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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
軌道式電動(dòng)搬運(yùn)車及其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
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軌道式電動(dòng)搬運(yùn)車及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘要
架橋機(jī)是架設(shè)橋梁時(shí)用來(lái)提升、移動(dòng)T梁，使其達(dá)到指定位置的起重設(shè)備，
它廣泛應(yīng)用于橋梁的施工，較好地解決了水上、陸地和高山峻嶺搭設(shè)支架施工的
難題，并極大地提高了工作效率，縮短了工期，在橋梁的建設(shè)中發(fā)揮了巨大作用。
軌道式搬運(yùn)車是架橋機(jī)的一個(gè)重要組成部分，主要用來(lái)搬運(yùn)T梁，使其達(dá)到指定
地點(diǎn)的運(yùn)輸設(shè)備，廣泛用于混凝土預(yù)制場(chǎng)及野外施工工地，在橋梁及公路建設(shè)中
發(fā)揮了巨大作用。
本設(shè)計(jì)中，主要涉及兩大塊：機(jī)械傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)和電氣控制裝置的設(shè)計(jì)。
機(jī)械傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)中，主要包括傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)、電動(dòng)機(jī)的選型、減速器的選擇、
傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)、傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)；在電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，包括工藝流程圖的
設(shè)計(jì)、PLC的選型、外部接線圖的設(shè)計(jì)、梯形圖和指令語(yǔ)句的設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵字：架橋機(jī) ；搬運(yùn)車；傳動(dòng)系統(tǒng)；PLC
軌道式搬運(yùn)車及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
RAIL TYPE ELECTRICAL CARRIER AND
CONTROL SYSTEM DESIGN
ABSTRACT
Bridge girder erection machine is used to ascend and remove the T beam. It is
a lifting equipment which can remove the T beam to the designated location. It is
widely applied in bridge construction, which has solved the problem of building stents
in water, land and mountain. And bridge girder erection machine greatly improve the
working efficiency, shorten the construction period. It plays a great role in the
construction of the bridge. Orbital carrier is a important part of bridge girder erection
machine, which is mainly used to transport T beam to the designated location. Orbital
carrier plays a important role in the construction of the bridge and highway, which is
widely applied in prefabricated field and wild projects.
In this design, mainly involves two sections: One is the mechanical
transmission device design ， The other is electrical control system design. In
mechanical transmission device design, mainly including the transmission scheme
design, the selection of electromotor, the selection of gear transmission design, the
design of the transmission shaft, At the electric control system design, including
process diagram design, selection of PLC, the design of the ladder-diagram hook and
instruction of statements.
Key words:
bridge girder erection machine ;
carrier ;
transmission systems ;
PLC
軌道式搬運(yùn)車及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
目錄
1 緒論............................................................................................................................1
1.1 架橋機(jī)和搬運(yùn)車的現(xiàn)狀...............................................................................1
1.1.1
1.1.2
架橋機(jī)的分類....................................................................................1
搬運(yùn)車的分類....................................................................................2
1.2 架橋機(jī)的主要組成及其功能.......................................................................3
1.3 架橋機(jī)和搬運(yùn)車的發(fā)展趨勢(shì).......................................................................5
1.4 本文的主要工作...........................................................................................6
2 傳動(dòng)總體方案設(shè)計(jì)....................................................................................................7
2.1 電動(dòng)機(jī)選型.....................................................................................................7
2.1.1
2.1.2
輪壓計(jì)算:..........................................................................................7
電動(dòng)機(jī)的選型....................................................................................8
2.2 減速器選型...................................................................................................9
2.2.1
2.2.2
傳動(dòng)比的分配....................................................................................9
齒輪減速器的選擇和校核................................................................9
3 傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)和計(jì)算..........................................................................................10
3.1 傳動(dòng)齒輪設(shè)計(jì).............................................................................................10
3.1.1
3.1.2
3.1.3
選定齒輪的類型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)..................................10
按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)......................................................................10
按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)......................................................................12
3.2 軸的設(shè)計(jì).....................................................................................................15
3.2.1
3.2.2
主動(dòng)軸的設(shè)計(jì)..................................................................................15
從動(dòng)軸的設(shè)計(jì)..................................................................................22
4
搬運(yùn)車電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)....................................................................................24
4.1 畫工藝流程圖和動(dòng)作順序表.....................................................................24
4.2 PLC 選型......................................................................................................25
4.3 主電路和外部接線圖.................................................................................26
軌道式搬運(yùn)車及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.4 梯形圖.........................................................................................................27
4.5 指令程序.....................................................................................................28
5
結(jié)論........................................................................................................................29
參考文獻(xiàn)......................................................................................................................30
致謝..............................................................................................................................31
軌道式搬運(yùn)車及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1 緒論
1.1 架橋機(jī)和搬運(yùn)車的現(xiàn)狀
1.1.1
架橋機(jī)的分類
我國(guó)目前的公路架橋機(jī)雖說(shuō)形式各異，但概括起來(lái)可以分為導(dǎo)梁式架橋設(shè)備
與專用架橋機(jī)兩大類。
1
導(dǎo)梁式架橋設(shè)備
這類架橋設(shè)備是利用拼裝成的導(dǎo)粱作為承重移動(dòng)支架，再配置部分起重裝置
與移動(dòng)機(jī)具來(lái)實(shí)現(xiàn)架梁。根據(jù)導(dǎo)粱結(jié)構(gòu)組成的不同特征．該種設(shè)備又可分為以下
兩種類型：
(1) 用萬(wàn)能桿件組裝成導(dǎo)梁的架橋設(shè)備
目前，在日內(nèi)使用也較為普遍。它采用萬(wàn)能桿件組拼導(dǎo)粱，同樣也配置部分
起重與移動(dòng)機(jī)具構(gòu)成，屬于非定型的l臨時(shí)設(shè)備。其基本桿件輕，加工簡(jiǎn)單；采用
高強(qiáng)螺栓聯(lián)接，非彈性變形??；并能在疊層及加強(qiáng)弦桿后組拼承載能力較大的導(dǎo)
梁，可適應(yīng)較大跨度預(yù)制粱的架設(shè)。
(2) 用戰(zhàn)備軍用桁梁組裝成導(dǎo)梁的架橋設(shè)備
這種架橋設(shè)備是近幾年才出現(xiàn)的，它采現(xiàn)有戰(zhàn)備軍用桁梁組拼成導(dǎo)梁，再配
置起吊與移動(dòng)裝置構(gòu)成，由于這種設(shè)備的導(dǎo)梁采用重型結(jié)構(gòu)單元拼裝，導(dǎo)粱的承
載能力大，適用于大跨度橋梁的架設(shè)。但這種設(shè)備自重過(guò)大，利用系數(shù)較低f小于
O-4)，整機(jī)移動(dòng)困難；而且在架設(shè)大跨度橋梁時(shí)因?qū)Я磺岸藨冶蹞隙容^大，縱移
就位困難。
(3) 專用架橋機(jī)
專用架橋機(jī)是在導(dǎo)梁式架橋設(shè)備基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)其結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)進(jìn)行改善而發(fā)
展起來(lái)的一種定型的橋梁專用施工機(jī)械。
(4) 雙導(dǎo)梁型公路架橋機(jī)
雙導(dǎo)粱形式在我國(guó)目前公路架橋機(jī)中應(yīng)用最廣，受到外部空間尺寸限制，且
更易實(shí)現(xiàn)吊梁小車的布置。導(dǎo)粱的承載能力強(qiáng)，整機(jī)橫向穩(wěn)定性能也較好但雙導(dǎo)
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軌道式搬運(yùn)車及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
梁型架橋機(jī)存在的主要問(wèn)題是，對(duì)架設(shè)曲線橋與斜交橋的適應(yīng)能力較差。
2
單導(dǎo)粱型公路架橋機(jī)
單導(dǎo)梁型公路架橋機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、利用系數(shù)較高、對(duì)曲線及斜交橋梁架設(shè)
適應(yīng)能力強(qiáng)．容易實(shí)現(xiàn)架設(shè)外邊梁等特點(diǎn)。
3
鋼索斜拉式公路架橋機(jī)
該架橋機(jī)在中問(wèn)支腿外的導(dǎo)梁上方設(shè)立有一高約20m的鋼結(jié)構(gòu)塔架．用以安裝
斜拉鋼索以降低導(dǎo)梁懸臂撓度。斜拉鋼索有利于降低導(dǎo)梁懸臂狀態(tài)時(shí)的應(yīng)力與懸
臂端撓度，可減輕導(dǎo)梁自重。但整機(jī)重心提高，橫移時(shí)穩(wěn)定性能差；在架設(shè)施工
中，如遇高壓供電線纜等物．無(wú)法實(shí)現(xiàn)縱移；現(xiàn)場(chǎng)組裝困難．且斜拉鋼索的預(yù)拉
力難以控制調(diào)整。
4
側(cè)向取梁型公路架橋機(jī)
用于長(zhǎng)大橋梁施工，采用將預(yù)制梁片從開行至橋墩側(cè)邊的運(yùn)輸車輛上提升起
來(lái)，并吊梁橫向走行至梁位進(jìn)行落梁。其主要優(yōu)點(diǎn)是：便于多點(diǎn)多機(jī)投人架梁施
工；架粱作業(yè)程序簡(jiǎn)單和效率高；吊梁橫移時(shí)，導(dǎo)梁不動(dòng)，并可與墩臺(tái)連接．整
機(jī)的穩(wěn)定性能好。但整機(jī)自重大．利用系數(shù)偏低：縱移時(shí)采用放置在前方墩頂上
的卷?yè)P(yáng)機(jī)拖拉．因而需配以吊機(jī)予以輔助施工。
1.1．2
搬運(yùn)車的分類
常用的運(yùn)梁車有以下幾種：
1
軌道式搬運(yùn)車
對(duì)于梁長(zhǎng)16～60 m ,重16～60 t 的主梁,一般采用軌道搬運(yùn)車運(yùn)輸,由卷?yè)P(yáng)機(jī)
或軌道拖車頭牽引,但需要在預(yù)制場(chǎng)和橋位之間鋪設(shè)道軌,修建簡(jiǎn)易鐵路,需涉水
的還需修建臨時(shí)便橋,此外,在預(yù)制場(chǎng)還需設(shè)置門式吊機(jī)或其他大型起重機(jī)械,才
能把主梁吊起放在軌道搬運(yùn)車上。
2
輪胎式運(yùn)梁車
它由主動(dòng)車和從動(dòng)車構(gòu)成，主動(dòng)車與從動(dòng)車之間通過(guò)預(yù)制構(gòu)件相連接；主動(dòng)
車包括車架體，在車架體上設(shè)置有驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)行走機(jī)構(gòu)和液壓轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)；從動(dòng)車包
括車架體，在車架體上設(shè)置有行走轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)；其中，在主動(dòng)車和從動(dòng)車上的車架
體上分別設(shè)置有縱向連接架和橫向連接架；縱向連接架包括縱梁，在縱梁內(nèi)設(shè)置
有連接管，連接管一端與縱梁結(jié)合在一起，連接管另一端以彈性連接的方式穿過(guò)
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軌道式搬運(yùn)車及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
橫梁并在連接管端部設(shè)置有限位件。
3
炮桿拖車或平板拖車
對(duì)梁長(zhǎng)6～6 m ,梁重6～16 t 的主梁,一般選用炮桿拖車(目前已禁止使用) 和
平板拖車。炮桿拖車運(yùn)梁是在主車的后面連接炮桿拖車。在主車的貨箱上固定旋
轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤,主車拖車掛鉤和后面的拖車用一厚壁的鋼管相聯(lián)(鋼管的長(zhǎng)度根據(jù)主梁長(zhǎng)
度而定) ,后面的拖車和鋼管統(tǒng)稱為炮桿拖車。運(yùn)輸主梁時(shí),首先在預(yù)制場(chǎng)用吊車
將主梁吊起放在主車轉(zhuǎn)盤和拖車轉(zhuǎn)盤上,將主梁固定好,由主車牽引炮桿拖車載梁
運(yùn)至橋位處,再用吊車將主梁吊起架設(shè)在蓋梁上。使用平板拖車運(yùn)輸主梁,梁長(zhǎng)小
于16 m ,可直接用吊車吊起主梁放在平板拖車上,固定好后即可運(yùn)輸;梁長(zhǎng)大于16 m
時(shí),需在車箱板上設(shè)置旋轉(zhuǎn)支架,把梁吊起放在兩個(gè)支架上固定好,前后主梁梁頭
伸出車身一部分,才能運(yùn)輸。用這兩種車輛運(yùn)輸,因河灘上無(wú)道路,而運(yùn)梁車需通過(guò)
河灘、河床并涉水,行車條件較差,而車輛運(yùn)輸屬公路運(yùn)輸,在河灘上運(yùn)輸長(zhǎng)且重的
主梁,其牽引能力、通過(guò)性能大大降低,保證不了正常運(yùn)輸,需修建汽車便道和臨時(shí)
便橋;此外,在預(yù)制場(chǎng)還需要起重機(jī)械把主梁吊放在車上,才能載梁運(yùn)輸。梁長(zhǎng)超過(guò)
16 m、梁重超過(guò)16 t 時(shí),受車輛荷載限制,無(wú)法用這兩種車輛運(yùn)梁。
4
低貨位重型運(yùn)梁扁擔(dān)車
根據(jù)扁擔(dān)挑重物的原理研制的。使用此車運(yùn)梁造價(jià)低、使用方便,不需修建汽
車便道和臨時(shí)便橋,預(yù)制場(chǎng)也不需設(shè)置門式吊機(jī)或其他起重機(jī)械。此車只要稍加改
動(dòng),換上重型輪胎,加固扁擔(dān)梁,既可運(yùn)輸長(zhǎng)30 m ,重45 t 的主梁,是建設(shè)大型梁式
橋的理想運(yùn)梁機(jī)械,有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。
1.2 架橋機(jī)的主要組成及其功能
架橋機(jī)由主體金屬結(jié)構(gòu)、起升系統(tǒng)、走行系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)等部分組成。
1
主體金屬結(jié)構(gòu)
該機(jī)的主體金屬結(jié)構(gòu)由主梁、后車Q型支腿、中車0型支腿和前支腿等部分組
成。主梁采用兩跨連續(xù)雙主梁的結(jié)構(gòu)型式。通過(guò)調(diào)整中車的支承高度，可改變中
車反力，必要時(shí)可減輕架梁時(shí)對(duì)墩頂?shù)淖饔昧?。主梁采用箱型結(jié)構(gòu)，梁頂設(shè)有方
鋼軌道供起重小車走行。主梁分4節(jié)制造以方便運(yùn)輸，各梁節(jié)之間采用節(jié)點(diǎn)板精制
螺栓連接。
后支腿采用Q形結(jié)構(gòu)形式，分5節(jié)制造，均為箱型截面。過(guò)隧道時(shí)，后支腿兩
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軌道式搬運(yùn)車及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
側(cè)上曲梁與主梁連接處可繞軸鉸轉(zhuǎn)動(dòng)90。，下曲梁可向上翻起，減小后車支承處
的寬度和高度，以適應(yīng)隧道的凈空要求。
中車支腿采用O形結(jié)構(gòu)形式，分6節(jié)制造，均為箱型截面。中車下橫梁與中車
臺(tái)車組設(shè)有2組連接點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的中車軌距分別為6m和7．5m，以適應(yīng)不同梁型的架
設(shè)要求。過(guò)隧道時(shí)，拆除支腿上部的馬鞍和下部橫梁，支腿兩側(cè)上曲梁轉(zhuǎn)動(dòng)90。，
下曲梁向上翻起，減小中車支承處的寬度和高度，以適應(yīng)隧道的凈空要求。
前支腿采用平面構(gòu)架的結(jié)構(gòu)形式，由立柱系和聯(lián)結(jié)系組成，通過(guò)2個(gè)軸鉸分別
與2片主梁連接。支腿與主梁共有3個(gè)連接點(diǎn)，與不同的連接點(diǎn)連接時(shí)可架設(shè)不同
的梁跨。支腿縱走動(dòng)作通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸鉸上部的反抓輪實(shí)現(xiàn)。立柱系采用箱形截
面，聯(lián)結(jié)系采用H形截面。立柱底部設(shè)有鉸座支承在墊石上，保證立柱為中心受壓
桿件。為了抵消懸臂過(guò)孔時(shí)主梁的撓度以及架設(shè)不同高度的箱梁，立柱下底部設(shè)
一伸縮節(jié)，以改變前支腿的高度。立柱的伸縮由立柱側(cè)面的液壓缸實(shí)現(xiàn)，伸縮到
位后安裝銷軸固定。
2
起升系統(tǒng)
起升系統(tǒng)由2臺(tái)起重小車、4臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)和2套吊具組成。起重小車采用牽引小車
型式，每臺(tái)起重小車設(shè)2個(gè)吊點(diǎn)，額定起重量均為450t。起升機(jī)構(gòu)中4個(gè)吊點(diǎn)分別
由4套獨(dú)立的傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)，前小車的卷?yè)P(yáng)機(jī)放在主梁最后端，后小車的卷?yè)P(yáng)機(jī)放
在前小車卷?yè)P(yáng)的前部。前小車2個(gè)吊點(diǎn)用一根鋼絲繩在主梁的前端由2個(gè)游輪和2個(gè)
均衡輪平衡卷繞，構(gòu)成1個(gè)平衡吊點(diǎn)；后小車2個(gè)吊點(diǎn)由2根鋼絲繩獨(dú)立卷繞，繩端
固定在端橫梁上，構(gòu)成2套獨(dú)立的卷繞系統(tǒng)，呈2個(gè)獨(dú)立吊點(diǎn)。2臺(tái)起重小車實(shí)現(xiàn)4
點(diǎn)起吊、3點(diǎn)平衡。
定滑輪組上首先繞入的滑輪和最后繞出的滑輪軸線大大高于其它滑輪，這樣
可保證從4個(gè)卷?yè)P(yáng)機(jī)出來(lái)的4根鋼絲繩相互之間沒有任何干擾，并且可使小車至卷
揚(yáng)機(jī)問(wèn)的鋼絲繩保持水平，不必設(shè)置托輥，可有效地延長(zhǎng)鋼絲繩的使用壽命，提
高起升機(jī)構(gòu)的安全性。
起升機(jī)構(gòu)設(shè)雙制動(dòng)裝置，在傳動(dòng)裝置的高速端(減速機(jī)輸人軸)設(shè)電力液壓推
桿瓦塊式制動(dòng)器，低速端(卷筒)設(shè)失效保護(hù)盤式制動(dòng)器，以達(dá)到工作制動(dòng)和超速
安全制動(dòng)的目的。
吊具主要由動(dòng)滑輪組、吊具橫梁、均衡梁、銷軸、吊軸組等組成。通過(guò)吊具
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軌道式搬運(yùn)車及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
橫梁和銷軸，可以實(shí)現(xiàn)吊具的左右和前后擺動(dòng)，從而使吊具在工作過(guò)程中始終保
持良好的受力狀態(tài)。與小車架上的定滑輪組相對(duì)應(yīng)，每個(gè)吊具上裝有2個(gè)動(dòng)滑輪組，
每個(gè)動(dòng)滑輪組上有10個(gè)動(dòng)滑輪。為了起吊單箱雙室和單箱單室兩種梁型，架橋機(jī)
配置了2套吊具，吊點(diǎn)橫向距離分別為6m和3．68m。
3
走行系統(tǒng)
走行系統(tǒng)包括主機(jī)走行機(jī)構(gòu)和起重小車走行機(jī)構(gòu)。主機(jī)走行機(jī)構(gòu)分為中、后
車走行機(jī)構(gòu)，均采用輪軌走行方式。中車軌距6m或7．5m，后車軌距7．5m。中車
走行機(jī)構(gòu)有4組中車臺(tái)車組，每側(cè)2組，通過(guò)中車均衡梁與中車O型腿下橫梁連接。
中車走行驅(qū)動(dòng)裝置采用斜齒輪一傘齒輪減速機(jī)，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩由減速機(jī)制動(dòng)器提
供。架橋機(jī)架梁前，利用中車頂升液壓系統(tǒng)將整個(gè)中車頂起，使車輪脫離軌道，
通過(guò)支承墊板使中車臺(tái)車架承受架梁工況載荷。后車走行機(jī)構(gòu)支承在后車Q型門架
下，采用與中車走行機(jī)構(gòu)相同直徑的走行輪，后車臺(tái)車組均為從動(dòng)臺(tái)車。
起重小車采用雙線雙軌走行形式，每側(cè)軌距1．06m，兩側(cè)軌道中心距6．2m。
起重小車采用鏈輪驅(qū)動(dòng)，選用節(jié)距3英寸的鏈條，并在鏈條下設(shè)置鏈托，使其始終
保持平直。鏈條兩端的固定裝置不限制鏈條的橫向移動(dòng)，以有效地防止斷鏈現(xiàn)象。
為了限制小車縱向走行出現(xiàn)蛇形，在一根主梁上的起重小車走行臺(tái)車增設(shè)了水平
輪，也可以有效地減少運(yùn)行過(guò)程中輪緣與軌道側(cè)面的摩擦阻力。
1.3 架橋機(jī)和搬運(yùn)車的發(fā)展趨勢(shì)
從架橋機(jī)的現(xiàn)狀來(lái)看．目前已進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)并具有比較大影響力的國(guó)外專業(yè)
架橋機(jī)械制造商有意大利Nicola公司和挪威NRS公司．此外還有COMTEC公司和德國(guó)
KAMAG公司等。國(guó)內(nèi)8家企業(yè)的9臺(tái)900t級(jí)架橋機(jī)基本都沒有考慮隧道因素。整體皆
無(wú)法穿過(guò)客運(yùn)專線雙線隧道，只能部分拆卸、分解穿過(guò)，且在隧道口由于沒足夠
的施工空間，架橋機(jī)的施工也非常不便。由于上述種種客觀條件和現(xiàn)有機(jī)械裝備
的尺寸限制．使客運(yùn)專線的施工受到極大的制約．阻礙了施工進(jìn)度并增加了建設(shè)
成本。我國(guó)目前的公路架橋機(jī)概括起來(lái)可以分為導(dǎo)梁式架橋設(shè)備與專用架橋機(jī)兩
大類，性能各異。但是鐵路、公路建設(shè)條件復(fù)雜，大都是野外作業(yè)．有時(shí)還需要
夜間作業(yè)，作業(yè)工況非常復(fù)雜．這就對(duì)架橋機(jī)的實(shí)用性、先進(jìn)性、可靠性等性能
提出了更高的要求。
從搬運(yùn)車的現(xiàn)狀來(lái)看，輪胎式運(yùn)梁車一般用于大噸位箱梁的搬運(yùn)，且對(duì)路面
第 5頁(yè) 共 31 頁(yè)
軌道式搬運(yùn)車及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
的要求不高。而軌道式搬運(yùn)車一般用于T梁的搬運(yùn)，且在搬運(yùn)過(guò)程中需要鋪設(shè)軌道，
因而對(duì)路面有一定地要求。目前，國(guó)內(nèi)的電動(dòng)搬運(yùn)車一般為卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引式，外接
電源。日產(chǎn)的電動(dòng)搬運(yùn)車采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)并配有發(fā)電設(shè)備，不用拖掛找電纜，較適
用于野外及遠(yuǎn)離電源的場(chǎng)合，因此，國(guó)內(nèi)的電動(dòng)搬運(yùn)車應(yīng)向這個(gè)方向發(fā)展。
1.4 本文的主要工作
本文主要涉及兩大塊：機(jī)械傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)和電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。機(jī)械傳動(dòng)
裝置的設(shè)計(jì)主要包括傳動(dòng)方案的確定、電動(dòng)機(jī)的選型、減速器的選擇、傳動(dòng)齒輪
的設(shè)計(jì)、傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)；電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括流程圖的設(shè)計(jì)、PLC 的選型、
外部接線圖的設(shè)計(jì)、梯形圖和指令語(yǔ)句編寫。
本文主要開展以下幾方面的工作：
（1）、確立傳動(dòng)總體方案，根據(jù)給定設(shè)計(jì)參數(shù)選擇電動(dòng)機(jī)的型號(hào)，再根據(jù)總
傳動(dòng)比合理選擇減速器；
（2）、各非標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)和校核，主要包括傳動(dòng)齒輪、主動(dòng)軸和從動(dòng)軸的設(shè)
計(jì)和校核；
（3）、應(yīng)用CAD軟件繪制裝配圖、機(jī)架圖和各零件圖；
（4）、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并手繪硬件接線圖。
第 6頁(yè) 共 31 頁(yè)
軌道式搬運(yùn)車及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2 傳動(dòng)總體方案設(shè)計(jì)
本文所設(shè)計(jì)的軌道式電動(dòng)搬運(yùn)車是一種簡(jiǎn)易的 T 梁運(yùn)梁車，其結(jié)構(gòu)主要包括
電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置、車輪組、制動(dòng)裝置和機(jī)架，適用于小范圍內(nèi)的搬運(yùn)。如下圖 2.1
所示，為初步擬定的搬運(yùn)車傳動(dòng)總體方案。
1、電動(dòng)機(jī)
3、聯(lián)軸器
5、減速器
圖 2.1
2.1 電動(dòng)機(jī)選型
傳動(dòng)總體方案
2、車輪
4、聯(lián)軸器和制動(dòng)器
6、齒輪
2.1.1
輪壓計(jì)算:
車輪踏面疲勞計(jì)算強(qiáng)度:
Pc =
G 25000
= = 62.5KN
4 4
第 7頁(yè) 共 31 頁(yè)
軌道式搬運(yùn)車及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
車輪材料采用 ZG340-640 ós = 380MPa, ób = 700MPa
查《起重機(jī)課程設(shè)計(jì)》附表 18，選車輪直徑,查《起重機(jī)課程設(shè)計(jì)》表 5-1，選軌
道型號(hào) P38 ，接觸類型為線接觸。線接觸局部擠壓強(qiáng)度公式:
P' = K1Dc lC1C2
(2-1)
查《起重機(jī)課程設(shè)計(jì)》表 5-2，許用線接觸應(yīng)力常數(shù)( N / mm 2 ) K1 = 6.6 ;
由車輪轉(zhuǎn)速
n c =
v 7.5
= = 4.78r / min
eD 3.14 × 5
查《起重機(jī)課程設(shè)計(jì)》表 5-3，轉(zhuǎn)速系數(shù) C1 = 0.95;查《起重機(jī)課程設(shè)計(jì)》表 5-4，
工作級(jí)別系數(shù) C2 = 1 ;車輪與軌道的有效接觸長(zhǎng)度 l， P38 軌道的 l = 68mm 。所以
P' = 6.6 × 500 × 68 × 0.95 ×1 = 213.18KN >62.5KN,故驗(yàn)算通過(guò)。
2.1.2
電動(dòng)機(jī)的選型
Pw =
F × V
1000
(2-2)
Pr =
Pw
h w
(2-3)
所以
h w = h1 × h 2 × h 3 ????? h n
F = m × G
Pw :工作機(jī)需要的輸入功率;
F:工作機(jī)的阻力;
V:工作機(jī)的線速度;
Pr :工作機(jī)實(shí)際需要的電動(dòng)機(jī)輸入功率;
h w :工作機(jī)效率;
m:軌道摩擦系數(shù)，
G:工作機(jī)載重， G = mg, m = 25000, g = 10N / kg ;
第 8頁(yè) 共 31 頁(yè)
(2-4)
(2-5)
軌道式搬運(yùn)車及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
Pw =
F × V 0.2 × 25000 ×10 × 7.5
= = 6.125kw
1000 1000 × 60
h w = h1 × h 2 × h 3 × h 4 × h 5 = 0.99 × 0.98 × 0.98 × 0.98 = 0.913
所以
Pr =
Pw
h w
6.125
= = 6.71kw
0.913
查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》，選用電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為 Y160M-6，額定功率為
P0 = 7.5kw ,滿載轉(zhuǎn)速 n 0 = 970r / min 。
2.2 減速器選型
2.2.1
傳動(dòng)比的分配
i =
n 0
n c
970
= = 202.93
4.78
(2-6)
因?yàn)?i = i減 × i齒 且一對(duì)標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪的傳動(dòng)比在 3-10 之間，所以取齒輪傳動(dòng)比
i齒 = 4 ，
i減 =
i
i齒
=
202.93
4
= 50.7
2.2.2
齒輪減速器的選擇和校核
由 i減 = 50.7 故查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表 8-424，選用型 ZSY160 型三級(jí)圓柱齒
輪減速器，其傳動(dòng)比為 i減 = 50 .
所以車輪實(shí)際轉(zhuǎn)速
n =
n 0
i減 × i齒
970
= = 4.85r / min
4 × 50
(2-7)
誤差為
e =|
n c ? n
n c
4.78 ? 4.85
4.78
故所選用的電動(dòng)機(jī)和減速器都合適。
第 9頁(yè) 共 31 頁(yè)
|=||=1.46%<15%
軌道式搬運(yùn)車及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3 傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)和計(jì)算
3.1 傳動(dòng)齒輪設(shè)計(jì)
3.1.1
選定齒輪的類型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)
1、由搬運(yùn)車傳動(dòng)總體方案，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。
2、軌道式搬運(yùn)車為一般工作機(jī)器，速度不高，故選用 7 級(jí)精度(GB10095-88)。
3、材料選擇。由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 10-1 選小齒輪材料為 40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為 280HBS，
大齒輪材料為 45 鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為 240HBS，二者硬度差為 40HBS。
4、選小齒輪齒數(shù) Z1 = 19 ，則大齒輪齒數(shù) Z2 = 76 。
3.1.2
由公式
按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
d1t >= 2.32 × 3
k × T1 × (u ± 1) × ZE 2
?d × u × [óH ]2
(3-1)
進(jìn)行試算：
1、確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值：
（1）、試選載荷系數(shù) K t = 1.3。
（2）、計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩：
T1 = 9.55 × 106 ×
7.5
970
4
(3-2)
（3）、查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 10-7，選取齒寬系數(shù) ?d = 0.6 。
1
（4）、查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 10-6，取材料的彈性影響系數(shù) ZE = 189.8MPa 2 。
（5）、查《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖 10-21d,按齒面硬度選取小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限
óH lim1 = 600MPa ,大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 óH lim 2 = 550MPa 。
（6）、由《機(jī)械設(shè)計(jì)》公式，計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：
N1 = 60 × n1 × j × Lh = 60 × 970 ×1× (2 × 8 × 300 ×15) = 4.19 ×109
第 10頁(yè) 共 31 頁(yè)
(3-3)=7.38×10N/mm
軌道式搬運(yùn)車及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
N 2 =
4.19 ×109
4
= 1.05 ×109
(3-4)
（7）、由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖 10-19，取疲勞壽命系數(shù) K HN1 = 0.90, K HN 2 = 0.94
（8）、計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力：
取失效概率為 1%，安全系數(shù) s=1,由《機(jī)械設(shè)計(jì)》式(10-12)得：
1
計(jì)算：
[óH 1] =
[óH ]2 =
K HN1 ×ólim1
s
K HN 2 × ólim 2
s
= 0.90 × 600 = 540
= 0.94 × 550 = 517
(3-5)
(3-6)
（1）、試算小齒輪分度圓直徑 d1t ,代入 [óH ]中較小的值：
d1t >= 2.32 × 3
= 2.32 × 3
?d × u × [óH ]2 0.6 × 4 × 517 2
= 69.54mm
（2）、計(jì)算圓周速度 V0
V0 =
= = 3.53m / s
60 ×1000 60 ×1000
(3-7)
（3）、計(jì)算齒寬：
模數(shù)
b = ?d × d1t = 0.6 × 69.54 = 41.7mm
(3-8)
m t =
d1t
Z1
69.54
= = 3.66mm
19
(3-9)
齒高
h = 2.25 × m t = 2.25 × 3.66 = 8.235mm
(3-10)
b 69.54
= = 8.44
h 8.235
（4）、計(jì)算載荷系數(shù)
根據(jù) V=3.53m/s,7 級(jí)精度，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖 10-8，得動(dòng)載系數(shù) K v = 1.12 ,
第 11頁(yè) 共 31 頁(yè)
Kt×T1×(u±1)×ZE21.3×7.38×104×5×189.82
e×d1t×n13.14×69.54×970
軌道式搬運(yùn)車及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
直齒輪 K Há = K
Fá
= 1。
由 《機(jī) 械設(shè) 計(jì)》 表 10-4 用 插值 法查 得 7 級(jí) 精度 ，小 齒輪 做懸 臂布 置
時(shí), K Ha = 1.351,由
b
h
= 8.44， K Ha = 1.351，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖 10-13 得 K Fa = 1.26
故載荷系數(shù)：
K = K A × K V × K Há × K Ha = 1×1.12 ×1×1.351 = 1..513
（5）、按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑:
d1 = d1t × 3
K 1.513
= 69.54 × 3
K t 1.3
= 73.15mm
(3-11)
（6）、計(jì)算模數(shù) m.
m =
d1
Z1
73.15
= = 3.84mm
19
(3-12)
3.1.3 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為：
m =
3
2 × K × T1 × YFa × YSa
?d × Z12 × [óF ]
(3-13)
1
確定公式內(nèi)的各計(jì)算值：
（1）、由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖 10-20c,查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 óFE1 = 500MPa ,
大齒輪的彎曲強(qiáng)度極限 óFE2 = 380MPa ;
（2）、由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖 10-18，取彎曲疲勞壽命系數(shù) K FN1 = 0.85, K FN 2 = 0.88 。
（3）、計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力。
取彎曲疲勞安全系數(shù) S=1.4,
[óF 1] =
[óF ]2 =
= = 303.57MPa
S 1.4
= = 238.86MPa
S 1.4
（3-14）
（3-15）
（4）、計(jì)算載荷系數(shù) K
K = K A × K V × K Fá × K Fa = 1× 1.12 × 1× 1.26 = 1.41
第 12頁(yè) 共 31 頁(yè)
（3-16）
KFN1×óFE10.85×500
KFN2×óFE20.88×380
軌道式搬運(yùn)車及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
（5）、查齒形系數(shù)：
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 10-5 查得 YSa1 = 2.85, YSa 2 = 2.23 。
（6）、查取應(yīng)力校正系數(shù)：
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 10-5 查得 YSa1 = 1.54, YSa 2 = 1.76 。
（7）、計(jì)算大、小齒輪的
YFa × YSa
[óF ]
并加以比較。
YFa1 × YFa 2
[óF ]1
2.85 × 1.54
= = 0.01445
303.57
（3-17）
[óF ]2 238.86
故大齒輪的數(shù)值大。
= = 0.0164
（3-18）
2
設(shè)計(jì)計(jì)算：
m >=
3
2 × K × T1 × YFa × YSa
?d × Z12 × [óF ]
=
3
2 ×1.41× 7.38 ×104 × 0.0164
0.6 ×192
= 2.51
對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù) m 大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù) m 的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而
齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有
關(guān)，可取彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值 m=3。
按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑 d1 = 73.15mm ,算出小齒輪齒數(shù)
Z1 =
= = 25
m 3
(3-19)
大齒輪齒數(shù)
Z2 = 4 × 25 = 100
3
幾何尺寸計(jì)算：
（1）、計(jì)算分度圓直徑
d1 = Z1 × m = 25 × 3 = 75mm
d 2 = Z2 × m = 100 × 3 = 300mm
第 13頁(yè) 共 31 頁(yè)
(3-20)
(3-21)
YFa2×YSa22.23×1.76
d173.15
軌道式搬運(yùn)車及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
（2）、計(jì)算中心距：
a =
= = 187.5mm
2 2
(3-22)
（3）、計(jì)算齒輪寬度：
b = ?d × d1 = 0.6 × 75 = 45mm
取 B2 = 45mm, B1 = 50mm 。
(3-23)
4
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及繪制齒輪零件
圖 3.1 大齒輪
第 14頁(yè) 共 31 頁(yè)
d1+d275+300
軌道式搬運(yùn)車及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.2 軸的設(shè)計(jì)
3.2.1
主動(dòng)軸的設(shè)計(jì)
1、計(jì)算輸出軸上的功率 P1 、轉(zhuǎn)速 n1和轉(zhuǎn)矩 T1
根據(jù)傳動(dòng)總體方案，
P1 = P0 × h1 × h 2 × h 3 = 7.5 × 0.99 × 0.98 × 0.98 = 7.2kw
n1 = 4.85r / min
(3-24)
T1 =
9.55 ×106 × P1
n1
9.55 ×106 × 7.2 7
= = 1.42 ×10 N ? mm
4.85
(3-25)
2、計(jì)算作用在齒輪上的力
由已知低速級(jí)大齒輪的分度圓直徑為
d 2 = m × Z2 = 3 × 100 = 300mm
2 × T1 2 ×1.42 ×107
Ft = = = 94667N
d 2 300
(3-26)
3、確定軸的最小直徑
先按下式估算軸的最小直徑。選取軸的材料為 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理。查《機(jī)械設(shè)
計(jì)》表 15-3，取 A 0 = 103所以
d min = A0 × 3
P1
n1
3
7.2
4.85
(3-27)
輸出軸的最小直徑顯然為安裝聯(lián)軸器處的直徑，為了使所選軸的直徑與與聯(lián)
軸器的孔徑相適應(yīng)，故同時(shí)選取聯(lián)軸器的型號(hào)。
聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩 Tca = K A × T ，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 14-1，考慮到轉(zhuǎn)矩變化很
小，故取 K A = 1.3，則
7
(3-28)
按照計(jì)算轉(zhuǎn)矩應(yīng)小于聯(lián)軸器公稱轉(zhuǎn)矩的條件，查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》
表 8-7，選型號(hào)為 LX9 的彈性柱銷聯(lián)軸器。半聯(lián)軸器的孔徑為 d1 = 110mm ,半聯(lián)軸
器的長(zhǎng)度 l = 212mm 轂孔長(zhǎng)度為 L1 = 167mm 。
第 15頁(yè) 共 31 頁(yè)
=103×=109mm
1
TcaA1=1.3×1.42×107=1.85×10N?mm
=K×T
軌道式搬運(yùn)車及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4 、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
（1）、擬定軸上零件的裝配方案
I
II
III
IV
V
圖 3.2
主動(dòng)軸
（2）、根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度
1>、為滿足半聯(lián)軸器的軸向定位要求，軸段左端需制出一軸肩，故?、踺S段
的的直徑 dⅤ = 110mm ,Ⅳ軸段直徑 dⅣ = 118mm ,半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長(zhǎng)度為
L1 = 167mm ,為了保證軸端擋圈只壓在半聯(lián)軸器上而不壓在軸上，故Ⅴ段軸的長(zhǎng)
度比 L1 略短，取 LⅤ = 165mm 。
2>、取安裝齒輪處的軸段Ⅳ的直徑為 dⅣ = 118mm ；齒輪的右段采用鎖緊擋圈
進(jìn)行軸向定位，齒輪左端采用軸肩定位，軸肩高度 h > 0.07d，故取 h = 8mm，故
d III = 130mm , lIV = 680mm
3>、初步選擇滾動(dòng)軸承。因軸承同時(shí)受有徑向力和軸向力的作用，故選用角
接 觸 球 軸 承 。 根 據(jù) d III130mm , 初 選 角 接 觸 球 軸 承 7326B/DT ， 其 尺 寸 為
d × D × B = 130mm × 280mm × 58mm 。右段滾動(dòng)軸承采用軸肩進(jìn)行軸向定位。故取
d II = 140mm 。
（3）、軸上零件的周向定位
齒輪、半聯(lián)軸器、車輪與軸的周向定位均采用平鍵連接。按 d V =110mm 查《機(jī)
械設(shè)計(jì)》表 6-1 得平鍵截面 b × h = 28mm × 16mm ，鍵槽用鍵槽銑刀加工，長(zhǎng)為
150mm，半聯(lián)軸器與軸的配合為
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K6
。按 d IV = 118mm,查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 6-1 得平
鍵截面 b × h = 28mm × 16mm ，長(zhǎng)為 40mm，為保證齒輪與軸配合有良好的對(duì)中性，
故選擇齒輪輪轂與軸的配合為
H7
n6
；
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軌道式搬運(yùn)車及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
按 d II = 140mm ,查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 6-1 得平鍵截面 b × h = 28mm × 16mm ，長(zhǎng)
為 110mm,為保證車輪與軸的配合有良好的對(duì)中性，故選擇車輪輪轂與軸的配合為
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n6
；軸承與軸的周向定位是由過(guò)渡配合來(lái)保證的，此處選軸的直