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本科學生畢業(yè)設計
龍門式起重機總體設計及金屬結構設計
系部名稱： 機電工程系
專業(yè)班級：機械設計制造及其自動化08-4
學生姓名： 紀超龍
指導教師： 鮑春平
職 稱： 高級講師
黑 龍 江 工 程 學 院
二○一二年六月
The Graduation Design for Bachelor's Degree
Longmen Crane Design and Design of Metal Structure
Candidate： Ji Chaolong
Specialty： Mechanical engineering
and automation
Class： 08-4
Supervisor：Senior Lecturer Bao chunping
Heilongjiang Institute of Technology
2012-06·Harbin
本科學生畢業(yè)設計
龍門式起重機總體設計及金屬結構設計
院部名稱：
專業(yè)班級：
學生姓名：
指導教師：
職 稱：
黑龍江工程學院
二O一二年六月
The Graduation Design for Bachelor's Degree
Longmen Crane Design and Design of Metal Structure
Candidate：Ji Chaolong
Specialty Class： Machinery class 08-4
Supervisor：Senior Lecturer Bao chunping
Heilongjiang Institute of Technology
2012-06·Harbin
黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計
摘 要
龍門式起重機是一種重要的物料搬運設備，廣泛應用于廠礦、車站、港口、電站等生產領域中。隨著經濟的發(fā)展，它不僅在國民經濟中占有重要的位置，而且在社會生產和生活的領域的應用也不斷擴大。國內各生產企業(yè)都在各自所屬的領域內擴展產品種類及優(yōu)化產品性能，采用一些先進的技術來開發(fā)自己的產品或通過引進國外先進技術來提高產品質量。
本文首先簡要介紹了課題的研究背景和意義，以及龍門起重機的發(fā)展趨勢與結構分類;然后列出了450t-38m龍門起重機設計的基本的參數(shù)，完成450t-38m龍門起重機總體的設計;計算了該龍門起重機受到的靜載荷、動載荷、風載荷、偏斜運行時的水平側向力、碰撞力等等;計算了龍門起重機的輪壓，校核了起重機的穩(wěn)定性、正常工作狀態(tài)和非正常工作狀態(tài)的防風抗滑安全性。以及對龍門式起重機的金屬結構設計和計算,對龍門式起重機的小車起升機構和行走機構進行了設計與計算,對龍門式起重機的大車行走機構進行了設計與計算。
關鍵詞：起重機；結構設計；起升機構；行走機構；
I
Abstract
Gantry crane is important lifting equipment and widely used in mines, railway stations, ports, power plants and manufacturing fields.They play an important role in the development of the society and their possible applications are expanding over the years. Domestic manufaeturers in their respeetive areas expand produet range and optimize Product Performanee，by introducting advaneed teehnology to develop their own Products or the foreign advanced teehnology to improve Product quality.
Firstly，the background and significance of this research were introdueed，and the development and the structural classification of the gantry crane are diseussed briefly in the paper,The 450t-38m gantry crane was designed with its basic Parameters;The static load，dynamic load，wind load，horizontal side force，collision force were computed，and stability and safty cheeked.The metal structure of gantry was designed and calculates.hoisting mechanism and walking mechanism of the car were designed and calculates; walking mechanism of the cart was designed and calculates,
Key words: Crane; Structural design；hoisting mechanism; walking mechanism；
I
目 錄
摘 要 I
Abstract I
目 錄 1
第1章 緒論 1
1.1起重運輸機械的概述 1
1.1.1起重運輸機械的作用 1
1.1.2起重運輸機械的工作特點 2
1.2起重運輸機械的發(fā)展趨勢 3
1.2.1國內起重機的發(fā)展方向 5
1.2.2國外起重機的發(fā)展方向 6
1.2.3國內外起重機現(xiàn)狀的比較 7
1.3課題的研究意義 7
1.4本課題研究的主要內容 8
第2章 龍門起重機結構分類和工作原理 9
2.1龍門起重機的分類 9
2.2龍門起重機的結構 9
2.3龍門起重機的主要形式 10
2.4龍門起重機的選型 11
2.5龍門起重機的基本參數(shù) 12
2.6龍門起重機的工作類型 13
2.7龍門起重機的使用材料 14
2.7.1使用材料的種類 14
2.7.2使用材料的要求 15
2.8本章小結 15
第3章 龍門起重機總體設計 16
3.1總體設計參數(shù) 16
3.2金屬結構設計計算 17
3.2.1基本設計參數(shù) 17
3.2.2載荷 17
3.2.3抗傾覆穩(wěn)定性 18
3.3金屬結構的截面幾何特性 19
3.4主梁強度計算 20
3.4支腿強度計算 21
3.5本章小結 24
第4章 小車的起升機構和行走機構設計和計算 25
4.1小車的起升機構設計和計算 25
4.1.1鋼絲繩選擇 25
4.1.2卷筒 26
4.1.3電動機的選擇 26
4.1.4減速器的選擇 27
4.1.5制動器的選擇 28
4.1.6機構起動時間計算 28
4.2小車的行走機構設計和計算 29
4.2.1小車運行機構的基本參數(shù) 29
4.2.2運行靜阻力 29
4.2.3電動機的選擇與計算 30
4.2.4減速器的選擇與計算 30
4.2.5連軸器的選擇 31
4.2.6制動器的選擇 32
4.2.7小車車輪的強度計算 32
4.3本章小結 33
第5章 大車行走機構設計計算 34
5.1大車運行機構的基本參數(shù) 34
5.2運行靜阻力 34
5.3電動機的選擇與計算 35
5.4減速器的選擇 35
5.5緩沖器的選擇 35
5.6車輪與軌道 36
5.7本章小結 36
結 論 37
參考文獻 38
致 謝 40
第1章 緒論
1.1起重運輸機械的概述
1.1.1起重運輸機械的作用
起重運輸機械是起升、搬運和輸送物料及產品的機具，是國民生產各部門提高勞動生產率、生產過程機械化不可缺少的大型機械設備，如圖1.1所示。起重運輸機械對于提高工程機械各生產部門的機械化，縮短生產周期和降低生產成本，起著非常重要的作用。
起重運輸機械是現(xiàn)代工業(yè)生產不可缺少的設備，被廣泛的應用于各種物料的起重、運輸、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度，提高了勞動生產率，是保證施工生產質量和效益的關鍵起重設備。有些起重運輸機械還能在生產過程中進行某些特殊的工藝操作，使生產過程實現(xiàn)機械化和自動化。在工廠、礦山、車站、港口、建筑工地、水電站、倉庫等各生產部門中，都得到廣泛地應用。在現(xiàn)代化鋼鐵企業(yè)中，起重運輸機械更是不可缺少的。近年來，由于工業(yè)技術的不斷發(fā)展，生產水平不斷提高，起重運輸機械的作用已超出作為輔助設備的范圍，進而直接應用于生產工藝過程中，成為生產流水作業(yè)線上的主體設備組成部分。因此，世界各國都在不斷改進起重運輸機械產品的性能，提高運轉速度和生產能力，提高自動化水平，制造方便可靠、新型、高效能的起重機和運輸機來滿足生產的需要[1]。
圖1.1 龍門式起重機
隨著現(xiàn)代科學技術的飛躍發(fā)展，在國民經濟各部門和基本建設中，新結構、新工藝、新技術、新材料的不斷應用。一些大、中型構件、橋梁等設備的垂直運輸及在高難度建筑上的安裝就位等工作，沒有起重機設備是很難完成的。
我國在發(fā)明和使用起重運輸機械方面，歷史是最悠久的。早在奴隸社會的商朝時期，由于農業(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)明了轆護以汲取更深的井水，轆護是由支架、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)代的刮板運輸機極為相似[2]。
隨著我國生產制造業(yè)的發(fā)展和進步，起重運輸機械制造業(yè)也得到了很大的發(fā)展和應用，起重運輸機械領域也從無到有、由小到大的逐步發(fā)展起來，一批起重運輸機械的科研機構和生產加工逐步建立，設計一、研制力量日趨壯大。不僅產品的種類基本齊全，而且有了自己的系列和標準。不僅能生產小型輕巧的起重機械，而且也能生產噸位很大的、技術較先進的大型起重機。但是，與世界先進水平比較，無論在產品的種類、數(shù)量方面，還是機械性能、質量等方面都存在著較大的差距。為盡快趕超世界先進水平，我們應該在獨立自主的原則下，認真學習國外先進技術[3]。
1.1.2起重運輸機械的工作特點
起重機是以間歇、重復的工作方式，通過起重吊鉤或其他吊具起升、下降，或升降與運移物料的機械設備。他在搬運物料時，經歷上料、運送、卸料及返回原處的過程，工作范圍較大。
起重機械通常具有龐大和比較復雜的機構，能完成一個起升運動、一個或幾個水平運動。所吊運的重物多種多樣，載荷是變化的。有的重物重達幾百噸甚至上千噸，有的物體長達幾十米，形狀很不規(guī)則。大多數(shù)起重機械需要在較大的范圍內運行，有的需要設軌道和車輪，有的要安裝輪胎或履帶在地面上行走(如汽車吊、履帶吊等)，還有的需要在鋼絲繩上行走(如客運、貨運架空索道)，活動空間較大，一旦造成事故影響面積也較大[4]。
有些起重機械，需要直接載運人員在軌道、平臺、或鋼絲繩上做升降運動(如電梯、升降平臺等)，其可靠性直接影響人身安全。
起重機械的工作特點如下：
1.吊物一般具有很大的質量和很高的勢能
被搬運的物料個大體重(一般物料均幾噸以上)、種類繁多、形態(tài)各異(包括成件、故料、液體、固液混合等物料)，起重搬運過程是重物在高空中的懸吊運動。
2.起重作業(yè)是多種運動的組合
起重機的金屬機構、傳動機構和控制裝置等機構組成多維運動，大量結構復雜、運動各異的金屬結構給作業(yè)安全帶來了潛在的危險。速度多變的可動零部件，形成起重機械的危險點多且分散的特點，給安全防護增加難度。
3.作業(yè)范圍大
金屬結構橫跨車間或作業(yè)場地，高居其他設備、設施和施工人群之上。起重機帶載可以部分或整體在較大范圍內移動運行，使危險的影響范圍加大。
4.多人配合的群體作業(yè)
起重作業(yè)的程序是地面司索工捆綁吊物、掛鉤;起重司機操作起重機將物料吊起，按地面指揮，通過空間運行，將吊物放到指定位置摘鉤、卸料。每一次吊運循環(huán)，都必須是多人合作完成，無論哪個環(huán)節(jié)出問題，都有可能發(fā)生意外。
5.作業(yè)條件復雜多變
在車間內，地面設備多，人員集中;在室外，受氣候、氣象條件和場地限制的影響，特別是流動式起重機還涉及到地形和周圍環(huán)境等多因素的影響。
6.暴露的、活動的零部件較多
在起重作業(yè)現(xiàn)場，大量機構與作業(yè)人員直接接觸(如吊鉤，鋼絲繩等)，容易對人身安全造成傷害。
總之，重物在空間的吊運、起重機的多機構組合運動、龐大金屬機構整機移動性，以及大范圍、多環(huán)節(jié)的群體運作，使起重作業(yè)的安全問題尤為突出[1]。
1.2起重運輸機械的發(fā)展趨勢
從20世紀后期開始，國際上龍式起重機的生產向大型化、多功能化、專用化和自動化的方向發(fā)展[5]。
①重點產品大型化，高速化和專用化
由于工業(yè)生產規(guī)模不斷擴大，生產效率日益提高，以及產品生產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、維修性和使用經濟性。
②系列產品模塊化、組合化和標準化
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)接要素以及可互換的標準模塊，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。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％，生產成本下降45％，經濟效益十分可觀。所有部件都可實現(xiàn)大規(guī)模生產，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將各種部件組合搭配即成。
③通用產品小型化、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，簡化結構，減小自重和輪壓，也可命名整個建筑物高度下降，建筑結構輕型化，降低造價。德國德馬格公司經過幾十年的開發(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1-80噸，工作級別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3本，同時也可減小起重機的運行功率和運行成本。與通用產品相比較，起重量10t，跨度22.5m，通用雙梁橋式起重機自重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920mm，降低了104％，起重機寬度2980mm，外形尺寸減少了100%。
④產品性能自動化、智能化和數(shù)字化
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，以適應自動化生產的需要。
⑤產品組合成套化、集成化和柔性化
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，與生產設備有機結合，與生產系統(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[11]。
基于以上起重機的發(fā)展特點和國內外集裝箱碼頭的現(xiàn)狀，世界上絕大多數(shù)大型的集裝箱港口都采用跨運車、輪胎式龍門起重機和軌道式龍門起重機系統(tǒng)。相比于跨運車，龍門起重機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訂單占世界總訂單的34%，而通用型中大型門式起重機的需求量日益劇增。因此對中大型門式起重機優(yōu)化設計、輕量化設計研究已經成為該領域的熱點問題[14-16]。
1.2.1國內起重機的發(fā)展方向
1.改進起重機械的結構，減輕自重
目前國內起重機己經開始采用計算機優(yōu)化設計，以此提高整機的技術性能和減輕自重，并在此前提下采用新結構。如5~50t通用橋式起重機中采用半偏軌的主梁結構，與正軌箱形梁相比，可減少或取消主梁中的小加筋板，取消短加筋板，減少結構重量，節(jié)省加工時間。
2.充分吸收利用國外先進技術
目前，我國起重機行業(yè)已經明顯落后于西方工業(yè)化國家。充分吸收和利用國外先及技術，可以明顯縮短設計周期，提高技術質量，降低生產成本。如起重機大車運行機構采用了德國Denlang公司的“三合一”驅動裝置，吊掛與端梁內側，使其不受主梁下?lián)虾驼駝拥挠绊懀岣吡诉\行機構的性能與壽命，并使結構緊湊，外觀美觀，安裝與維修方便。
3.向大型化方向發(fā)展
由于國家對能源工業(yè)的重視和資助，建造了許多大中型水電站，發(fā)電機組越來越大。特別是長江三峽工程的建設對大型起重機的需要量迅速上升。三峽工程左岸電站主廠房安裝了兩臺1200/125t橋式起重機，配備了2000t大型塔式起重機?？梢灶A計大噸位高性能的起重機需要量是非常大的，前景廣闊。
1.2.2國外起重機的發(fā)展方向
1.簡化設備結構，減輕自重，降低生產成本
芬蘭Kone公司生產的起重機就是一個典型的例子。其中起升結構減速器的外殼與小車架一端梁合二為一，定滑輪組與卷筒組連為一體，同時，絞車運行機構采用三合一驅動裝置，這樣一來整機自重大幅度減輕。國內生產的75/20t、31.5m跨度起重機自重94t，而Kone公司生產的80/20t、29.4m跨度起重機自重只有60t[3]。
2.更新零部件，提高整機性能
法國Patain公司采用窄偏軌箱形梁做主梁，其高、寬比為4~3.5左右，大筋板間距為梁高的2倍，不用小筋板。主梁與梁端的連接采用搭接方式，使垂直力直接作用于兩端上蓋板，由此可降低端梁的高度，便于運輸[10]。
3.設備大型化
隨著世界經濟的發(fā)展，起重機械設備的體積和重量越來越趨于大型化，其重量和調運幅度也有所增加，為節(jié)省生產和使用費用，其服務場地和使用范圍也隨之增大。例如新加坡裕廊船廠要求岸邊的修船門坐起重機能為兩條大油輪服務，其吊運幅度為105m，而且70m幅度是能吊起100t；我國三峽工程中使用的1200t橋式起重機就對調速要求很高，為三維坐標動態(tài)控制，如圖1.2所示。
圖1.2 三峽工程中的1200t橋式起重機
4.機械化運輸系統(tǒng)的組合應用
國外一些大廠為了提高生產率，降低生產成本，把起重機械有機地組合在一起，構成先進的機械化運輸系統(tǒng)。德國Demang公司在飛機制造廠中采用了一套先進的單軌或懸掛式運輸系統(tǒng)，大大簡化了運輸環(huán)節(jié)。將所運物品裝入專用集裝箱內(有單軌系統(tǒng)的軌道)由碼頭運至工廠，廠內的單軌系統(tǒng)與集裝箱內的軌道對接，物品進入廠房，并由單軌運輸系統(tǒng)按計算機的指令入庫或進入工位，實現(xiàn)門對門的運輸[17]。
1.2.3國內外起重機現(xiàn)狀的比較
現(xiàn)在，我國工程機械行業(yè)發(fā)展已經有了很好的基礎，產品門類，生產規(guī)模，大、中、小企業(yè)構架和發(fā)展環(huán)境都比較好，但同國際先進的工程機械制造廠一家相比差距還比較大，主要表現(xiàn)在產品的可靠性、使用壽命、綠色工程設計、高新技術的創(chuàng)新應用以及管理模式上。相對而言，我國自主開發(fā)能力還比較薄弱，有自主知識產權的產品還比較少，新產品的關鍵技術大部分還依賴于引進國外技術；另一方面對國外先進技術的消化、吸收、創(chuàng)新不足。其次，對市場反應速度慢，產品更新周期長。而美國一些機械企業(yè)1990年已經做到了三個“3”，即產品的生命周期為3年，產品的試制周期為3個月，產品的設計周期為3個星期。我國工程機械的規(guī)格還有空缺。以上事實證明：中國工程機械市場雖然可保持持續(xù)增長的勢頭，但中國工程機械行業(yè)的技術發(fā)展仍然任重道遠。
隨著我國生產和制造業(yè)的發(fā)展和進步，起重運輸機械制造業(yè)也得到了很大的發(fā)展和應用，起重運輸機械領域也從無到有、從小到大逐步發(fā)展起來，一批起重運輸機械的科研機構和生產工廠也逐步建立，設計、研制力量日趨壯大。不僅產品的種類基本齊全，而且有了自己的系列和標準。不僅能生產小型輕巧的起重機械，而且也能生產噸位很大的、技術較先進的大型起重機[3]。但是，與世界先進水平比較，無論在產品的品種、數(shù)量方面，還是機械的性能、質量方面都存在著較大的差距。我們應該在獨立自主的基礎上，積極學習國外先進技術，趕超世界先進水平。
1.3課題的研究意義
隨著人類的進步，經濟的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)和現(xiàn)代社會越來越離不開物料搬運，物料搬運的經濟意義顯示在各個方面。
據(jù)不完全統(tǒng)計和專家們估計，如今的物料搬運費用在工業(yè)生產成本中所占比例可能超過30%。在工業(yè)發(fā)達國家，物料搬運技術己成為機械制造業(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年其年產值為175億馬克，約占整個機械制造業(yè)產值的8%，全國約有350家企業(yè)，從業(yè)人數(shù)超過了77000人。在美國，產值約達到120億美元。
我國的物料搬運業(yè)近年來呈增長的態(tài)勢，在國民經濟中的作用也越來越大。如在港口中，實際上物料搬運的費用己經超過30%，在汽車制造業(yè)，也己接近30%。據(jù)統(tǒng)計，1997年末，我國獨立核算的物料搬運機械設備生產廠總數(shù)達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年物料搬運機械總產值255億元人民幣，比上年增長3.6%，約占當年機械工業(yè)總產值的1.7%。起重運輸機械作為物料搬運工具，裝備在國民經濟的各個部門，在現(xiàn)代化生產中占有重要地位。
起重運輸機械，在完成一個工作過程中，一般包括“儲、裝、運、卸”作業(yè)，因而對于提高生產能力、保證產品質量、減輕勞動強度、降低生產成本、提高運輸效率、加快物資周轉、流通等方一面均有著重要的影響，對安全生產、減少事故更有顯著作用。龍門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，龍門起重機起重范圍可以從幾噸到幾十噸甚至幾百噸，在機械制造、冶金、鋼鐵、碼頭集裝箱裝運等行業(yè)都必須有龍門起重機。因此，對其進行研究，改進其結構，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]。
1.4本課題研究的主要內容
本文根據(jù)國內和國外的龍門式起重機總體設計及金屬結構設計研究，通過大量的龍門式起重機的對比，設計了一種非常實用的龍門式起重機，本文的主要研究內容如下：
(1) 研究了龍門式起重機的分類、結構、主要形式、基本參數(shù)及其選型等，還有對龍門起重機使用材料的種類以及使用材料的要求進行了研究。
(2) 對龍門式起重機進行了總體設計，對主梁的強度進行了計算，以及對龍門式起重機的金屬結構設計和計算。
(3) 對龍門式起重機的起升機構和動行機構進行了設計與計算。
(4) 對龍門式起重機的行走機構進行了設計與計算。
40
第2章 龍門起重機結構分類和工作原理
2.1龍門起重機的分類
龍門起重機的形式很多，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和雙主梁龍門起重機，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；
(3)依據(jù)結構形式不同，可分為析架式、箱形梁式、管型梁式、混合結構式等起重機；
(4)依據(jù)支腿結構形式不同，可分為L形、C形單主梁龍門起重機和八字形、O形、半門形等雙梁龍門起重機；
(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構形式的龍門起重機。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、造船用龍門起重機、水電站用龍門起重機、集裝箱用龍門起重機以及裝卸橋用龍門起重機等；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 圖2.1（b）雙主梁龍門起重機
2.2龍門起重機的結構
總體來說，無論龍門起重機的形式如何，其組成主要分為三大部分：機械部分、結構部分和電氣部分。具體來說，龍門起重機主要由門架結構、載重小車、大車運行機構、電氣設備和駕駛室等幾部分組成。
1門架結構
門架結構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行。小型龍門起重機采用單梁，大型龍門起重機采用雙梁。主梁的結構通常有箱形和析架式兩種，箱形梁結構簡單、便于制造，但迎風面積大，運行阻力大，且自重大，不利于節(jié)省鋼材。支腿的構造，大型機上一般一側用剛性支腿，另一側用柔性支腿，以減輕自重，補償跨度誤差。
2載重小車
雙梁龍門起重機的載重小車與橋式起重機小車基本相同。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不使用普通的電動葫蘆做載重小車。由20t龍門起重機箱形主梁力學分析及優(yōu)化設計于吊鉤需要放置在主梁的外側(即側向懸掛的方式)，所以小車形式也相應有變化，除了沿軌道形式的車輪外，還增加了防止傾翻和導向的水平和垂直滾輪
3大車運行機構
大車運行機構同橋式起重機，多采用分別驅動。因為是露天作業(yè)，其支腿面裝有夾軌器或壓軌器。在起重機不工作或偶有大風時，采用夾軌器夾緊軌道，防止起重機被風吹動造成事故。
4電氣設備
(l)電機：電機的運行狀態(tài)分為電動狀態(tài)和制動(發(fā)電)狀態(tài)兩種。在龍起重機中，當電機引進電能時，電機開始運轉，將電能轉化為機械能，這種運狀態(tài)稱為電動狀態(tài):當電機軸上加入機械能，除去電機本身的損耗外在電機內變成電能，這種運動狀態(tài)成為制動(發(fā)電)狀態(tài)。在一定條件下，任何一臺電機都可以采用上述兩種狀態(tài)中的任何一種狀態(tài)運行。
(2)照明與信號：照明分為內部照明和工作場地照明兩種。內部照明包括縱室照明、電氣設備室照明和手提檢修燈；在露天場地工作的起重機一般由于地照明條件較差，往往需要增設探照燈2-4只。
5駕駛室
駕駛室是操作人員對龍門起重機進行具體使用的場所，由于龍門起重機是卸大型貨物的重要起重設備，其運行的好壞直接影響運行的效率，因此，對操作人員有很嚴格的要求。例如熟悉龍門起重機的用途、設備、操作方法、起重能力以及保養(yǎng)知識等[5]。
2.3龍門起重機的主要形式
龍門起重機的形式很多，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和雙主梁龍門起重機。龍門起重機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，如圖2.2所示。
圖2.2 單梁電動葫蘆式龍門起重機
單梁電動葫蘆龍門起重機的承重結構是上部主梁和支腿，當起重量較小時，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有結構簡單、安裝方便等優(yōu)點。缺點是速度低、起重量小(一般在10t以下)。
單梁龍門起重機若采用專制小車則稱單主梁小車式龍門起重機。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。L形單主梁龍門起機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多用水平反滾輪式(三支點)小直反滾輪小車構造簡單，維修方便，但起機構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。
按龍門起重機支腿的數(shù)目，可分為龍門起重機和半龍門起重機。半龍門起重機的一個支腿沿地面軌道運行，另一側則沿安置于廠房或倉庫結構上的軌道運行。
按龍門起重機金屬結構的形式，有可分為析架式龍門起重機和板梁式龍門起重機。這兩種結構的發(fā)展趨勢是板梁結構的生產量大些，主要原因在于析架式結構，起重量雖然要比板梁結構要輕一些，但制造勞動量大，多采用手工焊，維修、保養(yǎng)也不太容易等。
2.4龍門起重機的選型
龍門起重機的選型必須建立在調查研究的基礎上。選型時應充分了解用戶要求，機械的工作條件，制造工藝水平，設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，都要力求達到節(jié)約材料，使用性能好，制造安裝容易，維修方便，專用費用少和外形美觀等目的。選型時應該由使用、制造、設計技術人員三方面相互協(xié)商，汲取各方面的經驗和成果，尤其是國外先進技術[6]。
2.5龍門起重機的基本參數(shù)
龍門起重機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、工作速度和生產率。
1.起重量
龍門起重機的起重量(及額定起重量)是指起重機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，起重量包括抓斗和電磁洗盤重量。起重量系列已有國家標準。龍門起重機國家規(guī)定的標準系列如表2.1。
表2.1龍門起重機起重量系列 單位：t
3
5
8
10
12.5
16
20
32
40
50
8
100
125
140
160
180
200
225
250
2.跨度
龍門起重機的跨度是指大車行走軌道中心線之間的距離，單位是米(m)。跨度是由使用單位根據(jù)起重機的工作范圍、起重機跨度內鋪設線路的股數(shù)、運輸車輛通道及需要貨位多少而定。龍門起重機通常采用兩種跨度系列。如表2.2。
表2.2龍門起重機現(xiàn)行跨度系列 單位：m
系列1
11
14
17
20
23
26
29
32
35
38
系列2
10.5
13.5
16.5
19.5
22.5
25.5
28.5
31.5
34.5
37.5
3.起升高度
龍門起重機的起升高度是當?shù)蹉^上升到最高位置時，大車運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，起升高度則是當抓斗上升到最高位置時，大車運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，吊鉤或抓斗需要下到大車運行軌面以下進入船艙裝卸貨物，此時起升高度應該包括軌面以下的部分(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
龍門起重機的工作速度包括起升和運行(大車運行和小車運行)速度。起升速度是指吊鉤(抓斗)的起升速度，單位為米/分(m/min)。運行速度是指龍門起重機大車和起重小車的行走速度，單位為米/分(m/min)。工作速度的選擇應與工作行程相適應。協(xié)同工作機構的速度應該協(xié)調，不至于因某一機構太慢或太快影響工作循環(huán)時間。
5.生產率
生產率是表明龍門起重機裝卸能力的綜合指標，單位為噸/時(t/h)。生產率可根據(jù)起重量、機構的工作速度、工作行程以及機構重疊工作的程度進行計算。實際生產率還取決于生產條件和操作者的熟練程度。
龍門起重機的基本參數(shù)一般是在設計前根據(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。工作速度與生產率大小有關。一般來說，對裝卸量大、生產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]。
2.6龍門起重機的工作類型
設計龍門起重機時，要對它的結構、零部件和金屬結構進行強度、穩(wěn)定性、疲勞、磨損和剛度的計算;選用動力裝置和操縱設備，也要考慮到發(fā)熱等情況；在進行電氣設備設計和計算時要考慮結構的繁忙程度等。為使所設計的起重機具有先進的技術經濟指標，安全可靠，具有一定的工作壽命，必須在設計計算時考慮由起重機的載荷特性和工作繁忙程度所決定的工作類型[19-20]。
合理地劃分工作類型可以提高起重機零部件的通用水平，實現(xiàn)不同起重量的龍門起重機零部件在不同工作類型下通用。龍門起重機機構的工作類型，根據(jù)下列因素劃分。
1.工作繁忙程度
工作繁忙程度，對整個起重機來說，就是指在一年總時間約8700小時中，起重機的實際運轉次數(shù)。對機構來說，則是指一年中機構實際運轉次數(shù)。機構的實際運轉時間比整個起重機的實際運轉時間少，這是因為在起重機一個工作循環(huán)周期中，某一機構僅在某一段時間內運轉，在其余時間中停歇。在龍門起重機工作循環(huán)周期中，機構運轉時間所占的百分比，稱為該機構的負載持續(xù)率。以符號JC%表示。應該指出，機構的JC%不一定等于其原動力機的JC%。顯然，機構的JC%越大，工作越繁重。
2.載荷變化程度
按照額定起重量設計的龍門起重機，在工作過程中，其構件所受的力不一定等于額定的起重量作用下應該產生的力。首先，起重機的實際工作中，它所起重的貨物常常小于額定起重量;其次，在機構啟動、制動時，產生了動力載荷。還有其他因素，如風力變化等。
實際起重量的變化程度可以用起重量利用系數(shù)來表示。其重量利用系數(shù)是全年實際起重量的平均值與額定起重量之比，即
（2-1）
啟動、制動時產生的動力載荷與機構每小時開動次數(shù)有關，也與機構工作速度有關；風載荷的變動則與龍門起重機工作地區(qū)的風力變化有關。
機構的工作類型應綜合上述兩種因素來確定。同一臺龍門起重機各個工作機構的工作類型可以不同。整個龍門起重機機構及其金屬機構的工作類型按照其主起升機構的工作類型而定。
龍門起重機及其機構的工作類型分為輕級、中級、重級和特重級四個級別，劃分級別的一般原則如下。
輕級：輕級工作類型的機構多數(shù)是無載或輕載工作，停歇時間長，負載持續(xù)率JC%小，速度低，每小時開動次數(shù)小。
中級：工作機構，在吊起不同大小的載荷下工作，速度一般，負載持續(xù)率JC0t和每小時開動次數(shù)中等。
重級：較多地在接近于額定載荷的情況下工作的機構，速度高。負載持續(xù)率20t龍門起重機箱形土梁力學分析及優(yōu)化設計JC%和每小時開動次數(shù)都較高。
特重級：如抓斗龍門起重機的起升機構，都是滿載工作，速度高，沖擊大，起重機工作繁忙緊張，劃分工作類型的指標如表2.3。
表2.3 劃分工作類型主要指標的平均值
龍門式起重機及其機構繁忙程度和載荷變化展情況
起重機一年
工作時數(shù)
機構負載持
續(xù)率
其重量利用
系數(shù)
機構每小時
開動次數(shù)
輕級
1000
15
0.25
<60
中級
2500
25
0.5
60~120
重級
5000
40
0.75
120~240
特重級
>5000
50
1.00
300
上表是劃分工作類型的參考標準，其中列出了各級工作類型的工作繁忙程度和載荷變化程度的平均數(shù)量指標。設計時，要確定龍門起重機工作機構的工作類型，應先分析其工作條件的數(shù)量指標，然后對照分類標準確定級別[8]。
2.7龍門起重機的使用材料
2.7.1使用材料的種類
龍門起重機所使用材料分為機構零件材料、金屬結構材料、電工材料和連接材料等。龍門起一重機機構零件一般由鑄件、鍛件、軋制件、焊接件作為毛坯，經機械加工而成。鍛件、軋制件、焊接件主要采用普通碳素鋼、優(yōu)質碳素結構鋼和普通低合金結構鋼:對于重要零件則采用合金結構鋼:對有特殊要求的零件可采用特殊合金鋼。鑄件按零件的載荷性質和工作要求分別采用鑄鋼、灰鑄鐵、球墨鑄鐵和鑄銅[9]。為了改善材料的機械性能，參考有關設計手冊，其中都有詳細說明。
2.7.2使用材料的要求
一般龍門起重機工作非常繁重，經常承受變化的動力載荷，工作條件也比較惡劣，所以要求材料具有較高的破壞強度、疲勞強度和塑性，低溫下具有較高的沖擊韌度，較好的可焊性、時效性和耐腐蝕性等。為了改善材料的力學性能，以提高零件的承載能力和使用壽命，機械零件一般均需進行熱處理。剛的常用熱處理方法及應用情況，參考相關設計手冊。
2.8本章小結
本章全面介紹了龍門式起重機的分類、結構、主要形式、基本參數(shù)及其選型等，還有對龍門起重機使用材料的種類以及使用材料的要求進行研究。
第3章 龍門起重機總體設計
本文所設計的450噸起重機是在高速鐵路工程式的混凝土當梁制作場使用，如圖3.1所示，梁場制作的混凝土箱梁，質量為900噸，通常用兩臺跨鐵路線的450噸龍門式起重機聯(lián)合吊裝，這臺起重機了可用來組裝架橋起重機。
圖3.1 龍門式起重機裝配圖
梁場的布置情況與作業(yè)主式的不同，起重機的跨度和起升高度也不同，為了適應不同的要求，結構形式也有差異，這類起重機主梁大都采用箱形雙梁，支腿采用A形結構，與主梁為剛性連接。為了改善支腿的受力分，支腿屯主梁的喧囂接也采用一側為剛性，另一側為柔性的結構[21-22]。
3.1總體設計參數(shù)
根據(jù)設計要求，起重機的設計參數(shù)如下：
1、整機工作級別：A3（U1，Q4）
2、起重能力：
3、跨度：
4、最大起升高度：
5、起升速度：
6、大車運行速度：
7、小車運行速度：
8、大車工作級別：M3
9、小車工作級別：M3
10、起升工作級別：M4
11、金屬結構工作級別E3（B2，S4）
3.2金屬結構設計計算
3.2.1基本設計參數(shù)
額定起重量：
跨度：
工作級別：E3
3.2.2載荷
（1）移動載荷
移動載荷包括額定起重量，吊具質量和小車質量等的重力：
（3-1）
小車平均靜輪壓：
（3-2）
載荷動載系數(shù)：起升機構采用變頻是電機，查相關資料可知
運行沖擊系數(shù)：根據(jù)運行速度和軌頭錯位高差可計算出
（3-3）
小車動輪壓：
（3-4）
（2）單根主梁上由移動載荷產生的最大彎矩
載荷位于最不利位置的支反力，圖如3.2所示，
（3-5）
圖3.2 主梁載荷最不利的位置
載荷位于最不利位置的截面最大彎矩：
（3-6）
主梁及附屬物重力，主梁及附屬物包括單根主梁、軌道、走臺等的重力：
（3-7）
主梁及附屬物自重在跨中截面的彎矩：
（3-8）
大車運行機構起動、制動產生的水平慣性載荷和穩(wěn)動力矩：
大車運行機構起制動時產生的水平慣性載荷：
（3-9）
根據(jù)大車運行最高速度，查表得，那么水平慣性力矩與垂直力之比為：
（3-10）
大車運行機構的水平慣性載荷對主梁跨中截面的水平彎矩為：
（3-11）
風載荷對主梁截面產生的彎矩：
（3-12）
3.2.3抗傾覆穩(wěn)定性
450t龍門式起重機屬于工作場地固定，且無懸臂，因此只需校核作業(yè)狀態(tài)動態(tài)穩(wěn)定性和非工作最大風載荷穩(wěn)定性兩種工況。
1作業(yè)狀態(tài)動態(tài)穩(wěn)定性
（3-13）
通過驗正是安全的。
2非工作風載荷穩(wěn)定性
（3-14）
通過驗正是安全的。
3.3金屬結構的截面幾何特性
1主梁跨中截面幾何特性，其簡圖如圖3.3所示。
圖3.3 主梁跨中截面圖
（3-15）
腹板上邊緣處的靜面矩：
（3-16）
腹板下邊緣處的靜面矩：
（3-17）
中性層處的靜面矩：
（3-18）
2主梁兩端截面幾何特性，其簡圖如圖3.4所示。
圖3.4 主梁兩端截面圖
（3-19）
腹板上邊緣處的靜面矩：
（3-20）
腹板下邊緣處的靜面矩：
（3-21）
中性層處的靜面矩：
（3-22）
3.4主梁強度計算
（1）主梁跨中附近下翼緣板下邊緣角處：
（3-23）
考慮約束彎曲應力：
此處的組合應力：
（3-24）
強度驗算通過。
風力引起的應力很小，按照載荷組合A，組合應力為：
（3-25）
驗算也通過了。
（2）主梁跨中附近下翼緣板與腹板下邊緣焊縫處：
（3-26）
（3-27）
（3-28）
此處的組合應力：
（3-29）
強度驗算通過。
（3）主梁跨中附近腹板上邊緣與上翼緣板焊縫處：
（3-30）
（3-31）
（3-32）
小車車輪產生的局部壓應力：
（3-33）
此處的組合應力：
（3-34）
強度驗算通過。
3.5支腿強度計算
由于起重機跨度較大，為了避免主梁承載變形而使支腿下端出現(xiàn)較大水平力，起重機支腿采用一剛一柔結構，當起重小車在主梁上行走的時候，其中當移動載荷行走到接近主梁端部時為支腿最不利位（吊裝箱梁實際作業(yè)工況），吊重（混凝土箱梁）中心到剛性支腿中心最小距離為8425mm，到柔性支腿中心最小距離為7650mm。
（1）支腿截面幾何特性剛性支腿的橫梁與立柱聯(lián)接處的截面幾何特性：
（3-35）
整個剛性支腿折算慣性矩：
（3-36）
柔性支腿的橫梁與立柱聯(lián)接處的截面幾何特性：
（3-37）
整個柔性支腿折算慣性矩：
（3-38）
（2）柔性支腿最不利工況下的強度計算
①空載時大車來回走動軌道對車輪的側向力已經釋放。大車不動，吊起混凝土箱梁，小車走到離支腿中心7650mm處，結構變形產生車輪對軌面的水平力，計算簡圖如圖3.5所示。
圖3.5 門架平面計算簡圖
主梁：
（3-39）
柔性腿：
（3-40）
剛性腿：
（3-41）
主梁最大彎矩：
（3-42）
（3-43）
（3-44）
用圖乘法求得
②豎向載荷
混凝土箱梁及起重小車重力：
（3-45）
主梁、走臺、柔腿側轉向機構自重：
（3-46）
起重繩拉力：
（3-47）
柔性支腿軸向力：
（3-48）
③橫向載荷
主要是主梁、起重小車、剛性支腿、箱梁產生的風力，以及大車運行制動產生的水平慣性力矩。
④運行歪斜側向力
根據(jù)實際結構最大橫向位移可以達到55mm，用來計算運行歪斜側向力，柔性支腿。
⑤柔性支腿的最大應力
根據(jù)上面求的外載荷，得到柔性支腿部分危險截面的最大應力為121。
（3）剛性支腿最不利工況下的強度計算
①豎向載荷
箱梁及起重小車重力：
（3-49）
主梁、走臺、柔腿側轉向機構自重：
（3-50）
起升小車牽引力：
（3-51）
②橫向載荷
主要是主梁、起重小車、剛性支腿、箱梁產生的風力。
③運行歪斜側向力
根據(jù)實際結構最大橫向位移可以達到55mm，用來計算運行歪斜側向力，剛性支腿。
④剛性支腿的最大應力
即剛性支腿部分危險截面的最大應力為121。
3.6本章小結
本章主要介紹了龍門式起重機進行了總體設計，對主梁的強度進行了計算，以及對龍門式起重機的金屬結構設計和計算。
第4章 小車的起升機構和行走機構設計和計算
4.1小車的起升機構設計和計算
龍門式起重機起升機構的傳動方案的設計如圖4.1所示，主要包括電動機，半齒聯(lián)軸器，浮動軸，帶制動輪的半齒聯(lián)軸器，制動器，減速器，卷筒等[23]。
1電動機2半齒聯(lián)軸器3浮動軸4帶制動輪的半齒聯(lián)軸器5制動器6減速器7卷筒
如圖4.1 起升機構的傳動方案設計
4.1.1鋼絲繩選擇
（1） 滑輪組的效率：
（4-1）
下降時的滑輪組效率：
（4-2）
小車走行時滑輪組效率：
（4-3）
（2） 鋼絲繩最大靜拉力
當起升機構工作時鋼絲繩的最大拉力為：
（4-4）
在上式計算中，由重量向重力換算時取重力加速度。
當小車運行時鋼絲繩的最大拉力為：
（4-5）
根據(jù)計算鋼絲繩直徑公式，選擇系數(shù)C取為0.095，得：
（4-6）
選用面接觸鋼絲繩，最小直徑為36mm,破斷拉力為904000N，參考質量531kg/100m。所選用的鋼絲繩的計算安全系數(shù)n=904000/146349=6.177，滿足所設計的要求。
4.1.2卷筒
當采用國產直徑的鋼絲繩，卷筒節(jié)距，標準繩槽名義直徑。
（1） 四層繞卷筒長度
因為繞繩量大，采用多層纏繞，層數(shù)多卷筒長度可以短，但起升速度變化較大，經初步計算，認為采用4層較為有利，每一卷筒的繞繩量,節(jié)距取為40mm，在4層情況下，卷筒的長度L可用下式計算：
（4-7）
圓整取為1000mm。
（2） 卷筒壁厚
取卷筒壁厚為50mm，驗算其強度，對于4層取，卷筒壁的應力為：
（4-8）
（3） 鋼絲繩線速度
鋼絲繩在第一層時的線速度為：
（4-9）
鋼絲