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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
橋式起重機副起升機構設計
起重機械
0 引言
起重機械的基本任務是垂直升降重物，并可兼使重物作短距離的水平移動，以滿足重物裝卸、轉載、安裝等作業(yè)的要求。起重機機械是現(xiàn)代化生產(chǎn)必不可少的重要機械設備，它對于減輕繁重的體力勞動、提高勞動生產(chǎn)率和實現(xiàn)生產(chǎn)過程的機械化、自動化及改善人民的物質、文化生活都具有重大的意義。
起重機械廣泛應用于工礦企業(yè)、港口碼頭、車站倉庫、建筑工地、海洋開發(fā)、宇宙航行等各個工業(yè)部門，可以說陸地、海洋、空中、民用、軍用各個方面都有起重機械在進行著有效的工作。
起重機械不僅可以作為輔助的生產(chǎn)設備，完成原料、半成品、產(chǎn)品的裝卸、搬運，進行機電設備的安裝、維修，而且它也是一些生產(chǎn)過程工藝操作中的必須設備，例如鋼鐵冶金生產(chǎn)中的各個環(huán)節(jié)，從爐料準備、加料到煉好的鋼水澆鑄成錠以及脫模取錠等。又例如原子能工業(yè)中的一些工藝操作等人所難達到之處，沒有起重機械，簡直無法生產(chǎn)。據(jù)統(tǒng)計，在我國冶金、煤炭部門的機械設備總臺數(shù)或總重中，起重運輸機械約占25％～65％。
起重機械與運輸機械發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)成為合理組織成批大量生產(chǎn)和機械化流水作業(yè)的基礎，是現(xiàn)代化生產(chǎn)的重要標志之一。在我國四個現(xiàn)代化的發(fā)展和各個工業(yè)部門機械化水平、勞動生產(chǎn)率的提高中，起重機必將發(fā)揮更大的作用。
1 起重機械的發(fā)展動向
1.1 發(fā)展超大型起重機
由于各重點工程向大型化發(fā)展，所需構件和配套設備重量不斷增加，對超大型起重設備的需求日趨增長。1992年200t以上伸縮臂式起重機的世界銷量為90臺，到1997年增至130臺。德國廠商在起重機大型化發(fā)展進程中處于領先地位。世界市場中150t以上的大噸位起重機多數(shù)是由利勃海爾和德馬泰克公司提供的。利渤海爾LTM1800型是目前世界最大的AT產(chǎn)品，起重量800t，安裝超起裝置后型號變更為LTM11000D型，最大起重量增至1000t。該機售價550萬美元。1998年推出的LTM1500型(起重量500t)售價為540萬德國馬克。上述三種機型在行駛狀態(tài)需拆下吊臂等裝置分別進行運輸。
德馬泰克公司1997年推出的AC650型安裝超起裝置后，最大起重量可從650t增至800t。該機售價500萬德國馬克。AC650是目前世界上起重噸位最大的整裝式伸縮臂起重機，行駛狀態(tài)不需拆下吊臂分別運輸。
住友建機、多田野和加藤公司曾于1989年相繼推出360t汽車起重機。住友建機在90年代開發(fā)出80t～250t共4種AT產(chǎn)品。多田野也在90年代相繼推出100t～550t共6種特大型AT產(chǎn)品。加藤公司則研制成NK5000型500t汽車起重機。目前日本生產(chǎn)的特大型起重機僅在國內銷售。
1.2 “迷你”起重機大量涌現(xiàn)
起重機向微型化發(fā)展，是適應現(xiàn)代建設要求而出現(xiàn)的新趨勢。10年前開發(fā)的神鋼RK70(7t)是世界首臺裝有下俯式吊臂的“迷你”(Mini) RT產(chǎn)品。目前下俯式吊臂已成為“迷你”起重機的重要標志。這種新概念設計已成功移植到德馬泰克AC25(25t)和加藤CR-250(25t)等較大噸位起重機上。
小松公司曾在90年代初、中期相繼推出了裝有下俯式吊臂的 LW80(8t)和LW100-1(10t)“迷你”RT產(chǎn)品。該公司還曾于1993年和1997年分別推出了另外兩種別具特色的LT300型(4.9t)和LT500型(12t)“迷你”RT。據(jù)資料介紹，LT300型與LT500型是世界首批裝有全自動水平伸縮副臂的輪式起重機。它們將輪式起重機公路行駛能力與專用伸縮臂架技術融為一體，且具有塔機功能，可越過屋頂或其他障礙物靠近作業(yè)面，能替代小型自行架設塔機或大型折疊臂式隨車起重機。
1.3 伸縮臂結構不斷改進
利渤海爾LTM1090/2(90t)和LTM1160/2型(160t)AT產(chǎn)品，采用了裝有“Telematik”單缸自動伸縮系統(tǒng)的卵圓形截面主臂。這種卵圓形截面主臂在減輕結構重量和提高起重性能方面具有良好效果。目前卵圓形吊臂已列入利勃海爾新產(chǎn)品標準部件，裝有世界最長的7節(jié)84m卵圓形截面主臂的LTM1500型(500t)AT產(chǎn)品，也采用這種單缸伸縮系統(tǒng)。格魯夫開發(fā)的單缸伸縮系統(tǒng)要早于利勃海爾公司，但格魯夫早期采用的單缸伸縮系統(tǒng)伸縮速度較慢。此外，德馬泰克大噸位起重機主臂也采用卵圓形截面。
格魯夫GMK6250(250t)和GMK5180(180t)兩種AT產(chǎn)品，采用了裝有雙銷雙鎖自動伸縮系統(tǒng)的U形截面主臂，伸臂速度較快(平均9m/s左右)。伸縮系統(tǒng)由電子式起重機操作裝置控制，可將主臂自動伸至各種選定臂長。據(jù)報道，美國謝迪．格魯夫工廠將采用德國工廠的主臂制造技術，原有梯形主臂將被淘汰，原因是焊接工藝復雜，制造成本高。
1.4 數(shù)據(jù)總線技術得到應用
利渤海爾LTM1030/2型(30t)是世界首臺裝有數(shù)據(jù)總線管理系統(tǒng)的高技術雙軸AT產(chǎn)品。該機采用CANBUS(控制域網(wǎng)總線)技術，完成發(fā)動機－傳動系統(tǒng)各功能塊之間的數(shù)字式數(shù)據(jù)傳輸和電子控制。CANBUS總線及電氣、液壓、繩長和風力等數(shù)據(jù)又被輸入到LSB控制裝置之中。LSB控制裝置是Liccon起重機控制系統(tǒng)的組成部分，可對整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)流及監(jiān)控特性進行編程。采用數(shù)據(jù)總線管理系統(tǒng)，可降低起重機油耗及排放值，簡化布線，提高整機可靠性與維修方便性。目前已有多種新機型裝有LSB系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線(包括LTM1500)。格魯夫GMK6250和GMK5180也采用了數(shù)據(jù)總線技術。
1.5 靜液壓傳動起重機進入市場
首臺靜液壓傳動起重機是原克虜伯公司1992年研制的雙軸KMK2035型(35t)AT產(chǎn)品。瑞士Compact Truck公司1993年推出的雙軸CT2(35t)AT產(chǎn)品是世界第一臺投放市場的靜液壓傳動起重機。意大利Rigo公司在1994年推出了RT200(20t)靜液壓傳動RT起重機。隨后Compact Truck公司在1997年推出了兩種采用靜液壓傳動的3軸CT3(70t/80t)全地面起重機。該機裝有8節(jié)7.1m～40.5m主臂，最大時速75km/h。 采用靜液壓傳動，上車發(fā)動機既可驅動起重裝置，還可驅動行走裝置。此外，可將發(fā)動機橫向安裝在上車回轉式操縱室后部，起到整體式配重作用。據(jù)介紹，某些機型采用靜液壓傳動后，可大約減重1/3。
1.6 混合型起重機得到發(fā)展
過去10年中日本RT產(chǎn)品居世界領先地位，許多產(chǎn)品裝有傳統(tǒng)型號不具備的適于公路行駛的驅動裝置，因而可在日本公路合法行駛。這樣就促使用戶對歐美制造廠商也提出了新要求。據(jù)報道，1997年世界RT產(chǎn)品總銷量達5000臺，其中日本生產(chǎn)了2800臺，美國為1250臺。
起重機工業(yè)中出現(xiàn)了許多新概念設計。Compact Truck公司雙軸CT2型（35t）、三軸CT3型(70/80t)和2000年將推出的4軸/6軸CT4型(110t/150t)AT產(chǎn)品，打破了傳統(tǒng)驅動模式，采用靜液壓傳動，裝有下俯式主臂，整機結構緊湊。
德馬泰克雙軸AC250型(25t)、加藤雙軸CR－250型(25t)AT產(chǎn)品和格魯夫3軸 ATS40型(36.3t)全地面汽車起重機也屬于混合型起重機，前兩種機型又稱為城市型起重機。
1.7 汽車起重機也在不斷發(fā)展
為與RT和AT產(chǎn)品抗衡，汽車起重機新技術、新產(chǎn)品也在不斷發(fā)展。近年來汽車起重機在英、美等國市場的復興，使人們對汽車起重機產(chǎn)生新的認識。幾年前某些工業(yè)界人士曾預測，RT和AT產(chǎn)品的興起將導致汽車起重機的衰退。日本汽車起重機在世界各地日益流行，以及最近格魯夫、特雷克斯、林克．貝爾特、德馬泰克等公司汽車起重機的產(chǎn)品進展，已向上述觀念提出挑戰(zhàn)。隨著工程起重機各機種間技術的相互滲透與競爭，汽車起重機會在世界市場中繼續(xù)占有一席之地。
3.8 隨車起重機產(chǎn)銷量不斷增長
80年代末和90年代，國外隨車起重機發(fā)展極其迅速。世界年總產(chǎn)量已達10萬臺左右。發(fā)展趨勢是向多功能、大型化發(fā)展，已開發(fā)出裝有6～8節(jié)伸縮臂的產(chǎn)品。液壓系統(tǒng)油缸壓力已達30～33MPa，比10年前約提高50%，從而導致油缸尺寸的縮小，可在油泵規(guī)格不變或略有減小的情況下，提高油缸工作速度。遙控裝置也有可能獲得更廣泛的使用。隨車起重機將在今后一段時間內進一步侵占小噸位流動式起重機的部分市場。
2起重機的類型
2.1起重機的基本型式
起重機械的型式形形色色，五花八門。根據(jù)起重機械所配備的工作機構數(shù)目的多少或服務范圍的不同，起重機械可分為以下兩大類別：
1． 單動作的起重機械 這種起重機械只配備一個工作機構（起升機構），只能實現(xiàn)一個方向上的往復運動，因此其服務范圍是一條直線，如千斤頂、固定滑車、升降機、電梯等。
2． 復動作的起重機械 這種起重機械配備有兩個以上的工作機構，即除起升機構外還配備有其它輔助機構，可以實現(xiàn)二個方向以上的往復運動，因此其服務范圍是一個平面或一個立體空間。
2.2復動作的起重機械分類
（1）橋架型起重機
構造特征：金屬構架做成直線形式或門形橋架的形式，構造較簡單。
服務范圍：長方體空間。
機構數(shù)目：一般有起升、大車運行和小車運行三個工作機構。
吊載能力：較大（一般在支撐平面內吊載，穩(wěn)定性好）
典型機種：橋式起重機、門式起重機、纜索起重機等。
橋式起重機水 橋架型起重機中最主要的型式，在數(shù)量上占起重機總數(shù)的首位，使用范圍極為廣泛，一般用在車間內為生產(chǎn)工藝過程服務。
門式起重機是橋架型起重機中另一主要型式，與橋式起重機相比，它們的主要特征是在橋架的一端或兩端設有支腿，可直接支承在地基上或沿地面軌道運行，一般用在碼頭、堆場、造船臺等露天作業(yè)場地上，為貨物裝卸。堆垛。船體拼接等生產(chǎn)工藝過程服務。當門式起重機的小車運行速度大，運行距離長，生產(chǎn)率高，主要吊運散料時，常改稱為裝卸橋。
當橋架型起重機的跨度特別大時，為了減輕橋架和整機的自身質量，常常改用纜索來代替橋架，供起重小車支承和運行之用，這類起重機成為纜索起重機，常用在水電站大壩施工等現(xiàn)場上，為工件吊運?；炷翝仓壬a(chǎn)工藝過程服務。
2-1門式起重機
（2）臂架型起重機
構造特征：有固定的或可擺動的臂架，上部結構相對下部結構能夠回轉，構造較復雜。
服務范圍：圓形或腰圓形的柱體空間。
機構數(shù)目：一般有起升、回轉、變幅和運行四個工作機構、
吊載能力：較?。ㄖС衅矫嫱獾踺d，受限于起重機的整體穩(wěn)定性）
典型機種：門座起重機、塔式起重機、汽車起重機等。
2-2履帶式起重機
3.0 起升機構
3.1 概述
在起重機械中，用來使貨物提升或下降的機構成為起升機構。起升機構是起重機最基本的機構。
起升機構通常包括：取物裝置、鋼絲繩卷繞系統(tǒng)、制動裝置、減速裝置、驅動裝置以及安全裝置等部分，其中不少零件采用標準零件。
典型的起升機構構造是：電動機通過連軸器同傳動效率較高的漸開線圓柱齒輪減速器相連接，減速器的輸出軸上裝有卷筒，它通過鋼絲繩和滑輪組與吊鉤相聯(lián)。機構工作時，卷筒將鋼絲繩卷進或放出，從而通過滑輪組系統(tǒng)使懸掛在吊鉤上的物品起升或下降。機構停止工作時，懸起的物品依靠制動器剎住。吊鉤的起升和下降通過電動機轉換向開動來實現(xiàn)。
此外，起升機構還包括有操縱設備、支承臺架等。
通常，起升機構設計時給定的工作參數(shù)主要有：起重量Q、起升高度H、起升速度v和機構的工作級別（工作類型、JC%）等。
起重量超過10t時，常設有兩個起升機構：主起升機構與副起升機構。這兩個機構可以分別工作，也可協(xié)同工作。副鉤起重量一般取為主鉤起重量的20％～30％。
橋式和門式起重機的起重量常取為12.5/3、16/3, 20/5, 32/8, 50/12.5, 80/20, 100/32, 125/32等。
起升機構的最大起升速度可由起升高度H及最大加速度 αmax=1~1.2/s2來確定：vmax=(Hαmax)1/2 通常取v＝1～100m/min。
下降速度v降＝（1～1.5）v，對于大起升高度的起重機，下降速度還可以取得高些。
3.2 起升機構驅動裝置的典型布置方案
起升機構中大多數(shù)情況均采用閉式減速器傳動，并且以漸開線圓柱齒輪傳動為主。一些新穎的齒輪傳動如圓弧齒輪、擺線行星齒輪傳動、漸開線少齒差行星齒輪傳動和諧波傳動正被逐漸引用到起重機械上來。
起升機構的典型布置方案通常分為兩大類：平行線布置和同軸線布置。
一、平行軸線布置
電動機軸與卷筒軸平行布置的方式應用最廣泛。在高速軸上，電動機同減速器通過彈性柱銷連軸器或齒輪連軸器相聯(lián)接。帶制動輪的連軸器常用半齒連軸器，出于安全的原因，其制動輪必須裝在與傳動機構剛性連接的軸上。
制動器一般都裝在高速軸上，高速軸上，高速軸轉矩小，制動器的尺寸可以小一些。目前也有將盤式制動器裝在電動機尾部殼體內的，制成一個組合部件（帶制動器的電動機），從而使機構外形緊湊、美觀，組裝方便。根據(jù)起重機械安全規(guī)程的要求，起升機構的制動器應是長臂式的。
在機構傳動系統(tǒng)中，連軸器是其中一個重要的部件。要求它體積小，轉動慣量小、并且最好有彈性，有調位補償性能。它對機構的尺寸。傳動性能和維修裝拆工藝性能都有一定的影響。
二、同軸線布置
在同軸線布置的起升機構中，電動機、減速器和卷筒成直線排列，電動機和卷筒分別布置在同軸線減速器的兩端，或者把減速器布置在卷筒內部。為使機構緊湊和提高組裝性能，可采用附裝有制動器的凸緣型電動機。同軸線布置的起升機構橫向尺寸較緊湊，但加工精度和安裝 要求較高，維修稍為不便。
三、調速裝置的變速方案
常用的變速方法分電氣調速和機械調速兩大類。電氣調速是目前應用最廣泛的調速方式，它又分為交流調速和直流調速兩種。交流調速主要有變頻、變極和變轉差率三種方式。其中有低頻電源調速，直流能耗制動低速下降，變極鼠籠型電機調速，可控硅串級調速，滑差調速電動機調速，改變轉子外串電阻，定子調壓，推桿制動器調速和渦流制動器調速等。直流調速主要分固定電壓通電和可控硅電壓供電調調速兩種。其中有改變外串電阻和接法的直流串激電動機，直流發(fā)電機－電動機系統(tǒng)，可控硅供電－直流電動機系統(tǒng)等。
3.3 卷繞裝置
在起重機械的起升機構中，卷繞裝置具有重要的作用。卷繞裝置由繞性元件、導向和儲存元件組成。卷筒與物品之間通過繞性件構成聯(lián)系，繞性件依次通過各卷繞元件，形成卷繞系統(tǒng)。它把回轉運動轉換成直線運動，并且還改變方向和速度。所以卷繞系統(tǒng)實際上是傳動系統(tǒng)的一個組成部分，它參與著運動型式的轉換和能量的傳遞。
一、鋼絲繩
繞性件常被用作卷繞傳動的牽引構件，它們應具有良好的彎繞特性，易于卷繞和儲存。升起機構主要采用鋼絲繩和鏈條作為提升、牽引物品的繞性件。
在起重機械中，鋼絲繩是應用最廣的牽引構件。鋼絲繩的使用性能是：具有良好的各方向相同的繞性，使用可靠，無突然斷裂的現(xiàn)象，運度速度不受限制，平穩(wěn)無噪音，耐沖擊。
鋼絲繩使用鋼絲編制而成的，先由鋼絲編成繩股，而后再用繩股編繞成繩索。
編鋼絲繩的鋼絲在制造時，經(jīng)過冷拉、熱處理和化學處理等工藝過程后，鋼絲強度極限可提高至σb=1800~2200N/mm2.
在起重機械中，雙繞繩應用最廣。它由兩次旋繞制成，即由鋼絲圍著股芯繞成繩股，然后繩股圍著繩芯再一次旋繞支承鋼絲繩。
繩芯有纖維織物芯、石棉芯和金屬芯等。纖維織物芯使鋼絲繩具有較好的繞性，繩芯可以在較長的時間內存儲油，受載荷時擠出油脂潤滑鋼絲。一般都采用麻芯。當卷筒作多層卷繞時，宜用金屬繩芯的鋼繩，因為它具有較好的承受橫向擠壓的承載能力。石棉芯一般用在高溫場合。
二、滑輪與滑輪組
滑輪供鋼絲繩導向和平衡鋼絲繩各分支拉力用?；喅叽绮淮髸r可做成實體的或鍛造的輪子。鑄造滑輪有鑄鐵和鑄鋼兩種。鑄鐵滑輪加工工藝性好，價格便宜，對鋼絲繩壽命有利，但強度低易脆斷，多用在輕級和中級工作類型的起重機上。鑄鋼滑輪強度和沖擊韌性都較高，但工藝性稍差，表面堅硬容易使鋼絲繩磨損。用在載重和不經(jīng)常換修的地方，重級和特級工作類型的起重機上經(jīng)常使用鑄鋼滑輪。當尺寸較大的采用輪緣。帶肋板的輪輻和輪轂焊接而成的焊接滑輪，這種滑輪重量較輕。鑄造滑輪適用用與成批生產(chǎn)；焊接滑輪適用于單件生產(chǎn)。今年來還出現(xiàn)無切削加工壓制成型的滑輪，生產(chǎn)效率極高。
鋼絲繩卷繞系統(tǒng)中，由繞有鋼絲繩的定滑輪與動滑輪組成的系統(tǒng)稱為滑輪組。在起升機構中，滑輪組主要用來減輕鋼絲繩拉力或者減速，少速場合用于增速。
3.4 取物裝置
起重機的取物裝置使起升機構的重要部件之一。它對安全生產(chǎn)和提高生產(chǎn)效率具有重要意義。由于起升極裝卸物品的對象種類繁多，有成件的、散粒的和液態(tài)的等等，他們的物理性能和幾何形狀各具特點。為了適應各類物品的裝卸工作，常用的取物裝置有吊鉤、吊環(huán)、扎具、夾鉗、電磁盤、真空吸盤、料斗、盛桶和承重梁等，此外還有集裝箱專用吊具和其它專用工具。
3.5起升機構的計算
起升機構的計算使在給定肋設計參數(shù)，并將布置方案確定后進行的，通過計算選用機構中所需要的標準部件，對非標準零部件還需作進一步的強度和剛度等計算。
起升機構的載荷特點：
（1） 物品起升或下降時，在驅動機構上由鋼絲繩拉力產(chǎn)生的扭矩方向不變，即轉矩是單向作用的。
（2） 物品懸掛系統(tǒng)由撓性鋼絲繩組成，物品慣性引起的附加轉矩對機構影響不大，一般不超過靜轉矩的10％，使用抓斗時則需要另行考慮。
（3） 機構起動或制動時間同穩(wěn)定運動相比時短暫的。因此，可將穩(wěn)定運動時的起升載荷作為機構的計算載荷。
起升機構計算步驟如下：
1． 鋼絲繩計算
2． 卷筒基本尺寸及轉速
3． 電機選擇
4． 減速器選擇
5． 制動器選擇
6． 連軸器
7． 起動、制動時間的驗算
8． 電動機驗算
9． 起升機構主要零部件計算載荷的確定
本次設計任務介紹：
設計重機為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，用于水輪發(fā)電機組及其附屬設備的安裝和檢修工作。針對客戶需求開發(fā)設計相應的起重機的大車運行機構，要求運用現(xiàn)代設計方法從方案論證到具體設計計算，以及最后的生產(chǎn)加工，充分發(fā)揮計算機在整體設計中的作用，并提高設計質量、縮短設計周期，提高工作效率。
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橋式起重機副起升機構設計
目 錄
摘要……………………………………………………………………… 1
ABSTRACT………………………………………………………………… 2
0 引言…………………………………………………………………… 3
1 起重機介紹…………………………………………………………… 4
1．1起重機械的發(fā)展動向……………………………………………… 4
1．1．1 發(fā)展超大型起重機…………………………………………… 4
1．1．2 “迷你”起重機大量涌現(xiàn)…………………………………… 5
1．1．3 伸縮臂結構不斷改進………………………………………… 5
1．1．4 數(shù)據(jù)總線技術得到應用……………………………………… 6
1．1．5 靜液壓傳動起重機進入市場………………………………… 6
1．1．6 混合型起重機得到發(fā)展……………………………………… 7
1．1．7汽車起重機也在不斷發(fā)展…………………………………… 7
1．2 起重機的類型……………………………………………………… 8
1．2．1 起重機的基本型式…………………………………………… 8
1．2．2 復動作的起重機械分類……………………………………… 8
2橋式起重機概述……………………………………………………… 11
2．1 橋式起重機的分類……………………………………………… 11
2．2 小車運行機構…………………………………………………… 11
2．3 橋架……………………………………………………………… 12
2．4橋式起重機起升機構…………………………………………… 13
2．4．1起升機構的組成…………………………………………… 13
2．4．2起升機構的結構簡圖……………………………………… 14
3 副起升機構設計計算……………………………………………… 18
3．1 起升機構的典型形式………………………………………… 19
3．1．1 起升機構驅動裝置的布置方式 ………………………… 19
3．1．2 起升機構鋼絲繩卷繞系統(tǒng)設計…………………………… 23
3．1．3 滑輪組設計………………………………………………… 25
3．2 副起升機構的計算…………………………………………… 28
3．2．1 鋼絲繩與卷筒的選擇……………………………………… 28
3．2．2 選擇電動機………………………………………………… 32
3．2．3 設計減速器………………………………………………… 36
3．2．4 選擇制動器………………………………………………… 37
3．2．3 選擇聯(lián)軸器………………………………………………… 39
3．3 副起升機構零部件設計……………………………………… 42
3．3．1 鋼絲繩……………………………………………………… 42
3．3．2 卷筒的計算………………………………………………… 48
4 結論………………………………………………………………… 49
5 參考文獻…………………………………………………………… 51
6 譯文………………………………………………………………… 52
7 原文說明…………………………………………………………… 68
摘 要
起重機械廣泛應用于工礦企業(yè)、港口碼頭、車站倉庫、建筑工地、海洋開發(fā)、宇宙航行等各個工業(yè)部門，可以說陸地、海洋、空中、民用、軍用各個方面都有起重機械在進行著有效的工作。
起重機械與運輸機械發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)成為合理組織成批大量生產(chǎn)和機械化流水作業(yè)的基礎，是現(xiàn)代化生產(chǎn)的重要標志之一。在我國四個現(xiàn)代化的發(fā)展和各個工業(yè)部門機械化水平、勞動生產(chǎn)率的提高中，起重機必將發(fā)揮更大的作用。
本起重機為250/50/10t水電站橋式起重機，安裝于豐滿水電站擴建工程廠房內，用于水輪發(fā)電機組及其附屬設備的安裝和檢修工作。本課題主要對起重機的起升機構進行總體設計，主、副起升機構分別有一臺電動機，一臺減速器，一臺輪式制動器，一套卷筒裝置和上滑輪裝置構成。要求起重設備運行平穩(wěn), 定位準確, 安全可靠, 技術性能先進。
關鍵詞：起重機，橋式起重機，起升機構設計
The Design of the Hoisting Mechanism of Bridge Crane
Abstract
The crane is wildly used in industrial and mining enterprises, port ,station warehouse,building site,sea development, space navigation and so on.,it is certain that the crane do a efficient job in the aspects of the land.the sea,the sky,,the civil use, and the military use.
With development,the crane and transport machines have become the base of the reasonable parts in mass product and mechanical line procdcut areas and now it is one of the important symbols of modern manufacture..The crane will play an important part in development of the four modernizations and promot on mechanical level,produce effieincy in every industry departments.
This carne is a kind of 250/50/10t bridge carnes for hydropower station, builded in the workshop of Fengman hydropower station for the extend project. It is used to install, examine and repair of sets of water-turbine generator. This paper focuses on design of hoisting mechanism of the carne, including the main and assistant hoisting mechanism with electromotors, reducers, brake staffs, drum devices and pulley gears. The carne is required to be stables, high accuracy, safety, reliability and advanced technology.
Key words: carne, Bridge Crane, design of the hoisting mechanism
橋式起重機起升機構設計
0 引言
起重機械的基本任務是垂直升降重物，并可兼使重物作短距離的水平移動，以滿足重物裝卸、轉載、安裝等作業(yè)的要求。起重機機械是現(xiàn)代化生產(chǎn)必不可少的重要機械設備，它對于減輕繁重的體力勞動、提高勞動生產(chǎn)率和實現(xiàn)生產(chǎn)過程的機械化、自動化及改善人民的物質、文化生活都具有重大的意義。
起重機械廣泛應用于工礦企業(yè)、港口碼頭、車站倉庫、建筑工地、海洋開發(fā)、宇宙航行等各個工業(yè)部門，可以說陸地、海洋、空中、民用、軍用各個方面都有起重機械在進行著有效的工作。
起重機械不僅可以作為輔助的生產(chǎn)設備，完成原料、半成品、產(chǎn)品的裝卸、搬運，進行機電設備的安裝、維修，而且它也是一些生產(chǎn)過程工藝操作中的必須設備，例如鋼鐵冶金生產(chǎn)中的各個環(huán)節(jié)，從爐料準備、加料到煉好的鋼水澆鑄成錠以及脫模取錠等。又例如原子能工業(yè)中的一些工藝操作等人所難達到之處，沒有起重機械，簡直無法生產(chǎn)。據(jù)統(tǒng)計，在我國冶金、煤炭部門的機械設備總臺數(shù)或總重中，起重運輸機械約占25％～65％。
起重機械與運輸機械發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)成為合理組織成批大量生產(chǎn)和機械化流水作業(yè)的基礎，是現(xiàn)代化生產(chǎn)的重要標志之一。在我國四個現(xiàn)代化的發(fā)展和各個工業(yè)部門機械化水平、勞動生產(chǎn)率的提高中，起重機必將發(fā)揮更大的作用。
1起重機介紹
1.1起重機械的發(fā)展動向
1.1.1 發(fā)展超大型起重機
由于各重點工程向大型化發(fā)展，所需構件和配套設備重量不斷增加，對超大型起重設備的需求日趨增長。1992年200t以上伸縮臂式起重機的世界銷量為90臺，到1997年增至130臺。德國廠商在起重機大型化發(fā)展進程中處于領先地位。世界市場中150t以上的大噸位起重機多數(shù)是由利勃海爾和德馬泰克公司提供的。利渤海爾LTM1800型是目前世界最大的AT產(chǎn)品，起重量800t，安裝超起裝置后型號變更為LTM11000D型，最大起重量增至1000t。該機售價550萬美元。1998年推出的LTM1500型(起重量500t)售價為540萬德國馬克。上述三種機型在行駛狀態(tài)需拆下吊臂等裝置分別進行運輸。
德馬泰克公司1997年推出的AC650型安裝超起裝置后，最大起重量可從650t增至800t。該機售價500萬德國馬克。AC650是目前世界上起重噸位最大的整裝式伸縮臂起重機，行駛狀態(tài)不需拆下吊臂分別運輸。
住友建機、多田野和加藤公司曾于1989年相繼推出360t汽車起重機。住友建機在90年代開發(fā)出80t～250t共4種AT產(chǎn)品。多田野也在90年代相繼推出100t～550t共6種特大型AT產(chǎn)品。加藤公司則研制成NK5000型500t汽車起重機。目前日本生產(chǎn)的特大型起重機僅在國內銷售。
1.1.2 “迷你”起重機大量涌現(xiàn)
起重機向微型化發(fā)展，是適應現(xiàn)代建設要求而出現(xiàn)的新趨勢。10年前開發(fā)的神鋼RK70(7t)是世界首臺裝有下俯式吊臂的“迷你”(Mini) RT產(chǎn)品。目前下俯式吊臂已成為“迷你”起重機的重要標志。這種新概念設計已成功移植到德馬泰克AC25(25t)和加藤CR-250(25t)等較大噸位起重機上。
小松公司曾在90年代初、中期相繼推出了裝有下俯式吊臂的 LW80(8t)和LW100-1(10t)“迷你”RT產(chǎn)品。該公司還曾于1993年和1997年分別推出了另外兩種別具特色的LT300型(4.9t)和LT500型(12t)“迷你”RT。據(jù)資料介紹，LT300型與LT500型是世界首批裝有全自動水平伸縮副臂的輪式起重機。它們將輪式起重機公路行駛能力與專用伸縮臂架技術融為一體，且具有塔機功能，可越過屋頂或其他障礙物靠近作業(yè)面，能替代小型自行架設塔機或大型折疊臂式隨車起重機。
1.1.3 伸縮臂結構不斷改進
利渤海爾LTM1090/2(90t)和LTM1160/2型(160t)AT產(chǎn)品，采用了裝有“Telematik”單缸自動伸縮系統(tǒng)的卵圓形截面主臂。這種卵圓形截面主臂在減輕結構重量和提高起重性能方面具有良好效果。目前卵圓形吊臂已列入利勃海爾新產(chǎn)品標準部件，裝有世界最長的7節(jié)84m卵圓形截面主臂的LTM1500型(500t)AT產(chǎn)品，也采用這種單缸伸縮系統(tǒng)。格魯夫開發(fā)的單缸伸縮系統(tǒng)要早于利勃海爾公司，但格魯夫早期采用的單缸伸縮系統(tǒng)伸縮速度較慢。此外，德馬泰克大噸位起重機主臂也采用卵圓形截面。
格魯夫GMK6250(250t)和GMK5180(180t)兩種AT產(chǎn)品，采用了裝有雙銷雙鎖自動伸縮系統(tǒng)的U形截面主臂，伸臂速度較快(平均9m/s左右)。伸縮系統(tǒng)由電子式起重機操作裝置控制，可將主臂自動伸至各種選定臂長。據(jù)報道，美國謝迪．格魯夫工廠將采用德國工廠的主臂制造技術，原有梯形主臂將被淘汰，原因是焊接工藝復雜，制造成本高。
1.1.4 數(shù)據(jù)總線技術得到應用
利渤海爾LTM1030/2型(30t)是世界首臺裝有數(shù)據(jù)總線管理系統(tǒng)的高技術雙軸AT產(chǎn)品。該機采用CANBUS(控制域網(wǎng)總線)技術，完成發(fā)動機－傳動系統(tǒng)各功能塊之間的數(shù)字式數(shù)據(jù)傳輸和電子控制。CANBUS總線及電氣、液壓、繩長和風力等數(shù)據(jù)又被輸入到LSB控制裝置之中。LSB控制裝置是Liccon起重機控制系統(tǒng)的組成部分，可對整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)流及監(jiān)控特性進行編程。采用數(shù)據(jù)總線管理系統(tǒng)，可降低起重機油耗及排放值，簡化布線，提高整機可靠性與維修方便性。目前已有多種新機型裝有LSB系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線(包括LTM1500)。格魯夫GMK6250和GMK5180也采用了數(shù)據(jù)總線技術。
1.1.5 靜液壓傳動起重機進入市場
首臺靜液壓傳動起重機是原克虜伯公司1992年研制的雙軸KMK2035型(35t)AT產(chǎn)品。瑞士Compact Truck公司1993年推出的雙軸CT2(35t)AT產(chǎn)品是世界第一臺投放市場的靜液壓傳動起重機。意大利Rigo公司在1994年推出了RT200(20t)靜液壓傳動RT起重機。隨后Compact Truck公司在1997年推出了兩種采用靜液壓傳動的3軸CT3(70t/80t)全地面起重機。該機裝有8節(jié)7.1m～40.5m主臂，最大時速75km/h。 采用靜液壓傳動，上車發(fā)動機既可驅動起重裝置，還可驅動行走裝置。此外，可將發(fā)動機橫向安裝在上車回轉式操縱室后部，起到整體式配重作用。據(jù)介紹，某些機型采用靜液壓傳動后，可大約減重1/3。
1.1.6 混合型起重機得到發(fā)展
過去10年中日本RT產(chǎn)品居世界領先地位，許多產(chǎn)品裝有傳統(tǒng)型號不具備的適于公路行駛的驅動裝置，因而可在日本公路合法行駛。這樣就促使用戶對歐美制造廠商也提出了新要求。據(jù)報道，1997年世界RT產(chǎn)品總銷量達5000臺，其中日本生產(chǎn)了2800臺，美國為1250臺。
起重機工業(yè)中出現(xiàn)了許多新概念設計。Compact Truck公司雙軸CT2型（35t）、三軸CT3型(70/80t)和2000年將推出的4軸/6軸CT4型(110t/150t)AT產(chǎn)品，打破了傳統(tǒng)驅動模式，采用靜液壓傳動，裝有下俯式主臂，整機結構緊湊。
德馬泰克雙軸AC250型(25t)、加藤雙軸CR－250型(25t)AT產(chǎn)品和格魯夫3軸 ATS40型(36.3t)全地面汽車起重機也屬于混合型起重機，前兩種機型又稱為城市型起重機。
1.1.7 汽車起重機也在不斷發(fā)展
為與RT和AT產(chǎn)品抗衡，汽車起重機新技術、新產(chǎn)品也在不斷發(fā)展。近年來汽車起重機在英、美等國市場的復興，使人們對汽車起重機產(chǎn)生新的認識。幾年前某些工業(yè)界人士曾預測，RT和AT產(chǎn)品的興起將導致汽車起重機的衰退。日本汽車起重機在世界各地日益流行，以及最近格魯夫、特雷克斯、林克．貝爾特、德馬泰克等公司汽車起重機的產(chǎn)品進展，已向上述觀念提出挑戰(zhàn)。隨著工程起重機各機種間技術的相互滲透與競爭，汽車起重機會在世界市場中繼續(xù)占有一席之地。 80年代末和90年代，國外隨車起重機發(fā)展極其迅速。世界年總產(chǎn)量已達10萬臺左右。發(fā)展趨勢是向多功能、大型化發(fā)展，已開發(fā)出裝有6～8節(jié)伸縮臂的產(chǎn)品。液壓系統(tǒng)油缸壓力已達30～33MPa，比10年前約提高50%，從而導致油缸尺寸的縮小，可在油泵規(guī)格不變或略有減小的情況下，提高油缸工作速度。遙控裝置也有可能獲得更廣泛的使用。隨車起重機將在今后一段時間內進一步侵占小噸位流動式起重機的部分市場。
1.2起重機的類型
1.2.1起重機的基本型式
起重機械的型式形形色色，五花八門。根據(jù)起重機械所配備的工作機構數(shù)目的多少或服務范圍的不同，起重機械可分為以下兩大類別：
1． 單動作的起重機械 這種起重機械只配備一個工作機構（起升機構），只能實現(xiàn)一個方向上的往復運動，因此其服務范圍是一條直線，如千斤頂、固定滑車、升降機、電梯等。
2． 復動作的起重機械 這種起重機械配備有兩個以上的工作機構，即除起升機構外還配備有其它輔助機構，可以實現(xiàn)二個方向以上的往復運動，因此其服務范圍是一個平面或一個立體空間。
1.2.2復動作的起重機械分類
（1）橋架型起重機
構造特征：金屬構架做成直線形式或門形橋架的形式，構造較簡單。
服務范圍：長方體空間。
機構數(shù)目：一般有起升、大車運行和小車運行三個工作機構。
吊載能力：較大（一般在支撐平面內吊載，穩(wěn)定性好）
典型機種：橋式起重機、門式起重機、纜索起重機等。
橋式起重機水 橋架型起重機中最主要的型式，在數(shù)量上占起重機總數(shù)的首位，使用范圍極為廣泛，一般用在車間內為生產(chǎn)工藝過程服務。
門式起重機是橋架型起重機中另一主要型式，與橋式起重機相比，它們的主要特征是在橋架的一端或兩端設有支腿，可直接支承在地基上或沿地面軌道運行，一般用在碼頭、堆場、造船臺等露天作業(yè)場地上，為貨物裝卸。堆垛。船體拼接等生產(chǎn)工藝過程服務。當門式起重機的小車運行速度大，運行距離長，生產(chǎn)率高，主要吊運散料時，常改稱為裝卸橋。
當橋架型起重機的跨度特別大時，為了減輕橋架和整機的自身質量，常常改用纜索來代替橋架，供起重小車支承和運行之用，這類起重機成為纜索起重機，常用在水電站大壩施工等現(xiàn)場上，為工件吊運。混凝土澆筑等生產(chǎn)工藝過程服務。
圖1.1門式起重機
（2）臂架型起重機
構造特征：有固定的或可擺動的臂架，上部結構相對下部結構能夠回轉，構造較復雜。
服務范圍：圓形或腰圓形的柱體空間。
機構數(shù)目：一般有起升、回轉、變幅和運行四個工作機構、
吊載能力：較?。ㄖС衅矫嫱獾踺d，受限于起重機的整體穩(wěn)定性）
典型機種：門座起重機、塔式起重機、汽車起重機等。
圖1.2門式起重機
2橋式起重機概述
2.1 橋式起重機的分類
橋式起重機架設在車間或倉庫等建筑物上空，沿建筑物的縱向設有兩條鋼軌，橋架在鋼軌上運行。橋架上面有小車。它有起升，橫行（小車運行），走行（大車運行）三種運動。根據(jù)作業(yè)條件分為高速型、普通型及低速型三類，以普通型的使用量為最多。至于橋式起重機的名稱，將根據(jù)其構造特征取名如下：
s 梁式起重機
s 通用橋式起重機
s 龍門起重機
s 裝卸橋
s 冶金橋式起重機
s 纜索起重機
2.2 小車運行機構
在橋式起重機里，小車承擔主要任務。因此小車的設計決定整個起重機的好壞，為了起吊一定的載荷，小車必須利用許多機械部件承受起重機起升額定載荷時所需的各種作用力。
小車以小車架為基礎其上有起升電動機、起升減速機、卷筒、小車運行機構的運行電動機、運行減速機等。小車利用小車架下面的小車輪在起重機橋架上的軌道上運行。
橋式起重機所采用的小車，起重量小的為3噸，大的已做到200噸，小車以往稱作“起重小車”，小車的設計應該把起升機構和運行機構合理而有效的布置在小車架上，維護檢修應該方便。
2.3 橋架
橋式起重機的鋼結構部分是由起重機的主要部分如大梁，橫梁裝置所構成。這一部分占有起重機百分之八十左右的重量，應按起重機結構標準及起重機鋼結構計算規(guī)程進行設計。
橋式起重機的大梁是由用角鋼等型鋼組成的平面結構的主粱與副梁構成的。主梁承受垂直載荷、自重及水平載荷，副梁承受自重和水平載荷。主梁由上弦桿、下弦桿、斜桿、豎桿等組成。連接主粱與副梁的桿件是水平桿、斜桿等。各桿件用鉚釘或電焊相連接，也可以考慮螺栓連接。各桿件上作用有軸向應力，即拉應力和壓應力。
主粱的形狀有魚腹型和直線型。對于承受自重、動載荷及彎曲力矩等外力，前者是最理想的結構形式。但這種形式對于材料利用和組裝存在有困難。后者是通常采用的形式，目前幾乎都采用后一種形式。
橋式起重機除承受因垂直載荷產(chǎn)生的彎矩外，還承受因風載及行走運動的水平載荷所產(chǎn)生的彎矩。因此在主粱的側面設置與主粱形狀相同的副桁架。
副桁架與主梁的結合是用水平桿、斜桿構成框形，以防受載變形。在水平桿上裝設著走臺、電動機、行走機構的長軸、軸承。
橫梁與主桁架和副桁架裝在一起，把兩根主桁架連接起來。它與主桁架是用堅固的連接板，以精制螺栓裝在一起。橋式起重機上的載荷和沖擊較大，行走驅動裝置的車輪裝在橫粱上。由輪距為l單位的橫梁來承受最大載荷，由小車產(chǎn)生的載荷作用在小車橫行軌道上。對普通橋式起重機輪距l(xiāng)取為跨度的1/5～1/7較好。小重量起重機的橫梁通常采用槽鋼，大起重量起重機的橫梁通常用鋼板作成槽形或箱形。
2.4橋式起重機起升機構
2.4.1 起升機構的組成
在起重機中，用以提升或下降貨物的機構稱為起升機構，一般采用卷揚式。起升機構是起重機中最重要、最基本的機構，其工作的好壞直接影響整臺起重機的工作性能。
起升機構一般由驅動裝置、鋼絲繩卷繞系統(tǒng)、取物裝置和安全保護裝置等組成。驅動裝置包括電動機、聯(lián)軸器、制動器、減速器、卷筒等部件。鋼絲繩卷繞系統(tǒng)包括鋼絲繩、卷筒、定滑輪和動滑輪。取物裝置有吊鉤、吊環(huán)、抓斗、電磁吸盤、吊具、掛梁等多種型式。安全保護裝置有超負荷限制器、起升高度限位器、下降深度限位器、超速保護開關等，根據(jù)實際需要配用。
起升機構有內燃機驅動、電動機驅動和液壓驅動三種驅動方式。
內燃機驅動的起升機構，其動力由內燃機經(jīng)機械傳動裝置集中傳給包括起升機構在內的各個工作機構。這種驅動方式的優(yōu)點是具有自身獨立的能源，機動靈活，適用于流動作業(yè)的流動式起重機。為保證各機構的獨立運動，整機的傳動系統(tǒng)復雜笨重。由于內燃機不能逆轉，不能帶載起動，需依靠傳動環(huán)節(jié)的離合實現(xiàn)起動和換向．這種驅動方式調速困難，操縱麻煩．屬于淘汰類型。目前只在現(xiàn)有的少數(shù)履帶起重機和鐵路起重機上應用。
電動機驅動是起升機構主要的驅動方式。直流電動機的機械特性適合起升機構工作要求，調速性能好，但獲得直流電源較為困難。在大型的工程起重機上，常常用內燃機和直流發(fā)電機實現(xiàn)直流傳動。交流電動機驅動能直接從電網(wǎng)取得電能．操縱簡單，維護容易，機組重量輕，工作可靠，在電動起升機構中被廣泛采用。本起重機起升機構采用的啟動方式也為電動機驅動。
液壓驅動的起升機構，由原動機帶動液壓泵．將工作油液輸入執(zhí)行構件(液壓缸或液壓馬達)使機構動作，通過控制輸入執(zhí)行構件的液體流量實現(xiàn)調速。液壓驅動的優(yōu)點是傳動比大，可以實現(xiàn)大范圍的無級調速，結構緊湊，運轉平穩(wěn)，操作方便，過載保護性能好。缺點是液壓傳動元件的制造精度要求高，液體容易泄漏。目前液壓驅動在流動式起重機上獲得日益廣泛的應用。
2.4.2 起升機構的結構簡圖
圖2.1為原動機驅動的起升機構的結構簡圖。電動機1通過聯(lián)軸器2與減速器4的高速軸相連。機構工作時，減速器的低速軸帶動卷筒7，將鋼絲繩5卷上或放出，經(jīng)過滑輪組系統(tǒng)，使吊鉤6實現(xiàn)上升或下降。機構停止工作時，制動器3使吊鉤連同貨物懸吊在空中。吊鉤的升降靠電動機改變轉向來達到。
圖2.1 起升機構簡圖
為了安裝方便與避免高速軸在小車架受載變形時發(fā)生彎曲，聯(lián)軸器2應是帶有補償性能的，通常采用彈性柱銷聯(lián)軸器或齒輪聯(lián)軸器。前者構造簡單并能緩沖，但彈性橡皮圈的壽命不長；后者堅固耐用，應用最廣。齒輪聯(lián)軸器的壽命與安裝質量有關，并且需要經(jīng)常潤滑。為使布置更方便并增高補償能力，降低磨損，常將齒輪聯(lián)軸器制成兩個半齒輪聯(lián)軸器，中間用浮動軸或補償軸連起來。
制動器通常裝在高速軸上，以減小其尺寸，如圖2.1所示位置。經(jīng)常利用聯(lián)軸器的一個半體兼作制動輪。帶制動輪的聯(lián)軸器半體應當安裝在減速器軸上，這樣，即使聯(lián)軸器損壞，制動器仍能起作用，保證了安全。
有時在高速軸上需要裝設兩個制動器，則第二個制動器可裝在減速器高速軸的另一端，如圖2.1虛線所示，或者裝在浮動軸的另一個聯(lián)軸器上。也可以把制動器裝設在電動機的尾部輸出軸上，但這時需要有兩端出軸的電動機，所以一般盡量避免。目前也有將制動器放在電動機尾部的殼體內，制成一個組合部件，從而使機構簡化緊湊。
起升機構的制動器應是常閉式的。采用塊式制動器，裝有電磁鐵或電動推桿作為自動的松閘裝置，與電動機電氣聯(lián)鎖。制動器的制動力矩應保證有足夠的制動安全系數(shù)。在要求緊湊的情況下，也有采用帶式制動器的。
減速器常用封閉式的標準兩級圓柱齒輪減速器。在起重量較大（超過80t)的情況下，為得到低速并增大卷筒與電動機間的尺寸，常采用標準的封閉式兩級減速器，再增加一對開式齒輪作最后級傳動。
在要求緊湊的起升機構中，也有采用蝸輪減速器的，其缺點是機械效率低。有時采用蝸輪減速器是為了盡量減少噪聲，例如在載客電梯中。近年來還有采用行星齒輪減速器的，減速器（如3K或擺線、漸開線齒形的少齒差行星減速器）裝在卷筒的內腔中，電動機和卷筒成同軸線布置，其特點是十分緊湊，但維修不太方便。
卷筒通常裝在轉軸上，使軸承的檢查與更換都較方便。
卷筒與減速器低速軸可通過特種聯(lián)軸器相連接，卷筒軸用自位軸承支承于減速器軸的內腔和軸承座中，扭矩由齒輪連接來傳遞。這種方法緊湊，可靠，分組性好，能補償減速器軸與卷筒軸間的角度偏差，但減速器低速軸需帶特殊齒形軸端，加工時較為復雜。國外有采用鼓形滾子聯(lián)軸器的，它利用鼓形滾子與兩個半圓凹槽的配合實現(xiàn)補償。由于它不僅能傳遞扭矩，同時還能承受很大的徑向力，故省去了一個徑向支承裝置。這種布置還省去了卷筒長軸，使重量減輕。
當卷筒與開式傳動的大齒輪相連接時，卷筒端面與齒輪間用沿圓周布置的螺釘聯(lián)接。為承受剪切力和傳遞扭矩，可以用精制的鉸制孔用螺栓，也可以在螺孔中配一個受剪套筒而采用普通螺栓。
在某些需要能進行貨物自由下降的起升機構中，卷筒與減速傳動裝置間裝有摩擦離合器。這時，制動器應裝在卷筒上，用來控制自由下降的速度，它應當是可操縱的。
卷筒的直徑一般盡量選用許用的最小值，因為隨著卷筒直徑的增加，轉矩與減速器的傳動比也增大了，會引起整個機構的體積過大。但在起升高度較大時，往往增加卷筒直徑以求限制其長度。
滑輪組型式（單式或雙聯(lián)的）和它的倍率對起升機構的尺寸也有很大的影響。在橋式起重機中采用雙聯(lián)滑輪組，單式滑輪組只宜用于有導向滑輪的臂架式起重機。
滑輪組倍率的選定對鋼絲繩中的拉力、卷筒直徑與長度、減速器的傳動比及總體尺寸都有關系。大起重量采用較大的倍率，可以避免采用過粗的鋼絲繩。有時采用增大滑輪組倍率同時相應地降低起升速度的方式來提高起重量，可以使起升機構達到通用性，即將同一起升機構用于不同的起重量，這是在系列設計時常采用的方法。在某些情況下，還可能出于其它原因而適當?shù)剡x用較小的倍率，如在臂架式起重機中選用較小的倍率可以減少臂架端部的定滑輪數(shù)目。在設計大起升高度的起升機構時，也可以采用減小滑輪組倍率的方法來減少卷筒繞繩量，從而避免多層卷繞或過長的卷筒。
3 副起升機構設計計算
設計起升機構時需給定的主要參數(shù)有：起重量、工作級別、起升高度和起升速度。
起重量對起升機構的組成型式、傳動部件的型號尺寸和電動機的驅動功率都有重要的影響。在起重機系列設計時，合理選擇起重量系列是重要的環(huán)節(jié)。一般情況下，當起重量超過10 t時，常設兩個起升機構，即主起升機構和副起升機構。主起升機構的起重量大，用以起吊重的貨物。副起升機構的起重量小，但速度較快，用以起吊較輕的貨物或作輔助性工作，提高工作效率。
起升速度的選擇與起重量、起升高度、工作級別和使用要求有關．中、小起重量的起重機選用高速以提高生產(chǎn)率：大起重量的起重機選用低速以降低驅動功率，提高工作的平穩(wěn)性和安全性。工作級別高、經(jīng)常使用、要求生產(chǎn)率高的起重機宜選用高速；反之．工作級別低、用于輔助性工作的起重機可選用低速。用于安裝與設備維修的起重機除應選用低速外，還可備有微速或調速功能。大起升高度的起重機為了提高工作效率．除適當提高起升速度外，還可備有空載快速升降功能。表3.1為本起重機起升機構主要參數(shù)
表3.1本起重機起升機構主要參數(shù)
參數(shù)
主起升機構
副起升機構
額定起重量（t）
250
50
工作級別
M3
M5
起升高度（m）
26
32
起升速度（m/min）
1
4
3.1 起升機構的典型形式
3.1.1 起升機構驅動裝置的布置方式
（1）平行軸線布置
大多數(shù)起重機起升機構的驅動裝置都采取電動機軸與卷筒軸平行布置。
起升機構的基本驅動型式見圖3.1。當起升機構用于吊運液態(tài)金屬及其他危險物品時．需采用雙制動器．按圖3.1中的點劃線選擇布置。當需設主、副兩個起升機構時，布置方式見圖3.2。也有用電動葫蘆作為副起升機構，可使布置更加緊湊。
圖3.1 起升機構的驅動裝置
圖3.2 主、副鉤起升機構的驅動裝置
大起重量的起升機構，由于起升速度相對較慢，減速器傳動比增大，也有采用在減速器輸出端加一級開式齒輪的方式，見圖3.3。起重量超過100t的大型起重機也可采用圖3.4的布置方式。慢速起升機構采用一臺減速器其傳動比已不能滿足要求時，可采用圖3.5的布置方式。
圖3.3 帶開式齒輪的驅動裝置
圖3.4 大起重量起重機起升機構的驅動裝置
圖3.5 慢速起升機構的驅動裝置
上述起升機構方案中，各部件都是分別支承、固定在小車架上。要求小車架有足夠的精度和剛度，從而使小車架的自重增大，加工制造及安裝調整也很麻煩。為了減輕和簡化這樣的小車架，可采用帶有制動器的電動機，并將其直接套裝在減速器上，使整個傳動機構形成一個獨立的整體。通過減速器的兩個支承點和卷筒支承座的一個支承點形成穩(wěn)定支承，可降低對小車架安裝精度的要求。此外還可將定滑輪直接套裝在卷筒上，并使卷簡直接作為小車架的主體，在兩端安裝行走端梁構成整個起重小車，使結構大為簡化，見圖3.6。但這種方案只適合于中、小噸位的起重機。
圖3.6 簡易起重小車
（2）同軸線布置
將電動機、減速器和卷筒成直線排列，電動機和卷筒分別布置在同軸線減速器（常為普通行星減速器或少齒差行星減速器）的兩端，或者把減速器布置在卷筒內部。為使機構緊湊和提高組裝性能．可采用帶制動器的端面安裝型式的電動機。同軸線布置的起升機構橫向尺寸緊湊，但加工精度和安裝要求較高．維修不太方便。
本起重機起升機構設主、副兩個起升機構，起升重量分別為250t和50t。驅動裝置采用平行軸線布置，布置方式見圖3.7。
圖3.7本起重機驅動裝置布置方式
3.1.2 起升機構鋼絲繩卷繞系統(tǒng)設計
3.1.2.1 卷繞系統(tǒng)的典型形式
卷繞系統(tǒng)是傳動系統(tǒng)的組成部分，起著運動形式的轉換作用。圖3.8是橋式起重機廣泛采用的起升卷繞系統(tǒng)。
圖3.8 橋式起重機起身卷繞系統(tǒng)
在卷繞系統(tǒng)設計時，應盡量避免鋼絲繩反向彎折，或盡可能減少反向彎折的次數(shù)。出現(xiàn)反向彎折時，可用增大滑輪直徑、提高滑輪直徑與鋼絲繩直徑的比值來減緩鋼絲繩的疲勞損傷。
3.1.2.2 大起升高度卷繞系統(tǒng)方案設計
當橋架類型起重機起升高度超過20 m時，鋼絲繩卷繞系統(tǒng)一般要特殊考慮．采取合適的方案，
（1）加大卷筒直徑或長度
此方案簡單易行。但過分加大卷筒直徑會帶來起升機構高度尺寸的增加；過度增加卷筒長度會導致鋼絲繩對滑輪和卷筒繩槽偏斜角的增大，加劇磨損，甚至引起滑輪繩槽的破壞或鋼絲繩跳槽，這種方案局限性較大。
（2）減小滑輪組倍率
此方案簡單可行。適當減小倍率能減少鋼絲繩在卷簡上的繞繩量，并不增加機構外形尺寸，在對起升機構外形尺寸有限制的場合更為有利。但卷筒受力增加，鋼絲繩直徑增大，減速器傳動比也要增加，有一定的使用局限性。
（3）普通雙層卷繞
將鋼絲繩端固定于卷筒中部，起升時鋼絲繩從中間向兩頭繞于卷筒繩槽中，繞滿碰到端壁時，由于鋼絲繩拉力的水平分力指向當中，鋼絲繩向當中返回繞第二層。這種方案構造簡單，但鋼絲繩的偏斜角不能大于3°，否則第二層鋼絲繩排列不整齊，磨損也厲害，適用于不頻繁使用的場合。
（4）雙卷筒卷繞
由兩個卷筒同時卷繞，可使起升高度增加一倍，但是機構的外形尺寸較大。
（5）多層卷繞
多層卷繞時為使鋼絲繩在卷筒上排列整齊，通常采取以下措施：卷筒壁開螺旋繩槽，保證第一層鋼絲繩整齊排列，同時需要采用壓繩器和排繩器。
本起重機安裝于水電站工程廠房內，用于設備安裝及檢修工作，不頻繁使用，廠房也有足夠大的空間，為了簡化設計，便于安裝和維修保養(yǎng)，本起重機采用加大卷筒直徑的方案。
3.1.3 滑輪組設計
3.1.3.1 滑輪組的種類
滑輪組由若干動滑輪和定滑輪組成。根據(jù)滑輪組的功用分為：省力滑輪組和增速滑輪組。
省力滑輪組廣泛用于起重機的起升機構和普通臂架變幅機構，它能用較小的鋼絲繩拉力吊起數(shù)倍于鋼繩拉力的重物。增速滑輪組主要用于液壓或氣壓驅動的機構中，利用液壓缸或氣缸使工作裝置獲得數(shù)倍于活塞行程和速度，如叉車的門架貨叉升降機構和輪式起重機的吊臂伸縮機構。
滑輪組又有單式滑輪組與雙聯(lián)滑輪組之分。單式滑輪組用于門座起重機、汽車起重機、塔式起重機等臂架類型的起重機。由于有端部滑輪導向，當卷筒收入放出鋼絲繩時，雖然鋼絲繩沿卷筒移動，吊鉤并不隨著作水平位移。但是，對于橋式類型起重機，如果采用單式滑輪組，在吊鉤升降時就會引起水平方向的位移(圖3.9)，這不僅對于操作引起不便，同時使吊重重量在兩根主梁上的分配不等。采用如圖3.10所示的雙聯(lián)滑輪組就可以免除這種缺點。
圖3.9 單式滑輪組起升時的水平位移
圖3.10 雙聯(lián)滑輪組
3.1.3.2 滑輪組的倍率
滑輪組倍率的選定對起升機構的總體尺寸影響較大。倍率增大，則鋼絲繩分支拉力減小，鋼絲繩直徑、滑輪和卷簡直徑也隨之減小，在起升速度不變時，需提高卷筒轉數(shù)，即減小機構傳動比。但倍率過大，會使滑輪組本身體積和重量增大，同時也會降低效率，加速鋼絲繩的磨損。
起重量小時，選用小的倍率，隨著起重量增大，倍率相應提高。倍率增大，起升速度相應減小。橋式起重機常用雙聯(lián)滑輪組倍率見表3.2。
表3.2 橋式起重機常用雙聯(lián)滑輪組倍率
額定起重量(t)
3
5
8
12.5
16
20
32
50
80
100
120
160
200
250
倍率m
1
2
2
3
3
4
4
4
5
6
6
6
8
8
本起重機主起升機構額定起重量為250t，故選擇倍率m＝8的雙聯(lián)滑輪組；副起升機構額定起重量為50t，選擇m＝4的雙聯(lián)滑輪組。
3.1.3.3 滑輪組滑輪的配置
滑輪組中的滑輪按所需倍率和結構要求配置。橋式起重機的滑輪組配置見圖3.11。
圖3.11 省力滑輪組
雙聯(lián)滑輪組倍率m≤4時．從卷筒引出的鋼絲繩兩根分支．一般通向吊鉤架最外邊的兩個動滑輪，平衡滑輪位于中間位置。當m>4時．為了不使卷筒中間的光面部分過長．應將兩根鋼絲繩分支引向吊鉤組中間兩個動滑輪，用平衡梁代替平衡滑輪。為避免鋼繩分支在運動中相碰．中間兩個動滑輪的直徑應稍微加大（圖3.12）。
圖3.12 使用平衡梁的雙聯(lián)滑輪組
3.2 副起升機構的計算
根據(jù)任務書，已知本起重機主副升機構主要參數(shù)：額定起重量Q0=50t；工作級別M5；副鉤起升高度H=32m；副鉤起升下降速度V=4m/min。
3.2.1 鋼絲繩與卷筒的選擇
1．鋼絲繩計算
1）鋼絲繩的最大工作靜拉力
當滑輪組形式和倍率確定之后，繞入卷筒鋼絲繩端頭的最大工作靜拉力，用總起重量Gt按公式（3.1）計算。
Smax＝1000 ×Gt×g/(m×a×ηd×ηp)…………………………（3.1）
式中：
Smax－鋼絲繩最大工作拉力，N；
Gt－總起重量，Gt= Gn(t)＋Gd(t)，Gn(t)為額定起重量，Gd(t)為取物裝置的重量（初選吊鉤 滑輪組TZB7147.15 50單鉤 TZQ7176.17.00） 共2.255t
m－滑輪組倍率；
a－滑輪組上鋼絲繩繞入卷筒上的根數(shù)；
g－重力加速度，g取9.81m/s2；
ηd－卷筒裝置的傳動效率，見表3.3；
ηp－滑輪組的傳動效率，見表3.4。
表3.3筒裝置傳動效率ηd
軸承形式
傳動效率
滾動軸承
0.98
滑動軸承
0.96
表3.4滑輪組的傳動效率ηp
軸承形式
軸承鋼絲繩支數(shù)
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
滑動
0.98
0.96
0.96
0.92
0.91
0.89
0.87
0.85
0.84
0.82
0.81
0.79
0.78
滾動
0.99
0.98
0.97
0.98
0.95
0.94
0.93
0.92
0.91
0.91
0.9
0.89
0.88
根據(jù)表3.3，Gt=50+2.255=52.255t；
滑輪組采用雙聯(lián)滑輪組（a=2），倍率m=4；
根據(jù)表3.1，ηd=0.98；
根據(jù)表3.2，ηq=0.93。
則Smax＝1000 ×Gt×g/(m×a×ηd×ηp)= 68109.794N
2）鋼絲繩直徑的選擇
鋼絲繩直徑不應小于按公式（3.2）計算的最小直徑：
dgmin =C×(Smax)(1/2)…………………………………………（3.2）
式中：
dgmin－計算的鋼絲繩最小直徑，mm；
C－鋼絲繩的選擇系數(shù)，見表3.5。
表3.5 鋼絲繩選擇系數(shù)C及許用安全系數(shù)n
機構工作級別
旋轉或輕微旋轉的鋼絲繩
不旋轉的鋼絲繩
安全系數(shù)n
纖維芯
鋼絲芯
纖維芯或者鋼絲芯
鋼絲繩公稱抗拉強度N/mm2
1570
1670
1770
1570
1670
1770
1570
1670
1770
M1～M3
0.0879
0.0852
0.0828
0.0846
0.0820
0.0797
0.0895
0.0868
0.0843
≥4.0
M4
0.0932
0.0904
0.0878
0.0897
0.0870
0.0845
0.0949
0.0921
0.0894
≥4.5
M5
0.0982
0.0953
0.0925
0.0946
0.0946
0.0891
0.1001
0.0970
0.0943
≥5.0
M6
0.1076
0.1043
0.1014
0.1036
0.1005
0.0976
0.1096
0.1063
0.1032
≥6.0
M7
0.1162
0.1127
0.1095
0.1119
0.1085
0.1054
0.1184
0.1148
0.1115
≥7.0
M8
0.1318
0.1278
0.1241
0.1269
0.1230
0.1195
0.1343
0.1343
0.1268
≥9.0
選用鋼絲繩公稱抗拉強度為1770 N/mm2的纖維芯鋼絲繩，工作級別為M5，故C取0.0925。
則dgmin＝0.0925×（68109.79）1/2=24.14，取鋼絲繩直徑d＝24mm。
2．卷筒計算
1）卷筒直徑選擇
鋼絲繩繞入卷筒或繞過滑輪時，鋼絲繩中的鋼絲產(chǎn)生的附加彎曲應力大小與卷繞直徑對繩徑之比D/d有關，鋼絲繩使用壽命隨D/d的增大而增大。試驗還表明鋼絲繩的使用壽命與在一次升降中通過的彎曲次數(shù)，形式和次序有關。為使機構設計得緊湊，忽略彎曲次數(shù)和方向對壽命得影響后，鋼絲繩得卷繞直徑不應小于按公式（3.3）計算的最小直徑：
Dcp≥h×d………………………………………………………（3.3）
式中：
Dcp－以鋼絲繩中心線計算的鋼絲繩卷繞直徑，mm。卷筒標準直徑見表3.7；
h－與機構工作級別和鋼絲繩結構形式有關的系數(shù)，見表3.6；
d－機構中實際選用的鋼絲繩直徑，mm。
表3.6 系數(shù)h值
工作級別
卷筒
滑輪
旋轉鋼絲繩
不旋轉鋼絲繩
旋轉鋼絲繩
不旋轉鋼絲繩
M1
11.2
12.5
12.5
14
M2
12.5
14
14
16
M3
14
16
16
18
M4
16
18
18
20
M5
18
20
20
22.4
M6
20
22.4
22.4
25
M7
22.4
25
25
28
M8
25
28
28
31.5
根據(jù)工作級別M5，鋼絲繩為旋轉鋼絲繩，選取h＝18；
則Dcp≥h×d＝18×24＝432。
因為副起升機構起升高度32m，為大起升高度卷繞系統(tǒng)，采用增大卷筒直徑的方案，根據(jù)表3.8，選取卷筒直徑D=690mm。
表3.7 卷筒直徑系列
D(mm)
355
400
450
500
560
630
690
800
900
1000
1120
1250
1320
1400
1500
1600
1700
1800
1900
2000
2120
2240
2360
2500
注：1.卷筒直徑D指卷筒繩槽底處的直徑；
2.本系列試用于鑄造卷筒和焊接卷筒。
2）卷筒轉速計算
單層卷繞卷筒轉速為：
nt＝60.m.v/π.D0………………………………………（3.4）
式中：
nt－卷筒轉速，min-1；
v－起升速度，m/s；
D0－卷筒卷繞直徑D0=D+d＝0.690＋0.24＝0.714m。
則nt＝60.m.v/π.D0＝7.137 min-1
3.2.2 選擇電動機
起升機構的負載特點是啟動時間較短（約1秒左右），只占勻速運動時間的很小比例，起動時慣性載荷也很小，只占起升載荷的10～20％。
根據(jù)起升機構的負荷特點和電動機的起動轉矩特性，電動機功率可以從按吊起的總起重量Gt算得的靜功率進行選擇。
1）計算電動機靜功率
所需電動機的靜功率按公式（3.5）計算：
Pj=Gt×Vn×Ks×Kn×Kt/(6.12×ηg×ηd×ηp)……………（3.5）
式中：
Pj－計算的電動機功率，kW；
Kn－海拔高度系數(shù)，于起重機所在地的海拔高度有關，見表3.8；
Kt－環(huán)境溫度系數(shù)，與起重機的工作環(huán)境溫度和所采用電動機的絕緣等級有關，見表3.9；
Ks－機構的操作頻繁程度系數(shù)，見表3.10；
ηg－減速裝置（含減速器和開式齒輪）的傳動效率。
表3.8 海拔高度系數(shù)Kn
海拔高度（m）
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Kn
1.00
1.03
1.06
1.11
1.16
1.22
1.30
表3.9 環(huán)境溫度系數(shù)Kt
電動機絕緣等級
E . B . F
H
工作環(huán)境溫度（℃）
<40
>40～50
>50～60
>40～50
>50～60
系數(shù)Kt
1.00
1.12
1.25
0.90
1.00
表3.10操作頻繁程度系數(shù)Ks
機構工作級別
機構作業(yè)持續(xù)率JC
電動機接電持續(xù)率FC
15%
25%
40%
60%
100%
～M3
15%
1.00
0.85
0.74
0.62
0.52
M4～M5
25%
1.18
1.00
0.87
0.73
0.61
M6
40%
1.35
1.15
1.00
0.83
0.70
M7～M8
60%
1.62
1.38
1.20
1.00
0.84
100%
1.93
1.64
1.43
1.19
1.00
表3.11一對嚙合齒輪的傳動效率 ε
效率計算式
ηg＝εn n為嚙合齒輪對數(shù)
減速器型式
軸承型式
ε
開式齒輪
滑動軸承
0.93～0.94
滾動軸承
0.96～0.97
油浴齒輪
滑動軸承
0.94～0.95
滾動軸承
0.97～0.98
根據(jù)表3.8，取Kn＝1.00；
根據(jù)表3.9，取Kt＝1.00；
根據(jù)表3.10，取Ks＝1.00；
根據(jù)表3.11，取ε＝0.98
ηg=ε4=0.984=0.922；
則Pj=Gt×Vn×Ks×Kn×Kt/(6.12×ηg×ηd×ηp)＝38.936 kw
當前在起重機機構設計中，驅動電機趨向于選用高速電機，這是因為其輸出功率相同，而售價低，經(jīng)綜合比較后，選用8級電機，經(jīng)查表3.12，初選YZP250M-8，該電機在工作方式為S3，接電持續(xù)率為40％時，功率Pn=37kw。
表3.12YZP電機技術參數(shù)（8級）
型號
標稱功率(kw)
額定電流(A)
額定轉矩(N.m)
額定轉速( r/min)
堵轉轉矩倍數(shù)(3Hz)
最大轉矩倍數(shù)（50Hz)
轉動慣量kg.m2
重量(kg)
過載倍數(shù)
YZP132S-8
2.2
6.4
29
725
1.25
2.6
0.0525
80
≥2.5
YZP132M-8
3
8.5
39.5
725
1.25
2.6
0.0562
92
YZP160M1-8
4
10.8
52.3
730
1.35
2.8
0.0575
110
YZP160M2-8
5.5
14.5
72
730
1.35
2.8
0.1325
125
YZP160L-8
7.5
19
97
730
1.25
2.8
0.1775
152
YZP180L-8
11
26
141
735
1.39
2.8
0.325
220
YZP200L-8
15
35
192
735
1.50
2.8
0.339
260
YZP225S-8
22
48
282
735
1.46
2.9
0.491
270
YZP225M-8
30
68
386
735
1.47
2.9
0.547
292
YZP250M-8
37
76
473
735
1.28
2.8
0.834
405
YZP280S-8
45
93
575
735
1.39
3.0
1.39
520
YZP280M-8
55
121
703
735
1.27
2.9
1.65
592
YZP315S-8
75
154
960
735
1.70
3.1
4.79
1000
YZP315M1-8
90
182
1152
735
2.0
3.1
5.58
1100
YZP315M2-8
110
220
1416
735
2.0
3.0
6.37
1160
YZP315L2-8
132
269
1692
735
1.98
2.9
7.32
1230
YZP355M1-8
160
320
2038
735
2.1
2.9
9.4
1690
YZP355M2-8
200
393
2548
735
2.1
2.9
11.38
1790
YZP355L-8
220
425
2803
735
2.1
2.9
13.8
1990
YZP400L1-8
250
435
3183
735
2.2
3.0
22.9
2500
YZP450L1-8
355
650
4520
746
2.5
3.6
46.5
3400
YZP450L2-