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橋式起重機小車運行機構(gòu)設計
畢業(yè)設計開題報告
學 院
機械工程學院
專 業(yè)
機械工程及自動化
班級學號
學 生
指導教師
題 目
橋式起重機小車運行機構(gòu)設計
1 綜述
1.1 概述
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)模的擴大，自動化程度的提高，作為物料搬運重要設備的起重機在現(xiàn)代化生產(chǎn)過程中應用越來越廣，作用愈來愈大，對起重機的要求也越來越高。起重機正經(jīng)歷著一場巨大的變革。
大型化和專用化
1.2 國內(nèi)外起重機的發(fā)展情況介紹
??? 由于工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，生產(chǎn)效率日益提高，以及產(chǎn)品生產(chǎn)過程中物料裝卸搬運費用所占比例逐漸增加，促使大型或高速起重機的需求量不斷增長。起重量越來越大，工作速度越來越高，并對能耗和可靠性提出更高的要求。起重機已成為自動化生產(chǎn)流程中的重要環(huán)節(jié)。起重機不但要容易操作，容易維護，而且安全性要好，可靠性要高，要求具有優(yōu)異的耐久性、無故障性、維修性和使用經(jīng)濟性。目前世界上最大的浮游起重機起重量達6，500t，最大的履帶起重機起重量達3，000t，最大的橋式起重機起重量為1，200t，集裝箱岸邊裝卸橋小車的最大運行速度已達350m/min，堆垛起重機最大運行速度是240m/min，垃圾處理用起重機的起升速度達100m/min 。
??? 工業(yè)生產(chǎn)方式和用戶需求的多樣性，使專用起重機的市場不斷擴大，品種也不斷更新，以特有的功能滿足特殊的需要，發(fā)揮出最佳的效用。例如冶金、核電、造紙、垃圾處理的專用起重機，防爆、防腐、絕緣起重機和鐵路、船舶、集裝箱專用起重機的功能不斷增加，性能不斷提高，適應性比以往更強。德國德馬格公司研制出一種飛機維修保養(yǎng)的專用起重機，在國際市場打開了銷路。這種起重機安裝在房屋結(jié)構(gòu)上，跨度大、起升高度大、可過跨、停車精度高。在起重小車下面安裝有多節(jié)伸縮導管，與飛機維修平臺相連，并可作360度旋轉(zhuǎn)。通過大車和小車的位移、導管的升降與旋轉(zhuǎn)可使維修平臺到達飛機的任一部位，進行飛機的維護和修理，極為快捷方便。
1.3 國內(nèi)外起重機發(fā)展具體表現(xiàn)以下幾個方面：
1.3.1 模塊化和組合化
??? 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(gòu)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。可使單件小批量生產(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。
??? 目前，德國、英國、法國、美國和日本的著名起重機公司都已采用起重機模塊化設計，并取得了顯著的效益。德國德馬格公司的標準起重機系列改用模塊化設計后，比單件設計的設計費用下降12%，生產(chǎn)成本下降45%，經(jīng)濟效益十分可觀。德國德馬格公司還開發(fā)了一種KBK柔性組合式懸掛起重機，起重機的鋼結(jié)構(gòu)由冷軋型軌組合而成，起重機運行線路可沿生產(chǎn)工藝流程任意布置，可有叉道、轉(zhuǎn)彎、過跨、變軌距。所有部件都可實現(xiàn)大批量生產(chǎn)，再根據(jù)用戶的不同需求和具體物料搬運路線在短時間內(nèi)將各種部件組合搭配即成。這種起重機組合性非常好，操作方便，能充分利用空間，運行成本低。有手動、自動多種形式，還能組成懸掛系統(tǒng)、單梁懸掛起重機、雙梁懸掛起重機、懸臂起重機、輕型門式起重機及手動堆垛起重機，甚至能組成大型自動化物料搬運系統(tǒng)。
1.3.2 輕型化和多樣化
??? 有相當批量的起重機是在通用的場合使用，工作并不很繁重。這類起重機批量大、用途廣，考慮綜合效益，要求起重機盡量降低外形高度，簡化結(jié)構(gòu)，減小自重和輪壓，也可使整個建筑物高度下降，建筑結(jié)構(gòu)輕型化，降低造價。因此電動葫蘆橋式起重機和梁式起重機會有更快的發(fā)展，并將大部分取代中小噸位的一般用途橋式起重機。德國德馬格公司經(jīng)過幾十年的開發(fā)和創(chuàng)新，已形成了一個輕型組合式的標準起重機系列。起重量為1-63噸，工作級別為A1-A7，整個系列由工字形和箱型單梁、懸掛箱形單梁、角形小車箱形單梁和箱形雙梁等多個品種組成。主梁與端梁相接以及起重小車的布置有多種型式，可適合不同建筑物及不同起吊高度的要求。根據(jù)用戶需要每種規(guī)格起重機都有三種單速及三種雙速供任意選擇，還可以選用變頻調(diào)速。操縱方式有地面手電門自行移動、手電門隨小車移動、手電門固定、無線遙控、司機室固定、司機室隨小車移動、司機室自行移動等七種選擇。大車及小車的供電有電纜小車導電、DVS系統(tǒng)兩種方式。如此多的選擇項，通過不同的組合，可搭配成百上千種起重機，充分滿足用戶不同的需求。這種起重機的另一最大優(yōu)點是輕型化，自重輕、輪壓輕、外形尺寸高度小，可大大降低廠房建筑物的建造成本，同時也可減小起重機的運行功率和運行成本。與通用產(chǎn)品相比較，起重量為10t，跨度22.5m，通用雙梁橋式起重機自重是24t，起重機軌面以上高度1876mm，起重機寬度5980mm; 德馬格起重機的自重只有8.7t，重量輕了176%，起重機軌面以上高度為920mm，降低了104%，起重機寬度為2980mm，外形尺寸減少了100%。
1.3.3 自動化和智能化
??? 起重機的更新和發(fā)展，在很大程度上取決于電氣傳動與控制的改進。將機械技術(shù)和電子技術(shù)相結(jié)合，將先進的計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、光纜技術(shù)、液壓技術(shù)、模糊控制技術(shù)應用到機械的驅(qū)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(qū)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(diào)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(shù)、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(shù)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(diào)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。
例如采用激光裝置查找起吊物的重心位置，在取物裝置上裝有超聲波傳感器引導取物裝置自動抓取貨物。吊具自動防搖系統(tǒng)能在運行速度200m／min、加速度0.5m2／s的情況下很快使起吊物搖擺振幅減至幾個毫米。起重機可通過磁場變換器或激光達到高精度定位。起重機上安裝近場感應系統(tǒng)，可避免起重機之間的互相碰撞。起重機上還安裝了微機自診斷監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能提供大部分常規(guī)維護檢查內(nèi)容，如齒輪箱油溫、油位，車輪軸承溫度，起重機的載荷、應力和振動情況，制動器摩擦襯片的壽命及溫度狀況等。
1.3.4 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(jié)合，與生產(chǎn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)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(gòu)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。
??? 例如生產(chǎn)工程機械的美國卡特皮勒公司金屬結(jié)構(gòu)廠購置了一條以橋式起重機為主的物料自動搬運系統(tǒng)，用于鋼板的噴丸處理、切割和入庫的自動裝卸搬運作業(yè)，比原先采用單機操作工作效率提高了65%。日本東芝浜川崎工廠用全自動橋式起重機組成的物料輸送系統(tǒng)來搬運柔性加工線上的夾具和工件，為機床運送毛坯或?qū)⒓庸ず玫牧慵偷较乱还ば蚧騻}庫。這些在空間移動的起重機搬運系統(tǒng)代替了過去通常使用的自動導向搬運車，使車間的地面面積得到充分利用。
1.3.5 新型化和實用化
??? 結(jié)構(gòu)方面采用薄壁型材和異形鋼、減少結(jié)構(gòu)的拼接焊縫，提高抗疲勞性能。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。橋式起重機的橋架結(jié)構(gòu)型式大多采用箱形四梁結(jié)構(gòu)，主梁與端梁采用高強度螺栓聯(lián)接，便于運輸與安裝。
??? 在機構(gòu)方面進一步開發(fā)新型傳動零部件，簡化機構(gòu)?！叭弦弧边\行機構(gòu)是當今世界輕、中級起重機運行機構(gòu)的主流，將電動機、減速器和制動器合為一體，具有結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧美觀、拆裝方便、調(diào)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(gòu)上。為使中小噸位的起重小車結(jié)構(gòu)盡量簡化，同時降低起重機的尺寸高度，減小輪壓，國外已大量采用電動葫蘆作為起升機構(gòu)。為了減輕自重，提高承載能力，改善加工制造條件，增加產(chǎn)品成品率，零部件盡量采用以焊代鑄，如減速器殼體、卷簡、滑輪等都用焊接結(jié)構(gòu)。減速器齒輪都采用硬齒面，以減輕自重、減小體積、提高承載能力、增加使用壽命。液壓推桿盤式制動器的應用范圍也越來越大。此外，各機構(gòu)采用的電動機都向高轉(zhuǎn)速發(fā)展，從而減小電機基座號，減輕重量與減小外形尺寸，并可配用制動力矩小的制動器。
??? 在電控方面開發(fā)性能好、成本低、可靠性高的調(diào)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(shù)，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(shù)，用神經(jīng)信息和模糊技術(shù)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。
2 方案論證
2.1 橋式起重機的特點和種類
起重機是從事起吊、空中搬運的一種設備。常見的起重機有： 橋式起重機門式起重機、塔式起重機、港口起重機、汽車起重機、履帶起重機和鐵路起重機等。
橋式起重機是機械制造工業(yè)和冶金工業(yè)用得最廣泛的一種起重機機械，橋式起重機又稱“行車”或“天車”，是橫架在固定跨間上空用來吊運各種物件的設備。橋式起重機的特點是它既不占地面面積，又不妨礙地面上的作業(yè)，而且以較少的物資材料和極為穩(wěn)定的形態(tài)把建筑物內(nèi)各處都當作可能的作業(yè)范圍，進行高速、高效的服務，可以在起升高度和大、小車軌道所允許的空間內(nèi)負擔任意位置的吊運工作。
此外，橋式起重機容易以廉價實現(xiàn)借助控制盤和操縱盤進行自動操縱、或半自動操縱、內(nèi)裝電腦的程序操縱。設置在室內(nèi)的起重機中，橋式起重機約占90%。
橋式起重機有很多類型。一般按以下方法進行分類。
根據(jù)橋架的結(jié)構(gòu)不同，分為箱式結(jié)構(gòu)，四珩架結(jié)構(gòu)和腹板梁結(jié)構(gòu)等，其中箱式結(jié)構(gòu)用得最廣泛。
根據(jù)起吊裝置不同，分為吊鉤橋式起重機、電磁盤橋式起重機、抓斗橋式起重機。為了使吊鉤橋式起重機使用場合更廣泛，在吊鉤上附以可更換的電磁盤或馬達抓斗，以便作兩種或三種用途。
圖2-1 橋式起重機示意圖
2.2 橋式起重機的一般構(gòu)造
橋式起重機構(gòu)造：沿建筑物較長方向的兩壁設置的承軌梁，在梁上鋪設大車運行軌道，將裝有4個車輪（載荷大時裝有6個或8個車輪）的橋架跨在軌道上；裝有起升機構(gòu)和運行機構(gòu)的電動小車（cab）在橋架上運行。
大車軌道中心間的距離稱為跨度（span），在該軌道上運行的動作稱為大車運行。在橋架的中心或兩端裝有大車運行電動機，從電動機的水平軸引出動力，驅(qū)動半數(shù)的車輪。起升、小車運行及大車運行的速度，按工況和起重量的大小適當選定。一般來說，在起重量小和使用頻繁時，速度較高。
小車運行速度同大車運行的速度相比低得多，原因是小車運行距離接近建筑物的寬度，它不會太長，一般小于40m，而大車沿建筑物的長度方向運行，所以多數(shù)運行距離都是相當長的。
小型和低速的起重機，多數(shù)在地面上用按鈕進行操縱，而大型的高速的起重機，幾乎都坐在駕駛室內(nèi)進行操作。
起重機5t以下的起重機，多半用帶有電動運行機構(gòu)的電葫蘆代替電動小車。最近已有30t級的電葫蘆作為標準產(chǎn)品在市場上銷售。
當起重量超過20t時，一般起升速度比較低。只用單一的起升機構(gòu)長時間處理小件貨物效率很低。因此在這種起重機上，一般并設一個副起升機構(gòu)。
副起升也設在該小車上，但不用主起升電動機，而大型起重機的主梁，多數(shù)都采用單腹板梁、箱形梁等焊接結(jié)構(gòu)。
在主梁兩側(cè)設有輕型水平梁，稱為副梁。它通過水平構(gòu)件同主梁一起構(gòu)成一個水平框架，這對因主梁在大車運行時產(chǎn)生的慣性力所引起的水平載荷，是一個十分堅固的結(jié)構(gòu)。
此外，主副梁之間布置大車運行驅(qū)動電動機，與其相聯(lián)的減速機構(gòu)、傳動軸、軸承等。在它們的上方鋪設走臺板，設立欄桿，以便檢修人員行走。
對箱形結(jié)構(gòu)或殼體結(jié)構(gòu)的主梁來說，因為其水平抗彎剛度大，所以多數(shù)都不帶副梁。
小車是用型鋼和鋼板制成一個構(gòu)架，在上面設有主副起升用電動機、支持貨物用制動器及和它們相聯(lián)的減速齒輪機構(gòu)，通過該機構(gòu)驅(qū)動卷筒旋轉(zhuǎn)。必要時，在該機構(gòu)上還設速度制動器，供調(diào)節(jié)下降速度用，在小車外側(cè)設有運行電動機，它經(jīng)過齒輪減速減低速度并驅(qū)動車輪旋轉(zhuǎn)，使小車運行。
2.3 本次畢業(yè)設計的起重機介紹
橋式起重機的一般由主橋架、裝有升降機構(gòu)和運行機構(gòu)的小車、大車運行機構(gòu)、操縱室、小車導電裝置、起重機總電源導電裝置等組成。
本次設計主要任務是250/50/10t+250/50/10t-20.0M水電站橋式起重機，安裝于豐滿水電站擴建工程廠房內(nèi)，用于水輪發(fā)電機組及其附屬設備的安裝和檢修工作。客戶需求開發(fā)設計相應的起重機的小車運行機構(gòu)。
2.4 小車運行機構(gòu)
小車又稱臺車，主要包括小車架、小車運行機構(gòu)和 起升機構(gòu)。小車架由鋼板焊接而成，其上裝置有小車運行機構(gòu)、 起升機構(gòu)、欄桿及卷揚限位開關，小車運行結(jié)構(gòu)的兩端裝有緩沖器及限位開關。
小車運行機構(gòu)分兩種：一種是減速器在中間，另一種的減速器在一側(cè)。圖2.2（a）中，小車運行機構(gòu)是減速器位于小車中間，這種方式使小車減速器的輸出軸及傳動軸所承受的扭矩比較均勻。
圖2.2（b）所示的結(jié)構(gòu)是減速器在小車一側(cè)，這種結(jié)構(gòu)的特點是安裝和維修比較方便。小車的被動輪與大車被動輪一樣獨立運行。
圖2.2 小車運行機構(gòu)
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