特殊的工藝操作，使生產(chǎn)過程實現(xiàn)機(jī)械化和自動化。在工廠、礦山、車站、港口、建筑工地、水電站、倉庫等各生產(chǎn)部門中，都得到廣泛地應(yīng)用。在現(xiàn)代化鋼鐵企業(yè)中，起重機(jī)更是不可缺少的。近年來，由于工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)水平不斷提高，起1重機(jī)的作用已超出作為輔助設(shè)備的范圍，進(jìn)而直接應(yīng)用于生產(chǎn)工藝過程中，成為生產(chǎn)流水作業(yè)線上的主體設(shè)備組成部分。因此，世界各國都在不斷改進(jìn)起重機(jī)產(chǎn)品的性能，提高運(yùn)轉(zhuǎn)速度和生產(chǎn)能力，提高自動化水平，制造方便可靠、新型、高效能的起重機(jī)和運(yùn)輸機(jī)來滿足生產(chǎn)的需要[1]。圖 1.1 龍門式起重機(jī)隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛躍發(fā)展，在國民經(jīng)濟(jì)各部門和基本建設(shè)中，新結(jié)構(gòu)、新工藝、新技術(shù)、新材料的不斷應(yīng)用。一些大、中型構(gòu)件、橋梁等設(shè)備的垂直運(yùn)輸及在高難度建筑上的安裝就位等工作，沒有起重機(jī)設(shè)備是很難完成的。我國在發(fā)明和使用起重機(jī)方面，歷史是最悠久的。早在奴隸社會的商朝時期，由于農(nóng)業(yè)灌溉上的需要，以創(chuàng)造了用于汲水的起重工具，這是由杠桿和取物裝置構(gòu)成的簡單起重裝置。早在古代我國勞動人民就發(fā)明了轆護(hù)以汲取更深的井水，轆護(hù)是由支架、卷筒、繩索和曲柄等簡單元件組成的，成為現(xiàn)代絞車的原始雛形。在公元 200 年左右出現(xiàn)了用于汲水和排水的翻車。翻車的發(fā)明，從工作原理上說，是一個很大的飛躍，它從間歇動作發(fā)展為連續(xù)動作，與現(xiàn)代的刮板運(yùn)輸機(jī)極為相似[2]。隨著我國生產(chǎn)制造業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步，起重機(jī)制造業(yè)也得到了很大的發(fā)展和應(yīng)用，起重機(jī)領(lǐng)域也從無到有、由小到大的逐步發(fā)展起來，一批起重機(jī)的科研機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)加工逐步建立，設(shè)計一、研制力量日趨壯大。不僅產(chǎn)品的種類基本齊全，而且有了自己的系列和標(biāo)準(zhǔn)。不僅能生產(chǎn)小型輕巧的起重機(jī)械，而且也能生產(chǎn)噸位很大的、技術(shù)較先進(jìn)的大型起重機(jī)。但是，與世界先進(jìn)水平比較，無論在產(chǎn)品的種類、數(shù)量方面，還是機(jī)械性能、質(zhì)量等方面都存在著較大的差距。為盡快趕超世界先進(jìn)水平，我們應(yīng)該在獨(dú)立自主的原則下，認(rèn)真學(xué)習(xí)國外先進(jìn)技術(shù)[3]。1.3 國內(nèi)外起重機(jī)研究及發(fā)展現(xiàn)狀現(xiàn)在，我國工程機(jī)械行業(yè)發(fā)展已經(jīng)有了很好的基礎(chǔ)，產(chǎn)品門類，生產(chǎn)規(guī)模，大、中、小企業(yè)構(gòu)架和發(fā)展環(huán)境都比較好，但同國際先進(jìn)的工程機(jī)械制造廠一家相比差距還比較大，主要表現(xiàn)在產(chǎn)品的可靠性、使用壽命、綠色工程設(shè)計、高新技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用以及管理模式上。相對而言，我國自主開發(fā)能力還比較薄弱，有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)2品還比較少，新產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)大部分還依賴于引進(jìn)國外技術(shù)；另一方面對國外先進(jìn)技術(shù)的消化、吸收、創(chuàng)新不足。其次，對市場反應(yīng)速度慢，產(chǎn)品更新周期長。而美國一些機(jī)械企業(yè) 1990 年已經(jīng)做到了三個“3” ，即產(chǎn)品的生命周期為 3 年，產(chǎn)品的試制周期為 3 個月，產(chǎn)品的設(shè)計周期為 3 個星期。我國工程機(jī)械的規(guī)格還有空缺。以上事實證明：中國工程機(jī)械市場雖然可保持持續(xù)增長的勢頭，但中國工程機(jī)械行業(yè)的技術(shù)發(fā)展仍然任重道遠(yuǎn)。隨著我國生產(chǎn)和制造業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步，起重機(jī)制造業(yè)也得到了很大的發(fā)展和應(yīng)用，起重機(jī)領(lǐng)域也從無到有、從小到大逐步發(fā)展起來，一批起重機(jī)的科研機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)工廠也逐步建立，設(shè)計、研制力量日趨壯大。不僅產(chǎn)品的種類基本齊全，而且有了自己的系列和標(biāo)準(zhǔn)。不僅能生產(chǎn)小型輕巧的起重機(jī)械，而且也能生產(chǎn)噸位很大的、技術(shù)較先進(jìn)的大型起重機(jī)[3]。但是，與世界先進(jìn)水平比較，無論在產(chǎn)品的品種、數(shù)量方面，還是機(jī)械的性能、質(zhì)量方面都存在著較大的差距。我們應(yīng)該在獨(dú)立自主的基礎(chǔ)上，積極學(xué)習(xí)國外先進(jìn)技術(shù)，趕超世界先進(jìn)水平。從 20 世紀(jì)后期開始，國際上龍式起重機(jī)的生產(chǎn)向大型化、多功能化、專用化和自動化的方向發(fā)展[5]。①重點產(chǎn)品大型化，高速化和專用化②系列產(chǎn)品模塊化、組合化和標(biāo)準(zhǔn)化③通用產(chǎn)品小型化、輕型化和多樣化④產(chǎn)品性能自動化、智能化和數(shù)字化⑤產(chǎn)品組合成套化、集成化和柔性化基于以上起重機(jī)的發(fā)展特點和國內(nèi)外集裝箱碼頭的現(xiàn)狀，世界上絕大多數(shù)大型的集裝箱港口都采用跨運(yùn)車、輪胎式龍門起重機(jī)和軌道式龍門起重機(jī)系統(tǒng)。相比于跨運(yùn)車，龍門起重機(jī)因其較高的堆場利用率而受到大型集裝箱碼頭的歡迎，特別是亞洲集裝箱碼頭，據(jù) Cargo System 統(tǒng)計，在 2004-2009 年交貨定單中，中國堆場龍門起重機(jī)訂單占世界總訂單的 34%，而通用型中大型門式起重機(jī)的需求量日益劇增。因此對中大型門式起重機(jī)優(yōu)化設(shè)計、輕量化設(shè)計研究已經(jīng)成為該領(lǐng)域的熱點問題[14-16]。3第 2 章 龍門起重機(jī)介紹及選型2.1 龍門起重機(jī)概述2.1.1 龍門起重機(jī)的分類龍門起重機(jī)的形式很多，根據(jù)不同的分類方法，可以概括為以下幾種：(l)依據(jù)主梁數(shù)量不同，可分為單主梁龍門起重機(jī)和雙主梁龍門起重機(jī)，如圖2.1（a）和 2.1（b）所示；(2)依據(jù)取物裝置不同，可分為吊鉤式、抓斗式、電磁吸盤式等起重機(jī)；(3)依據(jù)結(jié)構(gòu)形式不同，可分為析架式、箱形梁式、管型梁式、混合結(jié)構(gòu)式等起重機(jī)；(4)依據(jù)支腿結(jié)構(gòu)形式不同，可分為 L 形、C 形單主梁龍門起重機(jī)和八字形、O 形、半門形等雙梁龍門起重機(jī)；(5)依據(jù)支腿與主梁的連接方式不同，可分為兩個剛性支腿、一個剛性支腿與一個柔性支腿兩種結(jié)構(gòu)形式的龍門起重機(jī)。柔性支腿與主梁之間可采用螺栓、球形鉸和柱形鉸連接或其它方式連接；(6)依據(jù)用途不同，可分為一般用途龍門起重機(jī)、造船用龍門起重機(jī)、水電站用龍門起重機(jī)、集裝箱用龍門起重機(jī)以及裝卸橋用龍門起重機(jī)等；此外，還可以分為單梁或雙梁，單懸臂、雙懸臂或無懸臂，軌道式或輪胎式等[2]。圖 2.1（a） 單主梁龍門起重機(jī) 圖 2.1（b）雙主梁龍門起重機(jī)2.1.2 龍門起重機(jī)的結(jié)構(gòu)總體來說，無論龍門起重機(jī)的形式如何，其組成主要分為三大部分：機(jī)械部分、結(jié)構(gòu)部分和電氣部分。具體來說，龍門起重機(jī)主要由門架結(jié)構(gòu)、載重小車、大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、電氣設(shè)備和駕駛室等幾部分組成。（1）門架結(jié)構(gòu)門架結(jié)構(gòu)主要由主梁和支腿組成。主梁用以支撐載重小車，并且通過支腿沿軌道運(yùn)行。小型龍門起重機(jī)采用單梁，大型龍門起重機(jī)采用雙梁。主梁的結(jié)構(gòu)通常有箱形4和析架式兩種，箱形梁結(jié)構(gòu)簡單、便于制造，但迎風(fēng)面積大，運(yùn)行阻力大，且自重大，不利于節(jié)省鋼材。支腿的構(gòu)造，大型機(jī)上一般一側(cè)用剛性支腿，另一側(cè)用柔性支腿，以減輕自重，補(bǔ)償跨度誤差。（2）載重小車雙梁龍門起重機(jī)的載重小車與橋式起重機(jī)小車基本相同。但主梁通常用電動葫蘆做載重小車，但單主梁的龍門起重機(jī)不使用普通的電動葫蘆做載重小車。由 20t 龍門起重機(jī)箱形主梁力學(xué)分析及優(yōu)化設(shè)計于吊鉤需要放置在主梁的外側(cè)(即側(cè)向懸掛的方式)，所以小車形式也相應(yīng)有變化，除了沿軌道形式的車輪外，還增加了防止傾翻和導(dǎo)向的水平和垂直滾輪（3）大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)同橋式起重機(jī)，多采用分別驅(qū)動。因為是露天作業(yè)，其支腿面裝有夾軌器或壓軌器。在起重機(jī)不工作或偶有大風(fēng)時，采用夾軌器夾緊軌道，防止起重機(jī)被風(fēng)吹動造成事故。（4）電氣設(shè)備（a）電機(jī)：電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)分為電動狀態(tài)和制動(發(fā)電)狀態(tài)兩種。在龍起重機(jī)中，當(dāng)電機(jī)引進(jìn)電能時，電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，這種運(yùn)狀態(tài)稱為電動狀態(tài):當(dāng)電機(jī)軸上加入機(jī)械能，除去電機(jī)本身的損耗外在電機(jī)內(nèi)變成電能，這種運(yùn)動狀態(tài)成為制動( 發(fā)電)狀態(tài)。在一定條件下，任何一臺電機(jī)都可以采用上述兩種狀態(tài)中的任何一種狀態(tài)運(yùn)行。（b）照明與信號：照明分為內(nèi)部照明和工作場地照明兩種。內(nèi)部照明包括縱室照明、電氣設(shè)備室照明和手提檢修燈；在露天場地工作的起重機(jī)一般由于地照明條件較差，往往需要增設(shè)探照燈 2-4 只。（c）駕駛室駕駛室是操作人員對龍門起重機(jī)進(jìn)行具體使用的場所，由于龍門起重機(jī)是卸大型貨物的重要起重設(shè)備，其運(yùn)行的好壞直接影響運(yùn)行的效率，因此，對操作人員有很嚴(yán)格的要求。例如熟悉龍門起重機(jī)的用途、設(shè)備、操作方法、起重能力以及保養(yǎng)知識等[5]。2.1.3 龍門起重機(jī)的主要形式龍門起重機(jī)的形式很多，這里主要介紹幾種主要形式。根據(jù)主梁形式，可為單主梁龍門起重機(jī)和雙主梁龍門起重機(jī)。龍門起重機(jī)的起重小車若采用電動蘆，稱為單梁電動葫蘆式龍門起重機(jī)。單梁電動葫蘆龍門起重機(jī)的承重結(jié)構(gòu)是上部主梁和支腿，當(dāng)起重量較小時，用單梁工字鋼即可作為電動葫蘆的跑道，又可作為承載梁。當(dāng)起重量和跨度較時，工字鋼上需加矩形斷面析架梁起重要承載作用。單梁電動葫蘆龍門起重機(jī)有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便等優(yōu)點。缺點是速度低、起重量小(一般在 10t 以下)。5單梁龍門起重機(jī)若采用專制小車則稱單主梁小車式龍門起重機(jī)。由于其支的形式不同，可分為單主梁 L 形和單主梁 C 形龍門起重機(jī)。 L 形單主梁龍門起機(jī)的起重小車多采用垂直反滾輪式(兩支點)小車；C 形單主梁龍門起重機(jī)多用水平反滾輪式(三支點)小直反滾輪小車構(gòu)造簡單，維修方便，但起機(jī)構(gòu)啟動和制動時垂直方向的跳動比較大。水平反滾輪小車工作過程中比較穩(wěn)，但維修不太方便。按龍門起重機(jī)支腿的數(shù)目，可分為龍門起重機(jī)和半龍門起重機(jī)。半龍門起重機(jī)的一個支腿沿地面軌道運(yùn)行，另一側(cè)則沿安置于廠房或倉庫結(jié)構(gòu)上的軌道運(yùn)行。按龍門起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的形式，有可分為析架式龍門起重機(jī)和板梁式龍門起重機(jī)。這兩種結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢是板梁結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)量大些，主要原因在于析架式結(jié)構(gòu)，起重量雖然要比板梁結(jié)構(gòu)要輕一些，但制造勞動量大，多采用手工焊，維修、保養(yǎng)也不太容易等。2.1.4 龍門起重機(jī)的基本參數(shù)龍門起重機(jī)的特性可用下列基本參數(shù)來表征:起重量、起升高度、跨度、懸臂長度、工作速度和生產(chǎn)率。（1）起重量龍門起重機(jī)的起重量(及額定起重量)是指起重機(jī)在正常工作時允許起吊的最大貨物的重量以及能從起重機(jī)上取下的取物裝置(不包括吊鉤裝置)重量之和。對于配置抓斗一和電磁吸盤的龍門起重機(jī)，起重量包括抓斗和電磁洗盤重量。起重量系列已有國家標(biāo)準(zhǔn)。龍門起重機(jī)國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)系列如表 2.1。表 2.1 龍門起重機(jī)起重量系列 單位：t3 5 8 10 12.5 16 20 32 40 5080 100 125 140 160 180 200 225 250（2）跨度龍門起重機(jī)的跨度是指大車行走軌道中心線之間的距離，單位是米(m)?？缍仁怯墒褂脝挝桓鶕?jù)起重機(jī)的工作范圍、起重機(jī)跨度內(nèi)鋪設(shè)線路的股數(shù)、運(yùn)輸車輛通道及需要貨位多少而定。龍門起重機(jī)通常采用兩種跨度系列。如表 2.2。表 2.2 龍門起重機(jī)現(xiàn)行跨度系列 單位：m系列111 14 17 20 23 26 29 32 35 38系列210.5 13.5 16.5 19.5 22.5 25.5 28.5 31.5 34.5 37.5（3）起升高度龍門起重機(jī)的起升高度是當(dāng)?shù)蹉^上升到最高位置時，大車運(yùn)行軌面到吊鉤中心的垂直距離，單位是米(m) 。對于抓斗龍門起重機(jī)，起升高度則是當(dāng)抓斗上升到最高位置時，大車運(yùn)行軌面到抓斗最低點之間的垂直距離。對于某些裝卸船只的龍門起重機(jī)，吊鉤或抓斗需要下到大車運(yùn)行軌面以下進(jìn)入船艙裝卸貨物，此時起升高度應(yīng)該包括軌6面以下的部分(稱下放深度)，軌面以上的起升高度與下放深度之和總稱起升高度。（4）工作速度龍門起重機(jī)的工作速度包括起升和運(yùn)行(大車運(yùn)行和小車運(yùn)行)速度。起升速度是指吊鉤( 抓斗 )的起升速度，單位為米/分(m/min)。運(yùn)行速度是指龍門起重機(jī)大車和起重小車的行走速度，單位為米/分(m/min)。工作速度的選擇應(yīng)與工作行程相適應(yīng)。協(xié)同工作機(jī)構(gòu)的速度應(yīng)該協(xié)調(diào)，不至于因某一機(jī)構(gòu)太慢或太快影響工作循環(huán)時間。（5）生產(chǎn)率生產(chǎn)率是表明龍門起重機(jī)裝卸能力的綜合指標(biāo)，單位為噸/時(t/h) 。生產(chǎn)率可根據(jù)起重量、機(jī)構(gòu)的工作速度、工作行程以及機(jī)構(gòu)重疊工作的程度進(jìn)行計算。實際生產(chǎn)率還取決于生產(chǎn)條件和操作者的熟練程度。龍門起重機(jī)的基本參數(shù)一般是在設(shè)計前根據(jù)使用單位的要求合理選定的。起重量及表示工作范圍的尺寸參數(shù)可根據(jù)所裝卸的單件重量及工作場地的情況決定。工作速度與生產(chǎn)率大小有關(guān)。一般來說，對裝卸量大、生產(chǎn)率要求高的裝卸時取較高的工作速度，對大件貨物裝卸或安裝時取較小的工作速度[7]。2.2 龍門起重機(jī)的選型2.2.1 設(shè)計數(shù)要求起重量： 16t最大跨度： 24m最大起升高度： 18m 軌距： 24m 工作級別： A6起升速度： 2～20m/min起重機(jī)運(yùn)行速度：8～80 m/min車運(yùn)行速度： 4～40 m/min2.2.2 方案選型龍門起重機(jī)的選型必須建立在調(diào)查研究的基礎(chǔ)上。選型時應(yīng)充分了解用戶要求，機(jī)械的工作條件，制造工藝水平，設(shè)備維修能力和料源等因素。無論選擇了什么形式的龍門起重機(jī)，都要力求達(dá)到節(jié)約材料，使用性能好，制造安裝容易，維修方便，專用費(fèi)用少和外形美觀等目的。選型時應(yīng)該由使用、制造、設(shè)計技術(shù)人員三方面相互協(xié)商，汲取各方面的經(jīng)驗和成果，尤其是國外先進(jìn)技術(shù)[6]。7第 3 章 龍門起重機(jī)總體及金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1 總體結(jié)構(gòu)及尺寸設(shè)計3.1.1 主梁設(shè)計（1）基本尺寸設(shè)計取主梁高度 H1=（1/14-1/17 ）L=3.6 ～6.8m根據(jù)設(shè)計的實際要求和結(jié)構(gòu)的要求取 H1=4040mm選用主梁為偏軌式箱形主梁 主梁寬度 B1=（0.6～0.8）H1=1.3 ～2.1m初選 B1=1.59m變截面長度 初選為 3m主梁上、下翼緣板厚 δ0 =20mm主腹板 δ1=12mm 副主板 δ2 =8mm箱形梁承軌部分采用寬翼緣 T 字鋼拼合，型號為 600T 字鋼上翼緣厚 20、腹板厚 12圖 3-1 主橋架總圖8（2）主梁截面幾何參數(shù)計算圖 3-2 主梁截面尺寸截面積:A0=(1774X20+1650X20+4000X12+4000X8)mm2=148520mm4求重心坐標(biāo)： 1(748201640128340165208)5209.3x mm????????1(365)48.y?求慣性矩： 33332221411706504084069. .9.93.85(m)XI?????????33332222104117065404086.9.7.75()yI?????????3.1.2 端梁設(shè)計端梁高度 H2=1/2H1=2020mm寬度 B2=1m端梁上、下翼緣板厚 δ0′=10mm9腹板 δ=8mm主梁和端梁采用法蘭盤螺栓鏈接圖 3-3 端梁尺寸3.1.3 剛性支腿設(shè)計根據(jù)跨度 60m，采用一剛性支腿和一柔性支腿的設(shè)計方法，柔性支腿鉸接。在門架平面計算按靜定簡圖，在計算支腿平面內(nèi)力時，采用超靜定簡圖。由于設(shè)計起重機(jī)為工作級別為 M6，最大輪壓為 20.3t，查手冊選取車輪的車輪直徑為 Φ800，軌道型號為 QU80。由于起升高度 H0=16.5m，極限起升高度距主梁下翼緣高度 h0=2.5m，支腿與質(zhì)量連接支座高度 hz=0.3m 。6 輪臺車高度 h 臺 =3.415m臺車與下端梁連接支座 H 支下=185mm 下端梁高度 H 下端=600mm得出支腿的高度為：H 支= H0+h0-hz-h 臺-H 支下 -H 下端=（ 16.5+2.5-0.3-3.415-0.185-0.6）m=14.5m=14500mm門架平面:剛性支腿上端寬度:b 剛上=1.2h 主=4.8m 。為滿足彎矩和扭力的強(qiáng)度要求，取 b 剛上=5m。下端寬度 b 剛下1.59/3=0.53m?？紤]車輪和支腿支撐的構(gòu)造，取 b 剛下=1000mm。為節(jié)省材料又能符合力學(xué)的要求，將剛性支腿的構(gòu)造設(shè)計為如下圖形式：10圖 3-4 剛性支腿剛性支腿上截面：圖 3-5 1—1 截面圖剛性支腿下截面：圖 3-6 2—2 截面圖剛性支腿 1-1 截面計算：11222(640157610)49098Amm??????圖 3-7 剛性支腿上端截面整個截面是由兩個截面組成，一個截面321041205762140795.68mxI??????半 （ ）9y434半 （ ）整個截面的慣性矩： 10423.6mxI??半 2124y5.9A??半計算剛性支腿中間截面的尺寸屬性： 2980?剛 中 上 143.6mxxI?剛 中 上 （ ）214yy275.30A??剛 中 半 （ ）剛性支腿下端截面計算： 22(10416)6m???3 10425740795.4xI???（ ）29y 231 （ ）3.1.4 柔性支腿設(shè)計 柔性支腿下端寬度設(shè)計于剛性支腿相同：b 柔下=1040mm根據(jù) b0.7??柔 下柔 上 柔 上12取 b 柔上=1640mm圖 3-8 柔性支腿支腿上截面：圖 3-9 柔性支腿上端截面柔性支腿下端截面和剛性支腿下端截面各尺寸一樣：圖 3-10 柔性支腿下端截面柔性支腿上截面： 22(1640215760)740Am?????3 1044953.6mxI ?（ ）1332104y124602157693.5mI??????（ ）柔性支腿中間截面： 22(3)04Am3 104120576147953.xI??????（ ）2y42068m（ ）柔性支腿下截面和剛性支腿下截面各尺寸一樣，截面性質(zhì)一樣在此不再做計算。3.1.5 下端梁設(shè)計圖 3-11 下端梁總尺寸下端梁的兩端截面計算：圖 3-12 下端梁截面22(1046201)4580Am?????3 9463.1mxI ?（ ）2y 912 （ ）3.1.6 上馬鞍設(shè)計上馬鞍設(shè)計與主梁直接相連，截面比較細(xì)小，起到加強(qiáng)橋架穩(wěn)定性、水平剛度、抗彎、抗扭能力。因為上馬鞍不在支腿平面與支腿直接剛性連接，所以所受作用力相對較小。為了簡化模型在此我們不對其做考慮，把其當(dāng)作進(jìn)一步加強(qiáng)作用。14圖 3-13 支腿平面示意圖圖 3-14 上馬鞍的尺寸設(shè)計3.2 主橋架計算3.2.1 載荷計算 起重機(jī)的各種載荷不可能同時作用于金屬結(jié)構(gòu)，應(yīng)按各種載荷出現(xiàn)的頻繁程度與結(jié)構(gòu)的重要性根據(jù)起重機(jī)不同工況，考慮最不利的情況下，進(jìn)行合理組合。（1）主梁自重載荷 主梁的單位重量： 34q019.801./2'6GFNmLl?????靜 總（2）一根主梁上小車集中載荷 由于小車的軌距相對主梁橋梁的長度過小，故計算時將車輪壓力計算為一點壓力，作為集中載荷，作用于主梁上的移動載荷。 35()/2(108)9.10/29.810Qxcpmg N????????由于 簡便起見 用 代替 ， ， =1.1421??4?24?（3）端梁自重 分配于主梁端部為固定集中載荷:153449.810.91dFN????（4）慣性載荷 一根主梁上的小車慣性力為: 549.8107.14HxP????一根主梁自重的慣性力: 431.30.951/HFqNm?端梁自重作用在主梁端的慣性力為: 32.7014dHP?（5）偏斜運(yùn)行側(cè)向力 由于本起重機(jī)采用剛、柔性支腿，故側(cè)向力主要作用在剛性支腿架下面。①滿載小車在主梁跨中央 支腿下面采用 6 車輪臺車，2 個一組剛性支腿端總靜輪壓： 36111P()(46208)9.0.7903RGP N?????????橋由 查得06.8LB.15??偏斜側(cè)向力為： 641s.079.08.9102RP N????②滿載小車在主梁左端極限位置 剛性支腿下端車輪總靜輪壓為： 362111P)468012)9.0.4032RGP N?????????橋（ （ 5s22.0.5.N?（6）扭轉(zhuǎn)載荷偏軌箱形梁有垂直載荷和水平慣性力的偏心作用而產(chǎn)生的移動扭矩，其他載荷產(chǎn)生的扭矩較小而且作用方向相反，故不做考慮。偏軌箱形梁彎心 A 在梁截面的對稱形心在 x 軸上， （不考慮翼緣板外伸部分）彎心16至主腹板中線的距離為： 21281()(1590)632ebm????????圖 3-15 扭轉(zhuǎn)載荷計算軌高 hg=152mm1' (2015)2172ghHhm????移動扭轉(zhuǎn)力為： 551.9863.80pTe Nm?????4'702.1.HxPh??3.2.2 強(qiáng)度計算（1）主梁跨中的強(qiáng)度計算需要計算主梁跨中截面危險點 1、2、3 的強(qiáng)度圖 3-16 主梁截面主腹板上邊緣點 1 的應(yīng)力17主腹板邊至軌頂距離為： 01527yghm????主腹板邊的局部壓應(yīng)力為： 54.98107.6(27)2mPMpaC????????垂直彎矩產(chǎn)生的應(yīng)力為： 7301 1.049.06.893.85xMy paI??水平彎矩產(chǎn)生的應(yīng)力為： 63102 102.72.7.6.5yx MpaI????慣性載荷與側(cè)向力對主梁產(chǎn)生的軸向力較小且作用相反。應(yīng)力很少故這此不計算。主梁上翼緣的靜矩為: 0103(.5)2174(986.10)72yBm???????主腹板邊上的切應(yīng)力為： 57531 6.4.04.100378(28)927.2FpSyTnIxAMa?? ???????式中：A0 為主梁的過四邊中心線的截面面積： 201594063918m???點 1 的應(yīng)力：002.5pa??2222 231.957.0613.957.063.16.87[]7mMpa??????????點 2 的應(yīng)力：736321 10.042.2.82.3855710.736.1.9[]yxIpaMpa?????????驗證合格18點 3 的應(yīng)力： 736322 110(30)2.045.902.89.1.5]1.53857.(0.7)6.[yxMIIpaMpa???????????（ （ ）⑵小車位于懸臂極限位置處主梁支腿根部截面的強(qiáng)度計算仍然驗算該截面的 1、2、3 點的強(qiáng)度主腹板上邊的切應(yīng)力為: 5.40FpSyTnpaIxA??????點 1 的應(yīng)力:736311002 1 10.096.0.572.3858.37.56yxMIpa???????2222 20067.0657.35.41.[]175m?????????點 2 的應(yīng)力:點點 3736322 1 10.02.90.592.3.85.79.54.1.[]yxMIIpaMpa???????????的應(yīng)力: 736322 1 10(30)1.025.90.589.1.[].5(3875(947.816.[]yxIIpapa???????? ???? ）3.2.3 疲勞強(qiáng)度計算橋架工作級別為 M6，應(yīng)按載荷組合計算Ⅰ計算主梁跨中的最大彎矩截面的疲勞強(qiáng)度。由于水平慣性載荷產(chǎn)生的風(fēng)載產(chǎn)生的應(yīng)力相對較小，為了簡化計算故忽略。主梁自重彎矩:19圖 3-17 主梁自重彎矩滿載小車在跨中時對主梁的彎矩:圖 3-18 集中載荷作用的彎矩滿載小車在懸臂極限位置時的彎矩:圖 3-19 集中載荷作用的彎矩由此可見主梁中間位置截面的疲勞破壞最嚴(yán)重，以下驗算中間界面的疲勞強(qiáng)度:跨中最大彎矩為: 7max2.041McvNm???跨中的最小彎矩為，滿載小車在懸臂極限位置: 200424256'in()81.361.389.103)2.810qFLlPl Nm????????????（1）驗算主腹板受拉翼緣板焊縫 4 點的疲勞強(qiáng)度20圖 3-20 主梁截面73max20a 1().423.909.685My MpaI???????63in20in 1()57xI ??應(yīng)力循環(huán)特性： mi150.3a09.6Mpa??????根據(jù)工作級別 A6，應(yīng)力集中等級 K1 及材料 Q235，查得[σ-1]=119Mpa 焊縫拉伸強(qiáng)度許用應(yīng)力為： 1.67[].6719[] 82.300.rt Mpar??????max9.[]rtMpa?（ 合 格 ）（2）驗算橫隔板下端焊縫與主腹板連接處 5 點疲勞強(qiáng)度73ax2max 1(70).49.06.838y paI??????63in2in 1()4.750x MI ?應(yīng)力循環(huán)特性: mi14.6.3a038Mpa??????根據(jù)工作等級 A6 材料為 Q235，橫隔板采用雙面連續(xù)貼角焊縫連接，底板與受拉翼緣板的間隙距離為 50mm，應(yīng)力集中等級為 K3。查得[σ-1]=71Mpa。 1.67[].671[] 08.703rt Mpar??????符合要求。max.38t?3.2.4 主梁穩(wěn)定性計算（1）整體穩(wěn)定性 402.536hb??21整體穩(wěn)定性符合要求。（2）局部穩(wěn)定性翼緣板穩(wěn)定性: 01587960b???需設(shè)置一條縱向加勁肋在垂直中心線處，不再進(jìn)行驗算。翼緣板最大外伸部分: 0157.2eb???穩(wěn)定滿足。主腹板穩(wěn)定性: 043.2012h???副腹板穩(wěn)定性: 0450328h?需設(shè)置橫隔板及三條縱向加勁肋，主腹板設(shè)置相同，其布置顯示于圖：圖 3-21 主梁加強(qiáng)布局橫向大隔板間距 a=2000mm 縱向加勁肋位置 140.28hhm?且230.h?3240a??寬翼緣添加小隔板的間距為 a0=400mm加勁肋尺寸的確定:①大隔板的厚度為 δ=8mm，板中孔尺寸為 1200mm×3590mm②上翼緣板縱向加勁肋選用125×125×8mm22A=27.770cm2 Ix=514.65cm縱向加勁肋對翼緣板厚度中線的慣性矩為： 2 24110(.5).170xxIAeIbzm???????23 340.8.6???xa[I]=.8mxx?③主、副腹板采用相同的縱向加勁肋:A=19.75 Ix=297.03縱向加勁肋對主腹板厚度中線的慣性矩: 2 2174903175(263.7).xIAem???????2364[](5.)02.41.90aIhm?????或者： 23740[]1.5.42.1Ixh???合格xx?④端梁一樣在翼緣板上添加一根縱向加勁肋，在腹板上加兩根，分別在 0.2h 處和0.4h 處。大隔板也相同，間距 a=2m 厚度 δ=8mm勁板均采用 125×125×83.3 支腿計算3.3.1 載荷計算支腿平面內(nèi)計算的最不利工況是：滿載小車在懸臂極限位置，起重機(jī)不動或帶載荷偏斜運(yùn)動并制動，同時有風(fēng)載荷作用。支腿承受的載荷有：結(jié)構(gòu)設(shè)備重量、小車載荷、運(yùn)動沖擊力、偏斜側(cè)向力及工作風(fēng)力。（1）一根梁上的起升載荷與小車自重 36(208)9.10.1790p N???????（2）大車的自重23剛性支腿上端以上的自重: 3569.8106.7102GN????靜 總上剛性支腿下端以上的自重: 356918.08.102?靜 總下 剛 （ ）柔性支腿下端以上的自重: 356912.807.912GN????靜 總?cè)?下 柔 （ ）（3）小車的慣性力 3480.2.81014214xcHxP?小車與貨物的風(fēng)載荷: 4.650(.).79wcqAN????（4）垂直于門架平面的風(fēng)載荷 1.4/wNm??門（5）大車支腿以上橋架作用在支腿上的慣性力 426.231041HGxF??靜 總慣風(fēng)載荷: 42.5104wP N???主 （ 8+）4（6）作用與支腿架的風(fēng)載荷和支腿自重慣性力 /AqNm剛 53?柔 104.8/H剛 69qNm柔（7) 偏斜運(yùn)行側(cè)向載荷 Ps小車滿載跨中4s18.09PN??24小車滿載極限位置5s21.06PN??3.3.2 支腿強(qiáng)度計算門架平面內(nèi)，剛性支腿上端截面受到彎矩。柔性支腿與主梁鉸接不受彎矩。 支腿上端與主梁法蘭用螺栓連接，下端與下端梁焊接。（1）剛性支腿上端，內(nèi)測分支的最大內(nèi)測 1 點的應(yīng)力圖 3-22 剛性支腿上端123466(6.50015.)08.751ycccMMNm??????My 為水平彎矩產(chǎn)生的應(yīng)力: 563101 12(39).0502809.3.4.[]yGPxAIMpa??? ?? ???自 上 上（2）剛性支腿下端的計算在支腿平面內(nèi)，剛性和柔性支腿下端截面都受到彎矩作用。因剛性支腿下端截面與柔性一樣，但是剛性支腿所受的載荷對截面的作用較大。故在此只對剛性支腿下端進(jìn)行計算：由于支腿下端只受單向彎曲，故下翼緣最外側(cè)各點都是危險點，去任意點 22 點的應(yīng)力： 66612.710.5810.42510xMNm???????圖 3-23 支腿下端截面