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第一章 前言
起重機械用來對物料作起重、運輸、裝卸和安裝等作業(yè)的機械設備，它可以完成靠人力無法完成的物料搬運工作，減輕人們的體力勞動，提高勞動生產(chǎn)率，在工廠、礦山、車站、港口、建筑工地、倉庫、水電站等多個領(lǐng)域部門中得到了廣泛的使用，隨著生產(chǎn)規(guī)模的日益擴大，特別是現(xiàn)代化、專業(yè)化的要求，各種專門用途的起重機相繼產(chǎn)生，在許多重要的部門中，它不僅是生產(chǎn)過程中的輔助機械，而且已成為生產(chǎn)流水作業(yè)線上不可缺少的重要機械設備，它的發(fā)展對國民經(jīng)濟建設起著積極的促進作用。起重機械是起升，搬運物料及產(chǎn)品的機械工具。起重機械對于提高工程機械各生產(chǎn)部門的機械化，縮短生產(chǎn)周期和降低生產(chǎn)成本，起著非常重要的作用
在高層建筑、冶金、華工及電站等的建設施工中，需要吊裝和搬運的工程量日益增多，其中不少組合件的吊裝和搬運重量達幾百噸。因此必須選用一些大型起重機進行吊裝工作。通常采用的大型起重機有龍門起重機、門座式起重機、塔式起重機、履帶起重機、輪式起重機以及在廠房內(nèi)裝置的橋式起重機等。
在道路，橋梁和水利電力等建設施工中，起重機的使用范圍更是極為廣泛。無論是裝卸設備器材，吊裝廠房構(gòu)件，安裝電站設備，吊運澆注混凝土、模板，開挖廢渣及其他建筑材料等，均須使用起重機械。尤其是水電工程施工，不但工程規(guī)模浩大，而且地理條件特殊，施工季節(jié)性強、工程本身又很復雜，需要吊裝搬運的設備、建筑材料量大品種多，所需要的起重機數(shù)量和種類就更多。在電站廠房及水工建筑物上也安裝各種類型的起重機，供檢修機組、起閉雜們及起吊攔污柵之用。
在這些起重機中，橋式起重機是生產(chǎn)批量最大，材料消耗最多的一種。由于這種起重機行駛在高空，作業(yè)范圍能掃過整個廠房的建筑面積，因而受到用戶的歡迎，得到很大的發(fā)展。
起重機械用來對物料作起重、運輸、裝卸和安裝等作業(yè)的機械設備，它可以完成靠人力無法完成的物料搬運工作，減輕人們的體力勞動，提高勞動生產(chǎn)率，在工廠、礦山、車站、港口、建筑工地、倉庫、水電站等多個領(lǐng)域部門中得到了廣泛的使用，隨著生產(chǎn)規(guī)模的日益擴大，特別是現(xiàn)代化、專業(yè)化的要求，各種專門用途的起重機相繼產(chǎn)生，在許多重要的部門中，它不僅是生產(chǎn)過程中的輔助機械，而且已成為生產(chǎn)流水作業(yè)線上不可缺少的重要機械設備，它的發(fā)展對國民經(jīng)濟建設起著積極的促進作用。起重機械是起升，搬運物料及產(chǎn)品的機械工具。
目前，在工程起重機械領(lǐng)域，歐洲、美國和日本處于領(lǐng)先地位。歐洲作為工程起重機的發(fā)源地，輪式起重機生產(chǎn)技術(shù)水平最高。該地區(qū)的工程起重機械業(yè)主要生產(chǎn)全地面起重機、履帶式起重機和緊湊型輪胎起重機，也生產(chǎn)少量汽車起重機。其中，全路面起重機、履帶起重機以中大噸位為主；緊湊型輪胎起重機則以小噸位為主；汽車起重機一般為通用底盤組裝全地面上車，即以改裝為主。其產(chǎn)品技術(shù)先進、性能高、可靠性高，產(chǎn)品銷往全球。
隨著我國經(jīng)濟建設步伐的加快，生產(chǎn)和生活各個領(lǐng)域的建設規(guī)模的逐年擴大，也促進了施工機械化程度的迅速提高。先進的施工機械已成為加快施工速度，保證工程質(zhì)量和降低成本的物質(zhì)保證。起重機行業(yè)也因此得到了很大的發(fā)展。為促進社會主義建設事業(yè)的發(fā)展，提高勞動生產(chǎn)率，充分發(fā)揮其中運輸機械的作用是具有重要意義的。
箱形雙梁橋式起重機是由一個有兩根箱形主梁和兩根橫向端梁構(gòu)成的雙梁橋架,在橋架上運行起重小車,可起吊和水平搬運各類物體,它適用于機械加工和裝配車間料場等場合。橋架的結(jié)構(gòu)主要有箱形結(jié)構(gòu)，空腹桁架式結(jié)構(gòu)，偏軌空腹箱形結(jié)構(gòu)及箱形單主梁結(jié)構(gòu)等，5-80噸中小起重量系列起重機一般采用箱形結(jié)構(gòu)，且為保證起重機穩(wěn)定，我選擇箱形雙梁結(jié)構(gòu)作為橋架結(jié)構(gòu)。為了操縱和維護的需要，在傳動側(cè)走臺的下面裝有司機室。司機室有敞開式和封閉式兩種，一般工作環(huán)境的室內(nèi)采用敞開式的司機室，在露天或高溫等惡劣環(huán)境中使用封閉式的司機室。
由于本人水平有限，實踐經(jīng)驗不足，加上工作原因，時間比較倉促，設計中肯定有錯誤和欠妥之處，懇請各位老師多多批評指正。
第二章 抓斗橋式起重機設計任務書
2.1設計參數(shù)
主要參數(shù)為：起重量：Q=5t；起升高度：H=12m；起升速度：=10m/min；小車運行速度： =40m/min；大車運行速度：75m/min，跨度：L=20m；起重機估計總重量：G=240N；小車估計自重：40KN；電源：三相交流電源，380V，50Hz
機構(gòu)接電持續(xù)率：JC=25%；工作級別：A5。
2.2工作條件
抓斗橋式起重機作業(yè)環(huán)境為室內(nèi)作業(yè)，電源為三相異步交流電，電壓為380V，頻率為50HZ。電壓波動允許上限為+10%，下限(尖峰電流時)為額定電壓的-10%。起重機內(nèi)部電壓損失為3%。環(huán)境溫度：-10℃+40℃，在24小時內(nèi)平均溫度不超過+35℃。
2.3設計原則
為保證起重機安全正常工作，起重機本身應具備三個基本條件：
（1）金屬結(jié)構(gòu)和機械零部件應具有足夠的強度、剛度和抗彎曲能力；
（2）整機具備必要的抗傾覆穩(wěn)定性；
（3）原動機具備滿足作業(yè)性能要求的功率，制動裝置提供必要的制動轉(zhuǎn)矩。
第三章 小車起升機構(gòu)和運行機構(gòu)的設計計算
3.1起升機構(gòu)計算
3.1.1確定機構(gòu)傳動方案
起升機構(gòu)可采用的有開式傳動和閉式傳動。
（1）閉式傳動在電動機和卷筒之間，大多數(shù)情況采用傳動效率高的圓柱齒輪減速器，而蝸輪減速器由于傳動效率低，除特殊環(huán)境采用外，一般較少應用。
（2）開式傳動在電動機和減速器之間，除減速器外還有開式齒輪傳動，這種構(gòu)造類型適用于起升速度較低的情況，如我國生產(chǎn)的大型橋式起重機（Q≥80 t）的起升機構(gòu)多采用這種型式，由于開式齒輪傳動適用于圓周速度較低的情況，因此都將其放在靠近卷筒的最后一級傳動中，以保證正常工作。根據(jù)起升重量Q=5 t<80 t，選用傳動效率高的閉式傳動。
此設計采用常用的開式傳動，傳動方案如下圖：
`
圖3-1 傳動方案
1 減速器 2制動器 3、7 聯(lián)軸器 4 浮動軸 5電動機 6卷筒
3.1.2確定吊鉤和滑輪組
吊鉤分單鉤和雙鉤，一般場合采用單鉤，當起升重量較大時宜用雙鉤，根據(jù)5 t起升重量選擇單鉤。吊鉤材質(zhì)以低碳合金鋼或碳素結(jié)構(gòu)鋼為主。查表選用G13，自重99 kg。滑輪組分為單聯(lián)滑輪組和雙聯(lián)滑輪組。單聯(lián)滑輪組工作時，重物在垂直位移的同時，還會產(chǎn)生水
平位移，將對卷筒支承造成附加載荷，而雙聯(lián)滑輪組在工作時重物無水平位移，當兩邊鋼絲繩拉力有差別時，可以自動均衡負載。故根據(jù)起升重量要求，選用雙聯(lián)滑輪組。
3.1.3鋼絲繩的計算
鋼絲繩是由0.2~0.4 mm的優(yōu)質(zhì)碳素鋼光鋼絲捻制而成，具有強度高，耐磨性好，撓性好，無方向性，彈性大，能承受沖擊。根據(jù)靜載荷使用計算法選擇鋼絲繩。若滑輪組采用滾動軸承，當滑輪組倍率時，查表得滑輪組效率。
鋼絲繩所受最大拉力：
式中 ----為吊鉤組重量；
a----滑輪組型式系數(shù)。單滑輪組a=1；雙滑輪組a=2。
查表，中級工作類型（工作級別為）時，安全系數(shù)n=5.5。
鋼絲繩計算破斷力:
查表選用瓦林吞型天然纖維芯鋼絲繩，鋼絲繩公稱抗拉強度1670MPa，光面鋼絲，右交互捻，直徑d=11mm，鋼絲繩最小破斷力，標記如下：
3.1.4確定滑輪主要尺寸
滑輪的需用最小直徑：
D=d（e-1）=11（25-1）mm=264mm
式中 e----輪繩直徑比。查表取得e=25。
查表選用滑輪直徑D=315mm，取平衡輪直徑，查表選用。查表選用鋼絲繩直徑d=11mm，D=315，滑輪軸直徑D1=80mm的型滑輪標記為：
ZB J80 006.8-87
查表選平衡輪d=11mm，D=225mm，滑輪軸直徑D2=45的F型滑輪標記為：
ZB J80 006.8-87
3.1.5確定卷筒尺寸并驗算其強度
卷筒直徑：
查表選用D=300mm，卷筒繩槽t=13mm，槽底半徑r=7mm。
卷筒尺寸：
取
式中 ----附加安全系數(shù)，取=3；
----卷槽不切槽部分長度，取其等于吊鉤組滑輪的間距，即，實際長度在繩偏角允許的范圍內(nèi)可以適當增減；
----卷筒計算直徑
卷筒壁厚：
取
卷筒壁壓應力計算：
選用灰鑄鐵HT300，最小抗拉強度，需用壓應力：
，抗壓強度足夠。
卷筒拉應力驗算：由于D，尚應校核由彎矩產(chǎn)生的拉應力，卷筒彎矩圖示如下：
圖3-2卷筒彎矩圖
卷筒的最大彎矩發(fā)生在鋼絲繩位于卷筒中間時：
卷筒斷面系數(shù)：
式中 D----卷筒外徑，D=300mm；
----卷筒內(nèi)徑，。
于是
合成應力:
卷筒強度驗算通過。故選卷筒直徑D=300mm，長度L=1500mm，卷筒槽底半徑r=7mm，槽距t=13，起升高度H=12m，倍率；靠近減速器一端的卷筒槽向為左的A型卷筒標記為：
卷筒 J80 007.2-87
3.1.6選擇電動機
計算靜功率：
式中 ----機構(gòu)總效率，一般=0.80.9，取=0.85
電動機計算功率：
式中 系數(shù)由表查得，對于級機構(gòu)， 取=0.8
查表選擇YZR160L-6型電動機，在工作制下，JC=25%時，額定功率=13KW，轉(zhuǎn)速912rpmin，飛輪矩。
3.1.7驗算電動機發(fā)熱條件
按等功率法，求JC=25%時所需的等效功率：
，發(fā)熱條件滿足。
式中 ----工作級別系數(shù)，查得，對于級， =0.75；
----系數(shù)，根據(jù)機構(gòu)的啟動時間與平均工作時間的比值查得。一般此比值為0.10.2之間，取為0.1時，=0.87；
3.1.8選擇減速器
卷筒轉(zhuǎn)速：
減速器總傳動比：
查表選用Ⅲ，當工作類型為中級時，許用功率，，輸入軸直徑，軸長。
3.1.8驗算起升速度和實際所需功率
實際起升速度：
誤差：
實際所需功率：
3.1.9校核減速器輸出軸強度
有公式得輸出軸最大徑向力：
式中 ----卷筒上卷繞鋼絲繩引起的載荷；
----卷筒及軸的自重，查表得。
----ZQ500減速器輸出軸端最大允許徑向載荷，由表查得；
所以
由公式的輸出軸最大扭矩：
式中 ----電動機軸額定轉(zhuǎn)矩；
----當JC=25%時電動機最大力矩倍數(shù)，查表得；
----電動機傳動效率；
----減速器輸出軸最大允許轉(zhuǎn)矩，查表得。
所以
由以上計算，所選減速器能滿足要求。
3.1.10選擇制動器
所需制動力矩：
式中 ----制動安全系數(shù)，查表取=1.75；
查表選用制動器，其制動轉(zhuǎn)矩，制動輪直徑，制動器質(zhì)量。
3.1.11選擇聯(lián)軸器
高速軸聯(lián)軸器計算轉(zhuǎn)矩，有公式：
式中 ----電動機額定轉(zhuǎn)矩；
n=1.5----聯(lián)軸器安全系數(shù)；
----剛性動載系數(shù)，一般。
由表查得YZ R-160L-6電動機軸端為圓形，D=48mm，。由表查得ZQ-500減速器的高速軸軸端為圓錐形，d=50mm，。
靠電動機軸端聯(lián)軸器，由表帶制動輪的半齒輪聯(lián)軸器，其圖號為S286，最大容許轉(zhuǎn)矩值，飛輪力矩，質(zhì)量。
高速浮動軸兩端為圓柱形，。
靠減速器端聯(lián)軸器，由表選用帶制動輪的半齒輪聯(lián)軸器，其圖號為S123，最大容許轉(zhuǎn)矩，飛輪力矩
質(zhì)量。
3.1.12驗算啟動時間
啟動時間：
式中
靜阻力矩：
平均啟動轉(zhuǎn)矩：
所以
通常起升機構(gòu)啟動時間為，此處，可在電氣設計時，增加啟動電阻，延長啟動時間，故所選電動機合適。
3.1.13驗算制動時間
制動時間：
式中 ；
----制動器最大制動轉(zhuǎn)矩，。
所以
由表查得許用減速度，，，故
故合適。
3.1.14高速浮動軸的計算
（1）疲勞計算
起升機構(gòu)疲勞計算基本載荷
式中 ----動載系數(shù)，
----起升載荷動載系數(shù)（物品起升或者下降制動的動載效應）
由前已選定軸徑d=45mm，因此扭轉(zhuǎn)應力：
軸的材料用45號鋼，，。
彎曲：
扭轉(zhuǎn)：，。
軸受脈動循環(huán)的許用扭轉(zhuǎn)應力：
式中 ----考慮零件幾何形狀和零件表面狀況的應力集中系數(shù)；
----與零件幾何形狀有關(guān)，對于零件表面有急劇過渡和開有鍵槽及緊配合區(qū)段，，此處?。?
----與零件表面加工粗糙度有關(guān)，對于粗糙度為3.2的，；對于12.5的，，此處取。
故
----考慮材料對應力循環(huán)不對稱的敏感系數(shù)，對于碳鋼及低合金鋼；
----安全系數(shù)，
所以
故 通過。
（2）強度驗算
軸受到的最大轉(zhuǎn)矩：
最大扭轉(zhuǎn)應力：
許用扭轉(zhuǎn)應力:
式中 ----安全系數(shù)，查表取得=1.5；
故通過。
高浮動軸的構(gòu)造如下圖所示，中間軸徑，取
圖3-3 高浮動軸
3.2小車運行機構(gòu)計算
3.2.1確定傳動方案
具有四個車輪的其中半數(shù)為主動車輪的小車運行機構(gòu)，有閉式傳動和帶有開式齒輪的傳動兩種。由于開式齒輪易磨損，因此現(xiàn)代起重機已很少采用。閉式齒輪傳動的方案中，齒輪易于維修保養(yǎng)，齒輪傳動構(gòu)成獨立的減速器部件，機構(gòu)的裝拆分組性好。
3.2.2選擇車輪與軌道并驗算其強度
車輪最大輪壓：小車質(zhì)量，假定輪壓均勻分布
車輪最小輪壓：
選車輪：查表知，當運行機構(gòu)速度時，，工作級別為中級時，車輪直徑，軌道類型為，許用輪壓為，故選，能滿足要求。
強度驗算：按車輪與軌道為線接觸及點接觸兩種情況驗算車輪接觸強度。車輪踏面疲勞計算載荷：
車輪材料：ZG340-640，。
線接觸局部擠壓強度：
式中 ----許用線接觸應力常數(shù)（），查表??；
-----車輪與軌道有效接觸長度，對于軌道，=24.2；
----轉(zhuǎn)速系數(shù)；車輪轉(zhuǎn)速;
----工作級別系數(shù)；小車工作級別為級，;
，故通過。
點接觸局部擠壓強度：
式中 ----許用點接觸應力常數(shù)（）；查表取=0.132；
----曲率半徑；車輪與軌道曲率半徑的較大值，車輪，軌道曲率半徑，故取；
----由（r取中較小值）比值所確定的系數(shù)，,查表并用插值法算得m=0.428；
，故通過。
根據(jù)以上計算結(jié)果，選定直徑的單緣車輪，標記為：
車輪
3.2.3運行阻力計算
摩擦阻力距：
查表，因為車輪組的軸承型號為7512，據(jù)此選車輪組軸承亦為7512。軸承內(nèi)徑與外徑平均值。由表查得，滾動軸承摩擦系數(shù)R=0.0003，軸承摩擦系數(shù)，附加力阻力系數(shù)，代入上式得滿載時運行阻力矩：
運行摩擦阻力：
空載時：
3.2.4選擇電動機
電動機靜功率:
式中 ----滿載時靜阻力；
=0.9----機構(gòu)傳動效率；
m=1----驅(qū)動電機數(shù)目。
初選電動機功率
式中 ----電動機功率增大系數(shù)，由表查得；
由表選用，工作制下，時，，電動機質(zhì)量。
3.2.5驗算電動機發(fā)熱條件
等效功率：
式中 ----工作級別系數(shù)。當時，。
----取，則
，故所選電動機滿足發(fā)熱條件。
3.2.6選擇減速器
車輪轉(zhuǎn)速：
機構(gòu)傳動比：
查表選用型減速器，，質(zhì)量，(當轉(zhuǎn)速為時)，。
3.2.7驗算運行速度和實際所需功率
實際運行速度：
誤差：
，合適。
實際所需電動機等效功率：
，合適。
3.2.8驗算起動時間
式中
滿載運行是折算到電動機軸上的運行僅阻力矩：
空載運行時：
初步估算制動輪和聯(lián)軸器的飛輪矩：
機構(gòu)總飛輪矩：
滿載起動時間：
空載起動時間：
由表查得，當，推薦，，故所選電動機可以滿足快速起動的要求。
3.2.9按起動工況校核減速器功率
式中 ----計算載荷；
----運行機構(gòu)同一級傳動的減速器個數(shù)；=1。
所選減速器的，故合適。
3.2.10驗算起動不打滑條件
因室內(nèi)使用，故不計分阻及坡度阻力力矩，只驗算空載及滿載起動時兩種工況。空載起動時，主動車輪與軌道接觸處得圓周切向力：
車輪與軌道的粘著力：
，故不會打滑。
滿載起動時，主動車輪與軌道接觸處得圓周切向力：
車輪與軌道的粘著力：
，故滿載起動時也不會打滑，因此所選電動機合適。
3.2.11選擇制動器
對于小車運行機構(gòu)的制動時間必須，取，因此，所需制動轉(zhuǎn)矩：
查表選用型制動器，其制動轉(zhuǎn)矩，所取制動時間與起動時間很接近，故可以滿足制動不打滑條件。
3.2.12選擇高速軸聯(lián)軸器及制動輪
高速軸聯(lián)軸器計算轉(zhuǎn)矩：
式中 ----電動機額定轉(zhuǎn)矩；
----聯(lián)軸器安全系數(shù)，對運行機構(gòu)取=1.35；
----機構(gòu)剛性動載系數(shù)；，取=1.8。
由表查得電動機兩端伸出軸為圓柱形，。減速器高速軸端為圓柱形。故查表選用鼓形齒式聯(lián)軸器，主動端A型鍵槽；從動端A型鍵槽。標記為：
聯(lián)軸器 ，其公稱轉(zhuǎn)矩，飛輪矩，質(zhì)量。
高速軸端制動輪：根據(jù)制動器已選為，已知其制動輪直徑，圓柱形軸孔，標記為：
制動輪 ，其飛輪矩，質(zhì)量。
以上聯(lián)軸器與制動輪飛輪矩紙=之和：
，與原估計值基本相符，故以上計算不需要修改。
3.2.13選擇低速軸聯(lián)軸器
低速軸聯(lián)軸器計算轉(zhuǎn)矩，可由前節(jié)的求出：
由表查得減速器低速軸端為圓柱形。取浮動軸裝聯(lián)軸器軸徑。由表選兩個鼓型齒式聯(lián)軸器，其主動端：Y型軸孔，A型鍵槽，。從動端：Y型軸孔，A型鍵槽，。標記為：
聯(lián)軸器
前節(jié)已選定的車輪直徑，由表取車輪安裝軸直徑，同樣選兩個鼓型齒式聯(lián)軸器。其主動軸端：Y型軸孔，A型鍵槽，。從動端：Y型軸孔，A型鍵槽，。標記為：
聯(lián)軸器 。
3.2.14驗算低速浮動軸強度
（1）疲勞強度驗算：運行機構(gòu)疲勞計算基本載荷：
由前節(jié)已選定浮動軸端直徑d=60mm，其扭轉(zhuǎn)應力：
浮動軸的載荷變化為對稱循環(huán)，材料仍然選用45鋼，由其起升機構(gòu)高速浮動軸計算，得，，許用扭轉(zhuǎn)應力為：
式中 ----與起升機構(gòu)浮動軸計算相同。
，故疲勞強度驗算通過。
（2）強度驗算
運行機構(gòu)工作最大載荷：
式中 ----考慮彈性振動的力矩增大系數(shù)。對突然起動的機構(gòu)，=1.5-1.7，此處取=1.6；
----剛性動載系數(shù)，取。
最大扭轉(zhuǎn)應力：
，故強度驗算通過。
低速浮動軸中間直徑，取。如下圖：
圖3-4 低速浮動軸
第四章 大車運行機構(gòu)計算
4.1確定傳動方案
跨度20m為中等跨度,為減輕重量,決定用以下傳動方案
圖4-1 傳動方案
4.2選擇車輪與軌道，并驗算其強度
如圖
圖4-2 車輪
計算大車車輪的最大輪壓和最小輪壓
圖4-3大車輪壓
滿載時,最大輪壓:
=
=
空載時,最小輪壓:
=
=
=51KN
車輪踏面疲勞計算載荷：
=
=78.83KN
車輪的材料采用ZG340-640(調(diào)質(zhì)),700Mpa,380Mpa,選擇車輪直徑。
查表選軌道型號為QU70。
按軌道與車輪為點接觸和線接觸兩種情況來驗算車輪的接觸強度
點接觸局部擠壓強度驗算:
式中： k2——許用點接觸應力常數(shù)(N/mm),由文獻《起重運輸機械》表5-2查得, k2=0.181；
R ——曲率半徑,由車輪和軌道兩者曲率半徑中取最大值。QU70曲率半徑為R=400mm；
m——由軌頂和車輪的曲率半徑之比(r/R)所確定的系數(shù),查得m=0.46；
——轉(zhuǎn)速系數(shù),車輪轉(zhuǎn)速時,；
——工作級別系數(shù),查得,當M級時c2=1
故驗算通過。
（2）線接觸局部擠壓強度驗算:
式中：k1——許用線接觸應力常數(shù)(N/mm2),由[1]表5-2查得,k1=6.6；
l ——車輪與軌道的有效接觸長度, Qu70軌道的l=70mm;
Dc——車輪直徑(mm);
c1,c2——同前
故驗算通過。
4.3運行阻力計算
摩擦總阻力距:
由文獻《機械工程手冊》查得=500mm車輪的軸承型號為7520,軸承內(nèi)徑和外徑的平均值為140mm；
由表查得:滾動摩擦系數(shù)k=0.0006m；軸承摩擦系數(shù)；附加阻力系數(shù)。代入上式得：
當滿載時的運行阻力距
=
運行摩擦阻力:
當空載時
4.3選擇電動機
電動機靜功率:
式中: ——滿載運行時的靜阻力；
m=2——驅(qū)動電動機臺數(shù)；
=0.95——機構(gòu)傳動效率
初選電動機功率:
式中：kd——電動機功率增大系數(shù)；
選用電動機YZR132M2-6，當在工作制下，JC=25%時，額定功率為4.0KW，額定轉(zhuǎn)速=900r/min，轉(zhuǎn)子飛輪矩為0.26kg.，電動機質(zhì)量108kg。
4.4驗算電動機發(fā)熱條件
等效功率:
式中： k25——工作級別系數(shù),級， JC%=25%時,k25=0.75
——由[1]按起重機工作場所得 tq/tg=0.2-0.3,取，查得 =1.3
由此可知, ,故初選電動機發(fā)熱通過。
4.5選擇減速器
車輪轉(zhuǎn)速:
=
機構(gòu)傳動比:
選用兩臺減速器ZQ-350-Ⅴ-1/2Z，； [N]=9.2kw（當輸入轉(zhuǎn)速為1000r/min時）
可見Nj<[N]
4.6驗算運行速度和實際所需功率
實際運行速度:
誤差:
實際所需電動機靜功率:
由于 ,故所選電動機和減速器均合適。
4.7驗算啟動時間
啟動時間
式中：n1=900 r/min
m=2 (驅(qū)動電機臺數(shù))
——JC25%時電動機額定扭矩
滿載運行時的靜阻力距:
空載運行時的靜阻力距:
初步估算高速軸上聯(lián)軸器的飛輪距:
機構(gòu)總飛輪矩(高速軸)：
滿載啟動時間：
=5.66s
空載啟動時間:
=4.36s
大車啟動時間在允許范圍(5～10s)之內(nèi)，空載時間縮短，故合適。
4.8啟動工況下校核減速器功率
啟動工況下減速器傳遞功率：
式中：
=
=9365N
——運行機構(gòu)中同一級傳動減速器的個數(shù)，＝2
因此，
所選減速器的，[N]JC25％＝9.2KW>, 所以合適。
4.9驗算起動不打滑條件
由于起重機是在室內(nèi)使用，故坡度阻力及風阻力均不予考慮。
以下按三種工況進行驗算
（1）二臺電動機空載時同時起動：
式中： N——主動輪輪壓和；
N——從動輪輪壓和；
f = 0.2——室內(nèi)工作的粘著系數(shù)；
= 1.05~1.2——防止打滑的安全系數(shù)；
=2.98s
，故兩臺電動機空載起動不會打滑
（2）事故狀態(tài)：
當只有一個驅(qū)動裝置工作，而無載小車位于工作著的驅(qū)動裝置這一邊時，則
式中： N ——工作的主動輪輪壓
= 171000N ——非主動輪輪壓之和；
—— 一臺電動機工作時的空載起動時間：
=14.02s
=2.43s
, 故不打滑
（3）事故狀態(tài)：
當只有一個驅(qū)動裝置工作，而無載小車遠離工作著的驅(qū)動裝置這一邊時，則
；
=14.02s，與第2種工況相同
=1.8s
,故也不會打滑
4.10選擇制動器
由表，取制動時間 5s
按空載計算制動力矩：
式中：
N
—— 坡度阻力，查表取=0.002；
m = 2 制動器臺數(shù)，兩套驅(qū)動裝置工作
=27.58N·m
選用兩臺YWZ3B-200/25制動器；查附其額定制動力矩為112～225 ，為避免打滑，使用時需將其制動力矩調(diào)至以下。
考慮到所取的制動時間 ，在驗算起動不打滑條件時已知是足夠安全的。
4.11選擇聯(lián)軸器
根據(jù)機構(gòu)傳動方案，每套機構(gòu)的高速軸采用浮動軸
大車運行機構(gòu)高速軸上的計算扭矩：
式中： ——聯(lián)軸器的等效力矩：
——安全系數(shù)；
——等效系數(shù)，由表取＝2；
查電動機樣本，電動機YZR132M2-6，軸端為圓柱形，d1=38mm;；查得ZQ350-20.49-1/2Z減速器高速軸端為圓錐形d=40mm,l=60mm, 故在靠電動機端選兩個帶的制動輪半齒輪聯(lián)軸器圖號S196（靠電動機端為圓柱形，浮動軸端直徑d=40mm）；其；㎏·㎡；重量G=15㎏。故在靠減速器端高速軸上的半齒輪聯(lián)軸器圖號為S193（靠減速器端為圓錐形，浮動軸端直徑d=40mm）；其公稱轉(zhuǎn)矩；㎏·㎡；重量G=8.36㎏。
高速軸上的轉(zhuǎn)動零件的飛輪矩之和為：
+=0.36+0.107=0.467㎏·㎡，與原估計基本相符，故有關(guān)計算則不需要重復。
由表查得ZQ350減速器低速軸端為圓柱形，d=55mm，l=85mm；
查表得，主動車輪的伸出軸為圓柱形，d=75mm，l=105mm。低速軸轉(zhuǎn)矩：
式中：——傳動系數(shù)；
——減速器傳動比；
故低速軸上的聯(lián)軸器型號為CL4，齒式聯(lián)軸器，其公稱轉(zhuǎn)矩，
軸孔直徑75mm，軸孔長度107mm。
圖4-4 低速軸
4.12低速浮動軸多點驗算
（1）疲勞強度的驗算
式中 ----等效系數(shù)，查表得=1.4；
由上節(jié)已取浮動軸端直徑d=60mm，故其扭轉(zhuǎn)應力為：
由于浮動載荷變化問對稱循環(huán)。因為浮動軸在運行過程中正反轉(zhuǎn)扭矩相同，所以許用扭轉(zhuǎn)應力為：
式中 材料用45鋼。取，所以
----考慮零件幾何形狀和零件表面狀況的應力集中系數(shù)；
----與零件幾何形狀有關(guān)，對于零件表面有急劇過渡和開有鍵槽及緊配合區(qū)段，，此處取；
----與零件表面加工粗糙度有關(guān)，對于粗糙度為3.2的，；對于12.5的，，此處取。
故
----安全系數(shù)，
，故疲勞強度通過。
（2）靜強度驗算
計算靜強度扭矩：
式中 ----動力系數(shù)；查表取=2.5；
扭轉(zhuǎn)應力：
許用扭轉(zhuǎn)剪應力：
，故靜強度驗算通過。
高速軸所受扭矩比低速軸小，強度肯定可以滿足。
致謝
首先十分感謝指導老師周里群老師，在周老師的悉心指導和幫助下，學生順利完成了本次設計，并從中學到了很多有益的東西，不僅是新穎的設計思路和現(xiàn)場的加工經(jīng)驗，還學到了做人做事的態(tài)度、為人處事的方法和走上工作崗位后需注意的問題，這將會令學生受益終生。最后，我要對在本次設計完成過程中，給予我熱心幫助的毛照明，易維，楊鵬程等同學表示衷心的感謝！
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英文技術(shù)資料及中文翻譯
中文翻譯
機械設計及最優(yōu)設計
機械設計是一門通過設計新產(chǎn)品或者改進老產(chǎn)品，滿足人類需求的應用技術(shù)科學。它涉及工程技術(shù)各個領(lǐng)域，主要研究產(chǎn)品的尺寸、形狀和詳細結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)思，還要研究產(chǎn)品在制造、銷售和使用等方面的問題。
進行各種機械設計工作的人員通常被稱為設計人員或者設計工程師。機械設計是一門創(chuàng)造性的工作。設計工程師不僅在工作上面有創(chuàng)新性，還必須在機械制圖、運動學、運力學、工程材料、材料力學和機械制造工藝等方面有深厚的基礎知識。
如前面所述，機械設計的目的是生產(chǎn)滿足人類的需求的產(chǎn)品。發(fā)明、發(fā)現(xiàn)和科學知識本身并不一定能給人類帶來好處，只有當它們被用在產(chǎn)品上才能產(chǎn)生效益。因而，應該認識到在一個特定產(chǎn)品進行設計之前，必須先確定人們是否需要這種產(chǎn)品。
應當把機械設計看成是設計人員運用創(chuàng)造性的才能進行產(chǎn)品設計、系統(tǒng)分析和制訂產(chǎn)品的制造工藝的一個良機。掌握工程基礎知識要比熟記一些數(shù)據(jù)和公式更為重要。僅僅使用數(shù)據(jù)和公式是不足在一個好的設計中做出所需的全部決定的。另一方面，應該認真精確地進行所有的運算。例如，即使將一個小數(shù)點的位置放錯，也會是正確的設計變成錯誤的。
一個好的設計人員應該勇于提出新的想法，而且愿意承擔一定的風險；但新的方法不使用時，就恢復采用原來的方法。因此，設計人員必須要有耐心，因為所花費的時間和努力并不能保證帶來成功。一個全新的設計，要摒棄許多許多陳舊的的，為人們所熟知的方法。由于許多人易于墨守陳規(guī)，這樣做并不是件容易的事情。一位設計過程師應該不斷地探索改進現(xiàn)有產(chǎn)品的方法，在此過程中應該認真選擇原有的、經(jīng)過驗證的設計原理，將其與未經(jīng)過驗證的新觀念結(jié)合起來。
新設計本身會有許多缺陷和未能預料的問題發(fā)生，只有當這些缺陷和問題被解決之后，才能體現(xiàn)出新產(chǎn)品的優(yōu)越性。因此，一個性能優(yōu)越的產(chǎn)品誕生的同時，也伴隨著較高的風險。應該強調(diào)的是，如果設計本身不要求采用全新的方法，就沒必要僅僅為了變革的目的而采用新的方法。
在設計的在設計的初始階段，應該允許設計人員充分發(fā)揮創(chuàng)造性，不受各種約束。即使產(chǎn)生了許多不切實際的想法，也會在設計的早期，即繪制圖紙之前被改正掉。只有這樣，才不致于堵塞創(chuàng)新的思路。通常，要提出幾套設計方案，然后加以比較。很有可能在最后選定的方案中，采用了某些未被接受的方案中的一些想法。
心理學家經(jīng)常談論如何使人們適應他們所操作的機器。設計人員的基本職責是努力使機器來適應人們。這并不是一項容易的工作，因為實際上并不存在著一個對所有人來說都是最優(yōu)的操作范圍和操作過程。
另一個重要問題，設計工程師必須能夠同其他有關(guān)人員進行交流和磋商。在開始階段，設計人員必須就初步設計同管理人員進行交流和磋商，并得到批準。這一般是通過口頭討論，草圖和文字材料進行的。為了進行有效的交流 ，需要解決下列問題：
（1） 所設計的這個產(chǎn)品是否真正為人們所需要？
（2） 此產(chǎn)品與其他公司的現(xiàn)有同類產(chǎn)品相比有無競爭能力？
（3） 生產(chǎn)這種產(chǎn)品是否經(jīng)濟？
（4） 產(chǎn)品的維修是否方便？
（5） 產(chǎn)品有無銷路？是否可以盈利？
只有時間能對上述問題給出正確答案。但是， 產(chǎn)品的設計、制造和銷售只能在對上述問題的初步肯定答案的基礎上進行。設計工程師還應該通過零件圖和裝配圖，與制造部門一起對最終設計方案進行磋商。
通常 ，在制造過程中會出現(xiàn)某個問題。可能會要求對某個零件尺寸或公差作一些更改，使零件的生產(chǎn)變得容易。但是，工程上的更改必須要經(jīng)過設計人員批準，以保證不會損傷產(chǎn)品的功能。有時，在產(chǎn)品的裝配時或者裝箱外運前的試驗中才發(fā)現(xiàn)設計中的某種缺陷。這些事例恰好說明了設計是一個動態(tài)過程?？偸谴嬖谥玫姆椒▉硗瓿稍O計工作，設計人員應該不斷努力，尋找這些更好的方法。
近些年來，工程材料的選擇已經(jīng)顯得重要。此外，選擇過程應該是一個對材料的連續(xù)不斷的重新評價過程。新材料不斷出現(xiàn)，而一些原有的材料的能夠獲得的數(shù)量可能會減少。環(huán)境污染、材料的回收利用、工人的健康及安全等方面經(jīng)常會對材料選擇附加新的限制條件。為了減輕重量或者節(jié)約能源，可能會要求使用不同的材料。來自國內(nèi)和國際競爭、對產(chǎn)品維修保養(yǎng)方便性要求的提高和顧客的反饋等方面的壓力，都會促使人們對材料進行重新評價。由于材料選用不當造成的產(chǎn)品責任訴訟，已經(jīng)產(chǎn)生了深刻的影響。此外，材料與材料加工之間的相互依賴關(guān)系已經(jīng)被人們認識得更清楚。因此，為了能在合理的成本和確保質(zhì)量的前提下獲得滿意的結(jié)果，設計工程師的制造工程師都必須認真仔細地選擇、確定和使用材料。
制造任何產(chǎn)品的第一步工作都是設計。設計通?？梢苑譃閹讉€明確的階段：（a）初步設計；（b）功能設計；（c）生產(chǎn)設計。在初步設計階段，設計者著重考慮產(chǎn)品應該具有的功能。通常要設想和考慮幾個方案，然后決定這種思想是否可行；如果可行，則應該對其中一個或幾個方案作進一步的改進。在此階段，關(guān)于材料選擇唯一要考慮的問題是：是否有性能符合要求的材料可供選擇；如果沒有的話，是否有較大的把握在成本和時間都允許的限度內(nèi)研制出一種新材料。
在功能設計和工程設計階段，要做出一個切實可行的設計。在這個階段要繪制出相當完整的圖紙，選擇并確定各種零件的材料。通常要制造出樣機或者實物模型，并對其進行試驗，評價產(chǎn)品的功能、可靠性、外觀和維修保養(yǎng)性等。雖然這種試驗可能會表明，在產(chǎn)品進入到生產(chǎn)階段之前，應該更換某些材料，但是，絕對不能將這一點作為不認真選擇材料的借口。應該結(jié)合產(chǎn)品的功能，認真仔細地考慮產(chǎn)品的外觀、成本和可靠性。一個很有成就的公司在制造所有的樣機時，所選用的材料應該和其生產(chǎn)中使用的材料相同，并盡可能使用同樣的制造技術(shù)。這樣對公司是很有好處的。功能完備的樣機如果不能根據(jù)預期的銷售量經(jīng)濟地制造出來，或者是樣機與正式生產(chǎn)的裝置在質(zhì)量和可靠性方面有很大不同，則這種樣機就沒有多大的價值。設計工程師最好能在這一階段完全完成材料的分析、選擇和確定工作，而不是將其留到生產(chǎn)設計階段去做。因為，在生產(chǎn)設計階段材料的更換是由其他人進行的，這些人對產(chǎn)品的所有功能的了解不如設計工程師。
在生產(chǎn)設計階段中，與材料有關(guān)的主要問題是應該把材料完全確定下來，使它們與現(xiàn)有的設備相適應，能夠利用現(xiàn)有設備經(jīng)濟地進行加工，而且材料的數(shù)量能夠比較容易保證供應。
在制造過程中，不可避免地會出現(xiàn)對使用中的材料做一些更改的情況。經(jīng)驗表明，可采用某些便宜材料作為替代品。然而，在大多數(shù)情況下，在進行生產(chǎn)以后改換材料要比在開始生產(chǎn)前改換材料所花費的代價要高。在設計階段做好材料選擇工作，可以避免多數(shù)這樣的情況。在生產(chǎn)制造開始后出現(xiàn)了可供使用的新材料是更換材料的最常見的原因。當然，這些新材料可能降低成本、改進產(chǎn)品的性能。但是，必須對新材料進行認真的評價，以確保其所有性能都滿足要求。應當記住，新材料的性能和可靠性很少像現(xiàn)有材料那樣為人們所了解。大部分的產(chǎn)品失效和產(chǎn)品責任事故案件是由于在選用新材料作為替代材料之前，沒有真正了解它們的長期使用性能而引起的。
產(chǎn)品的責任訴訟迫使設計人員和公司在選擇材料時，采用最好的程序。在材料過程中，五個最常見的問題為：（a）不了解或者不會使用關(guān)于材料應用方面的最新最好的信息資料；(b)未能預見和考慮擦黑年品可能的合理用途（如有可能，設計人員還應進一步預測和考慮由于產(chǎn)品使用方法不當造成的后果。在近年來的許多產(chǎn)品責任訴訟案件中，由于錯誤地使用產(chǎn)品而受到傷害的原告控告生產(chǎn)廠家，并且贏得判決）；(c)所使用的材料的數(shù)據(jù)不全或是有些數(shù)據(jù)不確定，尤其是當其長期性能數(shù)據(jù)是如此的時候；(d)質(zhì)量控制方法不適當和未經(jīng)驗證；(e)由一些完全不稱職的人員選擇材料。
通過對上述五個問題的分析，可以得出這些問題是沒有充分理由存在的結(jié)論。對這些問題的研究分析可以為避免這些問題的出現(xiàn)指明方向。盡管采用最好的材料選擇方法也不能避免發(fā)生產(chǎn)品責任訴訟，設計人員和工業(yè)界按照適當?shù)某绦蜻M行材料選擇，可以大大減少訴訟的數(shù)量。
從以上的討論可以看出，選擇材料的人們應該對材料的性質(zhì)，特點和加工方法有一個全面而基本的了解。
當加工鋁時，我們主要關(guān)心的是：鋁粘住加工切削邊緣的傾向；保證有好的碎片排屑形成切削邊緣；和保證工具有足夠的中心強度來承受切削力而不被破壞。
技術(shù)發(fā)展，比如：Makino MAG系列，已經(jīng)使工具商重新考慮任何工藝水平的機器技術(shù)。用正確的加工和編程思路是很重要的。
材料，涂料和幾何形狀是與減小我們所關(guān)注問題相關(guān)系的工具設計的三個因素。如果這些因素不能一起很好的配合，成功的調(diào)整磨削是不可能的。為了成功進行高速鋁加工，理解這三個因素是很必要的。
使組合邊緣最小化
當加工鋁時，一個失敗的切削工具模式是，被加工的材料粘住工具切削邊緣。這種情況會很快削弱工具的切削能力。由粘著的鋁形成的組合邊緣會導致工具變鈍，以至不能切削材料。工具材料選擇和工具涂料選擇是被工具設計者用來減小組合邊緣出現(xiàn)的主要工藝。
亞微米微粒碳化物材料要求很高的鈷濃度來獲得良好的微粒結(jié)構(gòu)和材料強度屬性。隨著溫度的升高，鈷與鋁發(fā)生反應，鈷使鋁與暴露的工具材料碳化物相粘合。一旦鋁開始粘住工具，鋁會在快速的在工具上形成組合邊緣，使工具不可用。
在切削的進程中，減小鋁粘合著的工具的暴露碳化物的秘訣就是找到正確的碳化物的平衡來提供足夠的材料強度。在加工鋁時，為了減小粘附，使用能提供足夠硬度的紋理粗糙的碳化物來獲得平衡，來使變鈍變慢。
工具涂料
當嘗試減小組合邊緣時，第二個應該考慮的工具設計因素是工具涂料。工具涂料的選擇包括：TiN, TiAIN, AITiN，鉻氮化物，鋯氮化物，鉆石和鉆石般的涂料（DLC）。擁有這么多的選擇，航空航天磨削商店需要知道在鋁的高速加工應用中哪一種工作最有效。TiN, TiCN, TiAIN, 和 AITiN工具的PVD涂裝應用進程使這些選項不合適鋁的應用。PVD涂裝進程建立了兩個使鋁粘住工具的模式---表面的粗糙程度和鋁與工具涂料之間的化學反應。PVD進程形成了一個表面，這表面是比底層材料更粗糙的。由這個進程形成的表面“凹凸”使工具中的鋁在凹處快速集結(jié)。由于涂料有金屬晶體和鐵晶體特征，PVD涂料是可以和鋁發(fā)生化學反應的。一種TiAIN涂料通常是包含鋁的，這鋁很容易和相同材料的切削表面粘合。表面粗糙度和化學反應特性將會導致工具和工作片體粘在一起，以致形成組合表面。
OSG Tap and Die主導的試驗中，人們發(fā)現(xiàn)在高速加工鋁時，一個沒有涂染過紋理粗糙的碳化物的工具的表面優(yōu)于用TiN, Ticn, TiAIN, 或者ALTiN涂染過的工具。這個試驗不意味著所有工具涂料將減小工具的表現(xiàn)。鉆石和DLC涂料可生成一個非常光滑的化學惰性的表面。在切削鋁材料時，這些涂料很認為是能非常有效的提高工具的壽命。
鉆石涂料被認為是表現(xiàn)最佳的涂料，但這種涂料要一個很可觀的成本。對于表現(xiàn)價值，DLC涂料提供最佳成本，增加大約20%-25%的總工具成本，而壽命相對于未涂染過紋理粗糙的碳化物的工具來是，是增長得很明顯的。
幾何形狀
高速鋁加工工具設計的拇指定律就是使微粒排屑空間最大化。這是因為鋁是一種非常柔軟的材料。Federate通常是可以增長的，它生成更多更大的微粒。
Makino MAG-Series航空航天磨削機器，比如MAG4,要求額外關(guān)注工具幾何休和工具強度。擁有強大的80-hp的心軸的 MAG-Series機器將折斷工具如果他們不是用足夠的中心強度設計的。
總的來說，鋒利的切削邊緣一直都可以用來避免鋁的延伸。一個鋒利的切削邊緣將形成高剪切和高表面清潔，形成一個更好的表面和使表面振動最小化。結(jié)果是用優(yōu)良的紋理碳化物材料比紋理粗糙的碳化物材料更有可能獲得一個鋒利的切削邊緣。但由于鋁能粘住紋理好的材料，長久保持這各邊緣是不太可能的。
粗略的折衷方案
紋理粗糙的材料是最好的折衷。那是一種很強大的材料，它能擁有一個可觀的切削邊緣。試驗結(jié)果表明；在獲得長的工具壽命的同時擁有好的表面的可以的。通過工具來進行油霧冷卻是可以改進切削邊緣的保持的。霧化逐漸使工具冷卻，消除溫度急增的問題。
螺旋角度是一個額外的工具幾何考慮因素。傳統(tǒng)上來說，當加工鋁時，帶有高螺旋角度的工具已經(jīng)被運用。高螺旋角度可以使微粒更快地從部分脫離，但卻增加力和熱，這是由切削運動導致的。一個高螺旋角被用在工具上，并且很大數(shù)量的凹槽可以使微粒排泄。
當以非常高的速度加工鋁時，由增加的力形成的熱量可能會引起微粒與工具焊接在一起。此外，一個有很高螺旋角的切削表面將比低角度的更快產(chǎn)生微粒。僅僅利用兩個凹槽工具設計使低螺旋角和足夠微粒排泄區(qū)域成為可能。由OSG主導的延伸性試驗中，當發(fā)展新工具流水線時，這被證明是最成功的方法。
英文技術(shù)資料
Mechanical Design and Optimum Design
Mechanical design is the application of science and technology to devise new or improved products for the purpose of satisfying human needs. It is a vast field of engineering technology which not only concerns itself with the original conception of the product in terms of its size, shape and construction details, but also consideration the various factors involved in the manufacture and use of the product.
People who perform the various function of mechanical design are typically called designers, or design engineers. Mechanical design is basically a creative activity. However, in add