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編號
無錫太湖學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計（論文）
題目： 十噸位橋式起重機總體設(shè)計
信機 系 機械工程及自動化 專業(yè)
學(xué) 號： 0923283
學(xué)生姓名： 夏宇峰
指導(dǎo)教師： 陳炎冬 （職稱： 講師 ）
（職稱： ）
2013年5月25日
III
無錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）
誠 信 承 諾 書
本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文） 十噸位橋式起重機總體設(shè)計 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究所取得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè)設(shè)計（論文）中特別加以標注引用，表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計（論文）不包含任何其他個人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。
班 級： 機械96
學(xué) 號： 0923283
作者姓名：
2013 年 5 月 25日
無錫太湖學(xué)院
信機 系 機械工程及自動化 專業(yè)
畢 業(yè) 設(shè) 計論 文 任 務(wù) 書
一、題目及專題：
１、 題目 十噸位橋式起重機總體設(shè)計
２、專題
二、課題來源及選題依據(jù)
生產(chǎn)實踐所得。根據(jù)起重機主要技術(shù)參數(shù)包括起重量Q=10t，起升高度H=16m，跨度L=22.5m，起升速度V=13.3m/min運行速度V=116.8m/min運行速度V=43.8m/min,機器重量G=23.471t，小車軌距l(xiāng)=2m，工作級別為M6進行選擇。
三、本設(shè)計（論文或其他）應(yīng)達到的要求：
① 熟悉橋式起重機的工作特點和基本參數(shù)；
② 熟練掌握橋式起重機的主要零部件和工作原理；
③ 熟練掌握橋式起重機的大小車及起升機構(gòu)的布置型式；
④ 掌握主梁的受力分析及各種載荷的驗算；
⑤ 能夠熟練了解變頻調(diào)速的基本原理橋式起重機的變頻調(diào)速；
⑥ 熟練使用plc對橋式起重機進行控制系統(tǒng)的設(shè)計。
四、接受任務(wù)學(xué)生：
機械96 班 姓名 夏宇峰
五、開始及完成日期：
自 2012 年 11 月 12 日 至 2013 年 5月 25 日
六、設(shè)計（論文）指導(dǎo)（或顧問）：
指導(dǎo)教師 簽名
簽名
簽名
教研室主任
〔學(xué)科組組長研究所所長〕 簽名
系主任 簽名
2012年11月 12 日
摘 要
經(jīng)過十幾年的發(fā)展，我國工業(yè)化進程不斷推進，起重行業(yè)的需求進一步增大。橋式起重機是橋架型起重機中最主要的型式,它具有場地利用率高、作業(yè)范圍大、適應(yīng)面廣、通用性強等特點。橋式起重機一般由橋架，起升機構(gòu)和小車運行機構(gòu)，大車運行機構(gòu)，操縱室，小車導(dǎo)電裝置，起重機總電源導(dǎo)電裝置等組成。本設(shè)計采用10噸位電動雙梁橋式起重機進行研究。
全文分五部分內(nèi)容來完成本次設(shè)計課題內(nèi)容：
第一部分為緒論部分，簡要介紹了起重機械的作用、國內(nèi)外起重機械的發(fā)展狀況及存在的問題、我國起重機械的發(fā)展方向。
第二部分為總體結(jié)構(gòu)布置的確定，該部分主要分析了起重機的工作特點，主要參數(shù)及組成部分包括起升機構(gòu)、大小車機構(gòu)的布置方案，輪壓的計算。
第三部分為橋架結(jié)構(gòu)的設(shè)計，該部分包括橋式起重機主要尺寸如大車輪距、主梁高度、端梁高度、加勁板的布置尺寸等和計算載荷，箱型結(jié)構(gòu)主梁，主要焊縫的驗算。
第四部分為電氣部分的設(shè)計，該部分介紹了變頻調(diào)速的基本原理及發(fā)展現(xiàn)狀，橋式起重機的變頻調(diào)速，起升機構(gòu)的變頻調(diào)速，大小車的變頻調(diào)速及整體PLC設(shè)計。
第五部分為結(jié)論及展望部分，對本設(shè)計進行分析總結(jié)，論證橋式起重機基本尺寸和電氣部分的可靠性，同時也指出其不足待改進之處。
關(guān)鍵詞：橋式起重機；起升機構(gòu)；橋架結(jié)構(gòu)；PLC
Abstract
After more than ten years of development, the industrialization of China has continuously promoted, and the crane industry demands further increase.Overhead travelling crane is the main type of overhead type crane and it has the following advantages: high field utilization rate,greater scope of work, wide range adaption,good universality and so on. In general,overhead travelling crane is composed of srane span structure,hoisting mechanism ,wheeling mechanism,travelling mechanism of the larger traveller ,control carbin,the car conductive device,the general supply conductive device of srane etc.This design uses the electric double girder overhead travelling crane research.
The full text is divided into 5 parts to complete this design topic content:
The first part is the preface.In this part,the effect of crane, the development of the situation and existing problems of lifting equipment at home and abroad,the development direction of China will be introduced.
The second part is the determination of the overall layout of the structure.This part mainly analyzes the work characteristics and technical parameters of the crane.The constiturnt part of layout scheme include hoisting mechanism , wheeling mechanism,travelling mechanism of the larger traveller and calculation of wheel pressure will also be mentioned.This part include
The third part is the design of the bridge structure.It includes the main dimensions of overhead travelling crane such as the wheelbase of cart,height of main beam,end beam heigt,layout size of the stiffened plate and so on. We will consider the checking of calculating load,box structure beam and main weid.
The fourth part is the design of electrical part.The fundamental and development status of frequency control will be talked about. Overhead travelling crane，hoisting mechanism，cart
and trolley all need consider frequency control.There is a design of global PLC.
In the last part ,according to the conclusion,the paper has made analysis and summary to this design,giving the basic size and electrical part of Overhead travelling crane to be proved,pointing to the deficiencies and needing improvements of the argument.
Key words: Overhead travelling crane; ,hoisting mechanism; bridge structure; PLC
目 錄
摘 要 III
Abstract IV
目 錄 V
1 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 國外發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.3 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀和目標 1
2 起重機總體結(jié)構(gòu)的布置方案 2
2.1 起重機工作時的特點 2
2.2 起重機主要參數(shù)的確定 2
2.3 起重機的主要組成部分 2
2.3.1 起升機構(gòu)的布置方案 2
2.3.2 小車運行機構(gòu)的布置方案 3
2.3.3 大車運行機構(gòu)的布置方案 4
2.4 起重機的輪壓的計算 4
2.4.1 橋架支撐反力的計算 4
2.4.2 小車支承反力的計算 6
3 橋式起重機橋架結(jié)構(gòu)的計算 7
3.1 主要尺寸的確定 7
3.1.1 已確定尺寸 7
3.1.2 大車輪距的計算 7
3.1.3 主梁高度的計算 7
3.1.4 端梁高度的計算 7
3.1.5 橋架端部梯形高度的計算 7
3.1.6 主梁腹板高度的選用 7
3.1.7 主梁截面尺寸的確定 7
3.1.8 加勁板的布置尺寸 8
3.2 計算載荷 10
3.2.1 固定載荷的計算 10
3.2.2 移動載荷的計算 11
3.2.3 水平慣性載荷的計算 11
3.2.4 車輪側(cè)向載荷的計算 12
3.2.5 載荷組合 12
3.3 箱形結(jié)構(gòu)主梁的計算 13
3.3.1 主梁垂直方向最大彎矩和剪力的計算情況 13
3.3.2 主梁水平方向最大彎矩的計算 14
3.3.3 主梁的強度驗算 15
3.3.4 主梁的垂直剛度驗算 17
3.3.5 主梁的水平剛度驗算 17
3.4 主要焊縫的計算 18
3.4.1 主梁與端梁的連接焊縫 18
3.4.2 主梁上蓋板焊縫 18
3.5 計算總結(jié) 19
4 電氣部分的設(shè)計 20
4. 1 變頻調(diào)速的基本原理及發(fā)展現(xiàn)狀 20
4.1.1 變頻器工作原理 20
4.1.2 變頻調(diào)速的方式 20
4.1.3 變頻器的類型 21
4.1.4 變頻調(diào)速時電動機的過渡狀態(tài) 21
4.1.5 變頻器的功能 22
4.2 橋式起重機的變頻調(diào)速 23
4.2.1 橋式起重機的負載特點 23
4.2.2 橋式起重機的調(diào)速方法和節(jié)能比較 23
4.2.3 電動機容量選擇 25
4.2.4 變頻器容量選擇 25
4.3 起升機構(gòu)的變頻調(diào)速 25
4.3.1 起升機構(gòu)的轉(zhuǎn)矩分析 25
4.3.2 起升過程中電動機的工作狀態(tài) 26
4.3.3 起升機構(gòu)對拖動系統(tǒng)的要求 27
4.3.4 起升機構(gòu)變頻器的調(diào)速方案 27
4.4 大車的變頻調(diào)速 29
4.4.1 大車拖動系統(tǒng) 29
4.4.2 大車變頻調(diào)速控制要點 29
4.5 小車的變頻調(diào)速 30
4.6 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計 30
4.6.1 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計原則 30
4.6.2 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計步驟 31
4.6.3 PLC制控系統(tǒng)的類型 31
4.6.4 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計 31
5 結(jié)論與展望 42
5.1 結(jié)論 42
5.2 不足及展望 42
致謝 43
參考文獻 44
V
十噸位橋式起重機總體設(shè)計
1 緒論
1.1 引言
起重機最基本要求是對物體進行垂直升降，同時帶動物體在較短的一段距離進行移動，以此來適應(yīng)物體在不同狀態(tài)下的需求。隨著時代的發(fā)展，起重機在現(xiàn)代生活中扮演著越來越重要的角色，它為人們節(jié)省了大量的人力、物力并在機械自動化方面得到進一步的發(fā)展。
因為看起來像金屬的橋架，橋式起重機因此得名。橋式起重機主要被放置在倉庫、工廠等場所并只能在指定的區(qū)域內(nèi)進行工作。
1.2 國外發(fā)展現(xiàn)狀
在國外，起重機發(fā)展速度較快，水平較高。國外在集成電路、微處理器、微型計算器及電子監(jiān)控技術(shù)等方面具有較大的運用，并在節(jié)能、環(huán)保方面等方面加大了投入。
1.3 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀和目標
隨著時代的發(fā)展，我國起重機械的種類不斷增加，但在集成電路和微型計算機方面仍需不斷加強。對比國外發(fā)展情況，我國應(yīng)大力發(fā)展機電一體化產(chǎn)品，加強起重機可靠性和技術(shù)水平，應(yīng)用新技術(shù)來改善惡劣工作條件，進一步提高產(chǎn)品質(zhì)量。
相關(guān)業(yè)內(nèi)人士指出，未來全球起重機行業(yè)將向重點產(chǎn)品大型化、高速化和專業(yè)化方向，系列產(chǎn)品模塊化、組合化、標準化和實用化方向及通用產(chǎn)品小型化、輕型化、簡易化和多樣化方向發(fā)展。因此本土起重行業(yè)應(yīng)加大開發(fā)，注重人才的培養(yǎng)和引進，切實增強行業(yè)的核心競爭力，積極參與國際市場競爭。
2 橋式起重機總體結(jié)構(gòu)上布置方案的確定
2.1 起重機工作時的特點
起重機械是間歇動作并具有一定的重復(fù)特點，在搬運物體時，首先起升重物，然后進行水平方向的移動，隨著降落被吊物會回到原始位置。像起升機構(gòu)包括空載和負載兩種升降情況，而對于大車這類運行機構(gòu)則具有空載和負載下的往復(fù)運動。對于起重機械的一個工作循環(huán)，即搬運一次物品的過程中，相關(guān)的工作機構(gòu)需要進行一次正向和反向的運動。對于起重機械和連續(xù)運輸機械的區(qū)別就在于前者是以周期性的短暫工作循環(huán)往復(fù)運送物品，而后者是以長期連續(xù)單向的工作運送物品。就是這種差異導(dǎo)致起重機械與連續(xù)運輸在結(jié)構(gòu)和用途上有著區(qū)別。
2.2 起重機主要參數(shù)的確定
對于起重機，它的主要參數(shù)有額定起重量、上升高度、起升速度、主梁跨度、大車額定工作速度、小車額定工作速度、起重機總質(zhì)量、軌距、大小車輪距、最大和最小輪壓和額定工作級別。
其具體數(shù)值如下：
;; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ;; ;額定工作級別為。
2.3 起重機的主要組成部分
一個正常起重機由運行機構(gòu)和起升機構(gòu)、橋架金屬結(jié)構(gòu)和電力設(shè)施組成。其中運行機構(gòu)和起升機構(gòu)是使物體作升降及水平方向上的移動，以此來完成一個周期運動。
橋架金屬結(jié)構(gòu)是根據(jù)起重機的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計的，像運行機構(gòu)和起升機構(gòu)、被掉重物、橋架本身等這些重力將作用在金屬結(jié)構(gòu)上并要滿足一定條件下載荷的要求。
電力設(shè)施為起重機提供動力來源，并相應(yīng)提供一些輔助功能。
2.3.1 起升機構(gòu)的布置方案
本起升機構(gòu)由吊鉤，鋼絲繩，制動器，減速器，電動機等部分組成，其中有些零件采用標準件。
起升機構(gòu)的連接方式為：電動機依靠聯(lián)軸器同減速器進行連接，再經(jīng)過減速器與卷筒相連，而卷筒上的鋼絲繩因為連著吊鉤而使物體可以進行升降。
起升機構(gòu)需先確定技術(shù)參數(shù)方可考慮布置方案。主要的標準件根據(jù)計算進行選用，而非標準件要對零件受彎矩、剪力和組合載荷等情況進行考慮。
布置方案如圖2.1所示：
圖2.1 起升機構(gòu)的傳動簡圖
2.3.2 小車運行機構(gòu)的布置方案
小車運行機構(gòu)依靠電動機與聯(lián)軸器相連，并通過減速器，低速聯(lián)軸器與小車主動輪進行連接。
起重小車運行機構(gòu)的功能是讓小車在水平方向進行移動，使被吊重物能改變工作位置從而滿足不同要求，而被吊重物又可通過小車傳遞載荷。
小車運行機構(gòu)分為支撐裝置和驅(qū)動裝置。支撐裝置主要通過車輪組傳遞載荷。運行時可通過平衡梁來減小輪壓，而緩沖器安裝在小車上可保證運行的安全。因為開式齒輪摩擦嚴重，因此驅(qū)動裝置采用閉式齒輪傳動，驅(qū)動方式為集中驅(qū)動，小車傳動方案如圖2.2所示：
圖2.2小車運行機構(gòu)傳動簡圖
1、電動機 2、制動器 3、減速器 4、車輪 5聯(lián)軸器 6浮動軸 7聯(lián)軸器
本方案傳動軸所受的扭矩較小，每邊軸的扭矩是減速器輸出軸扭矩的一半。減速器輸出軸與車輪軸之間的聯(lián)接采用了半齒聯(lián)軸器5和浮動軸6，因而便于安裝，且允許有較大的安裝誤差。由于齒輪的維護保養(yǎng)條件好，齒輪傳動構(gòu)成獨立的減速器部件，因而機構(gòu)的拆裝分組性好。但這種方案中，車輪軸承和聯(lián)軸器不可避免增多會使運行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，造成制造難度加大。
2.3.3 大車運行機構(gòu)的布置方案
在連接方式上，大車運行機構(gòu)和小車運行機構(gòu)基本相同，都是通過電動機與聯(lián)軸器，減速器的連接將動力矩傳遞到到主動車輪組上，其與小車運行機構(gòu)的主要區(qū)別在于兩者間軌距的差別。
因為大車運行機構(gòu)比起小車運行機構(gòu)對負載的要求更大，所以大車運行機構(gòu)采用分別驅(qū)動，這樣即方便了安裝又不會因一側(cè)電動機損壞而在運行時造成停止。傳動方案如圖2.3所示：
圖2.3 大車運行機構(gòu)的傳動簡圖
1、電動機 2、制動器 3、聯(lián)軸器 4、浮動軸 5、聯(lián)軸器6、減速器 7、軸承座 8車輪
2.4 起重機的輪壓的計算
2.4.1 橋架支撐反力的計算
考慮到橋架部分為柔性支撐架結(jié)構(gòu)。暫定橋架重心與橋架支承平面交與O1點，此時設(shè)小車的重心位于x—x軸線上（如圖2.4），那么橋架各支承點在靜止狀態(tài)下的支承反力如下：
圖2.4 橋架支承反力計算圖
(2.1)
(2.2)
(2.3)
(2.4)
式中：: 橋架自身重量（N）
: 小車自重（N）
: 起升載荷（N）
: 起重機運行部分自身重量（N）
: 從動車輪組自重（N）
: 小車與橋架重心間的距離（m）
: 物品與小車重心間的距離（m）
: 起重機跨度（m）
當小車位于右端極限位置時，、達到最大值；當小車位于左端極限位置時，、達到最大值。
當小車處于右極限位置時；
當小車處于左極限位置時；
2.4.2 小車支承反力的計算
由于小車車架剛度很大，所以為剛性支承架，小車各支承點的支承反力如下計算：
(2.5)
(2.6)
式中b為小車輪距（m），其它符號同前。
故：
3 橋式起重機橋架結(jié)構(gòu)的計算
3.1 主要尺寸的確定
3.1.1 已確定尺寸
根據(jù)前面所知數(shù)據(jù)：額定起重量；主梁跨度；大車正常工作速度;小車的軌距；小車基距；額定速度;起重機工作額定級別為6級；大車運行機構(gòu)以分別驅(qū)動進行工作：;;;;。
3.1.2 大車輪距的計算
根據(jù)公式（3.1）計算大車輪距
(3.1)
得：
取
3.1.3 主梁高度的計算
根據(jù)公式（3.2）計算主梁高度
(3.2)
得： （理論值）
3.1.4 端梁高度的計算
端梁高度由公式（3.3）進行計算
(3.3)
得：
取
3.1.5 橋架端部上梯形高度大小
由公式（3.4）可知端部梯形高度為
（3.4）
得:
取
3.1.6 主梁腹板高度的選用
由上可知主梁計算高度為
3.1.7 主梁截面尺寸的確定
主梁中間截面各構(gòu)件板厚根據(jù)表3-1推薦確定如下：
表3-1 箱型主梁腹板和蓋板厚度的薦用值
選取腹板厚；上下蓋板厚主梁兩腹板間距根據(jù)公式（3.5）（3.6）來選擇：
(3.5)
(3.6)
得:
因此取
蓋板的寬度由公式（3.7）：
（3.7）
得:
取
實際的主梁高度由公式（3.8）：
（3.8）
得:
因為主梁支承截面的高度取h0=700mm，那么實際支承截面的高度為：
此時主梁對于支承和中間截面尺寸圖如下：
3.1.8 加勁板的布置尺寸
由于考慮到主梁截面里受壓構(gòu)件的穩(wěn)定性，所以一些加勁板的增加必不可少，如圖3.3。
圖3.3箱形主梁的構(gòu)造圖
1—間距較大加勁板 2—間距較小的加勁板 3—加勁角鋼
大加勁板在主梁端部的距離：
取 。
小加勁板在主梁端部的距離：
大加勁板在主梁中部的距離由公式（3.9）：
（3.9）
得:
取
小加勁板在主梁中部的距離：當小車鋼軌用P15輕軌鋼，此時在水平重心線x —x的最小抗彎截面模數(shù)為Wmin=47.7cm3，則小加勁板根據(jù)連續(xù)梁由鋼軌的彎曲強度條件得到（加勁板所在位置為連續(xù)的支點；此時加勁板中間受車輪輪壓作用）：
由公式（3.10）
(3.10)
得：
式中：小車的輪壓，設(shè)
：動力系數(shù)1.15
：鋼軌的許用應(yīng)力，
因此可知小加勁板間距a1===1m。
考慮到腹板的高厚比,因此要加入水平加勁桿，；來使腹板保持穩(wěn)定。選擇角鋼作水平加勁桿。
3.2 計算載荷
3.2.1 固定載荷的計算
橋式起重機橋架上受多種載荷的作用：像固定載荷、移動載荷、水平慣性載荷和大車運行側(cè)向載荷等。
對于固定載荷，分為均布載荷和集中載荷兩類。受載方面對于箱形主梁（主梁、軌道、走臺和欄桿等），是為均布載荷；對于司機室、大車運行機構(gòu)和安裝在走臺上的起重機電氣設(shè)備等，這些為集中載荷。設(shè)半個橋架的自重：
司機室的重量，其與主梁一端重心的距離；大車運行機構(gòu)的重量，其到主梁一端重心的距離為。
主梁的均布載荷根據(jù)公式（3.11）：
(3.11)得
主梁的總均布載荷:
考慮到當起重機運行不平穩(wěn)的的情況，橋架由于發(fā)生震動，造成固定載荷對橋架的動力加載。故在計算固定載荷時,要考慮一個沖擊系數(shù)。
主梁的均布載荷如公式（3.12）：
（3.12）
表3-2軌道沖擊載荷
式中： 根據(jù)表3-2得到
得:
3.2.2 移動載荷的計算
移動載荷的產(chǎn)生主要來源于小車及被吊重物對主梁的作用。由于起升機構(gòu)在上升或下降重物時會產(chǎn)生與運動方向相反的慣性力，所以當計算作用在主梁上的輪壓時，要引用一個動力系數(shù)來抵消慣性力產(chǎn)生的額外作用。由表3-3選用不同主起升量下兩個車輪的輪壓值。
表3-3 吊鉤小車的輪壓值
注：和還要考慮動力系數(shù)的影響
圖3.4小車輪壓情況
考慮動力系數(shù)的影響,小車車輪的輪壓值由公式（3.13）計算：
(3.13)
得：
式中： —— 動力系數(shù)。
3.2.3 水平慣性載荷的計算
當大車運行機構(gòu)在起動或制動時沿著水平方向會產(chǎn)生慣性載荷，垂直作用在主梁上。如圖3.5所示，其中Pg為起重小車在滿載時的質(zhì)量所造成的水平慣性載荷，依靠與軌道的接觸在跨中作用于主梁；qg為橋架本身的重量產(chǎn)生的水平慣性載荷，在主梁上以均布載荷的方式進行作用。
由于主動輪只占全部車輪的一半，水平慣性載荷取各個垂直載荷（即起重小車的輪壓集中載荷和主梁的均布載荷）的1/10。作用位置參照3.5。則：
圖3.5 水平慣性載荷的作用簡圖
3.2.4 車輪側(cè)向載荷的計算
在不同狀態(tài)下，起重機工作時經(jīng)常會出現(xiàn)一定程度的歪斜，此時歪斜車輪的輪緣和軌道側(cè)面產(chǎn)生側(cè)向載荷S,其方向垂直于起重機運行方向，根據(jù)現(xiàn)有經(jīng)驗，側(cè)向載荷與輪壓、
跨度L和大車輪距K有關(guān)，可根據(jù)（3.14）計算：
(3.14)
式中： P—輪壓，選擇機構(gòu)運行最大輪壓值；
圖3.6大車運行歪斜時側(cè)向載荷作用簡圖
圖3.7側(cè)壓系數(shù)值和輪壓K
、
3.2.5 載荷組合
在一個起重機的運行過程中，所受的載荷不斷變化，如起重載荷，自重載荷等為經(jīng)常作用于起重機的，但像慣性載荷等出現(xiàn)時間并不長。即使是經(jīng)常作用的載荷大小也不一定保持不變，這時應(yīng)將載荷在某些特殊的位置進行分析以確保起重機在各個狀態(tài)下都能正常工作。對于一些特殊狀態(tài)可見表3-4
表3-4主梁與端梁的載荷組合情況
其中第1種載荷組合情況用于計算結(jié)構(gòu)的疲勞強度；而第2種載荷組合情況用于結(jié)構(gòu)的強度計算。
3.3 箱形結(jié)構(gòu)主梁的計算
3.3.1 主梁垂直方向上最大彎矩和剪力的驗算
當運行機構(gòu)為分別驅(qū)動時，如圖3.8所示：
圖3.8 主梁垂直方向載荷簡圖
主梁垂直方向的最大彎矩由公式（3.15）可得：
（3.15）
式中： G1=450kg—大車運行機構(gòu)的重量；
l1=150cm—大車運行機構(gòu)的作用位置；
G0=1000kg—司機室與支點重心的距離；
根據(jù)上面已知條件：
主梁截面上的最大剪力由（3.16）
計算：
（3.16）
得：
3.3.2 主梁水平方向最大彎矩的計算
主梁水平方向的彎矩是因為大車運行機構(gòu)在突然啟動或者制動情況下所產(chǎn)生的水平慣性載荷造成的。對于作用在橋架主梁上的水平慣性載荷是由兩部分組成：其中一個是起重小車在吊著重物時產(chǎn)生的集中慣性載荷Pg；另一個為橋架本身重量引起的均布慣性載荷qg。根據(jù)上面條件將水平慣性載荷按照他們的重量的1/10取值。將下車部分慣性載荷由兩個車輪傳遞給主梁簡化并為一個集中載荷Pg作用于主梁的跨中。在確定主梁水平方向的彎矩時，可以認為橋架平面是一個6次超靜定鋼架結(jié)構(gòu)，如圖3.9所示：
圖3.9 主梁水平方向彎矩簡圖
此時作用在主梁跨中的水平彎矩由（3.17）計算：
(3.17)
式中： （3.18）
—主梁截面對垂直重心軸線y—y的慣性矩（cm4）；
—端梁截面在垂直方向的y—y的慣性矩（cm4）；
集中慣性載荷在主梁上的大?。?
均布載荷在主梁上的大?。?
取 =2；
;
并且已知： K=500cm;L xc=200cm。
因此可得：
=263568.1
3.3.3 主梁的強度驗算
主梁中間截面的最大彎曲應(yīng)力根據(jù)公式（3.19）計算：
（3.19）
式中：Wx—主梁對軸線x—x的彎曲截面模數(shù)，由公式（3.20）計算：
（3.20）
—主梁對軸線y—y的抗彎截面模數(shù)，由公式（3.21）計算：
(3.21)
因此可得：
Wy=
表3-5 類載荷組合時鋼材的許用應(yīng)力
查表3-5得：A 3鋼的許用應(yīng)力為：
故
對于最大剪應(yīng)力在主梁上的大小根據(jù)（3.22）：
（3.22）
式中： —主梁截面上所產(chǎn)生的最大剪力，：
Ix0—主梁支承截面對水平重心軸線x—x的慣性矩，根據(jù)公式(3.23)計算：
(3.23)
S—主梁支承截面在y—y垂直重心軸線上的靜矩：
（3.24）
因此可得：
根據(jù)表3-5可知A3鋼的許用應(yīng)力，
故：
在主梁同時受有彎矩和剪力作用的任意截面中，由彎曲正應(yīng)力和剪應(yīng)力產(chǎn)生的合根據(jù)公式（3.25）：
（3.25）
即：
由以上可知，滿足強度條件。
3.3.4 主梁的垂直剛度驗算
主梁在吊著重物時，最大垂直撓度根據(jù)（3.26）：
（3.26）
式中：
因此可得：
許用撓度值根據(jù)（3.27）：
(3.27)
得：
因此
由上面的計算可知，主梁的垂直剛度足夠。
3.3.5 主梁的水平剛度驗算
主梁在大車運行時，機構(gòu)受到慣性載荷的作用下，在水平方向最大撓度根據(jù)（3.28）計算：
(3.28)
式中：
由此可得：
水平撓度的許用值：
因此：
由上面計算可知，主梁的垂直和水平剛度均滿足要求。當起重機不超過額定狀態(tài)時，不需要再進行驗算。
3.4 主要焊縫的計算
3.4.1 主梁與端梁的連接焊縫
主梁與端梁腹板的連接焊縫的剪應(yīng)力由公式（3.29）計算（查看圖3.10）
圖3.10 主梁與端梁的焊縫
（3.29）
式中：h0 —連接處焊縫計算高度，
因此：
3.4.2 主梁上蓋板焊縫
主梁在支承處剪力的作用，則上蓋板焊縫剪應(yīng)力根據(jù)（3.30）：
（3.30）
式中: Ix0—主梁在支承處截面對水平重心線x—x的慣性矩，前面已計算；
S—主梁上蓋板對截面水平重心線的面積矩：
因此計算得：
因為焊縫的許用應(yīng)力為，此時滿足要求。
3.5 計算總結(jié)
表3-6 本章橋架結(jié)構(gòu)設(shè)計尺寸
4 電氣部分的設(shè)計
4. 1變頻調(diào)速原理
4.1.1 變頻器工作原理
由異步電動機轉(zhuǎn)速公式（4.1）：
（4.1）
根據(jù)上式，電動機轉(zhuǎn)速 n和電源的頻率f1成正比。
4.1.2 變頻調(diào)速的方式
電動機感應(yīng)電動勢E1：
（4.2）
如果不計電動機里定子阻抗壓降，端電壓U1為：
當依靠改變電源頻率f1來改變速度時，需保證電源電壓U1隨之變化并使U1/ f1不變，這樣才不會造成磁通Φ變化。電動機的工作方式根據(jù)U1和f1有以下三種：
(1) 當功率與轉(zhuǎn)矩為恒定的調(diào)速
隨著電源頻率慢慢大于額定頻率，此時電動機轉(zhuǎn)速將超過額定轉(zhuǎn)速，因為需要為定值，則會造成實際電壓大于額定電壓，這種情況是不正常的。當實際轉(zhuǎn)速大于額定轉(zhuǎn)速時，只能增加頻率而電源電壓始終為額定值，雖然這樣使電動磁通減小而造成轉(zhuǎn)矩減弱，但總的輸出功率不變。
由上可知，此調(diào)速方法適合當實際轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速的情況，特別是功率需求不變時；而當實際轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速時，需保證不變，此時輸出轉(zhuǎn)矩是不變的，具體如圖4.1圖（c）：
(2) 當電動機轉(zhuǎn)矩保持在最大值時
為滿足工作過程中輸出轉(zhuǎn)矩為恒定，要為定值，這時工作電壓與頻率要保持一定關(guān)系，即能忽略電動機阻抗的影響。
當工件條件是在額定轉(zhuǎn)速以下時，由于電動機輸出轉(zhuǎn)矩不變并在較低頻率下維持較高轉(zhuǎn)矩，具體如圖4.1（b）所示：
(3) U1/ f1為常數(shù)
當工作電壓和工作頻率小于額定值時，在忽略定子壓降的條件下，此時磁通在工作過程中維持不變。但由于工作電壓的降低，定子壓降漸漸不能忽視，則難以恒定，此時磁通減小，輸出轉(zhuǎn)矩隨之減小，即此調(diào)速范圍較小，只適合于如風(fēng)扇等負載，具體如圖 4.1圖（a）：
(c)
(b)
恒轉(zhuǎn)矩
恒功率
n
n’ n
n
M
0
M
0
0
M
(a)
圖4.1 變頻調(diào)速機械特性
4.1.3 變頻器的類型
(1) 交交變頻器
由周波變換器將電網(wǎng)的交流電變換成一個頻率可變的交流電供給電動機。由于它的最高輸出頻率比起電網(wǎng)頻率的較低，所以此變頻器主要用在驅(qū)動低速電動機上面。
(2) 交直交型變頻器
由整流器將電網(wǎng)的交流電變成直流電，再通過逆變器將直流變換成頻率，電壓大小可變化的交流電提供電動機。變頻器的輸出電壓則在電動機額定電壓以下進行變化。但變頻器的頻率可大于電網(wǎng)頻率。
(3) 兩種變頻器（電壓源，電流源）
電壓源和電流源兩種變頻器的主要區(qū)別在于對無功分量的處理方式上體現(xiàn)。
當變頻器的輸出電壓波形為正弦波，輸出阻抗較高，采用電感來吸收無功分量且輸出電流波為矩形波，此時變頻器為電流源變頻器。
而當變頻器狀態(tài)相反，如輸出電壓為矩形波，輸出阻抗較小等情況下，此時變頻器為電壓源變頻器。
4.1.4 變頻調(diào)速時電動機的過渡狀態(tài)
在起動過程中，隨著變頻器輸出頻率增加，電動機沿著各頻率下機械特性的包絡(luò)線加速。直至穩(wěn)定工作在設(shè)定頻率點上因這個過程中，因為電源電壓由于頻率變化慢慢變大，則會使電動機的起動電流比起全壓起動時低。
隨著變頻器的輸出頻率減小，電動機的工作點將進入第二象限，此時為發(fā)電狀態(tài)并制動。電動機的性能回饋給變頻器，由它的制動電阻器消耗，如果變頻器電網(wǎng)側(cè)的整流器具有可逆性能，這部分能還可以回饋電網(wǎng)，如圖 4.2給出了過渡狀態(tài)。
圖4.2 變頻電源下電動機過渡狀態(tài)
（a）提高頻率 （b）降低頻率
發(fā)電
電動
f3
f1
Mn
3
2
1
f1
(a)
n2
f3
n
n3
n1
f2
M
0
Mn
n2
(b)
f3
n1
f2
M
0
4.1.5 變頻器的功能
隨著時代的進步，變頻器的發(fā)展日新月異，對于變頻器主要由以下幾方面的特點：
(1) 多種u/f特性可供助記詞選擇，可以滿足各種交流異步電動機的要求。
(2) 本身帶有轉(zhuǎn)矩變化功能，工作方式也可在恒定和輸出轉(zhuǎn)矩恒定兩方面進行選擇。特別是轉(zhuǎn)矩的大小即可人為設(shè)定又能自動選擇，而當變頻器利用自動補償功能可使電動機在低頻狀態(tài)下減小阻抗影響，以此來擴大輸出轉(zhuǎn)矩。
(3) 設(shè)有線性和S型加減速時間可以大很寬的范圍內(nèi)設(shè)定。
(4) 在減速過程中，允許電動機電力制動，此刻變頻器吸收電動機的動能，將多余的能量消耗在制動電阻器中。但因為電阻器容量不夠，變頻器只能在較短時間內(nèi)吸收能量。當有圈套的制動轉(zhuǎn)矩，還需要外部制動單元和制動電阻器選件，這樣方可使制動能力提高到額定工作大小。有些產(chǎn)品具有將能量回饋電網(wǎng)的能力，其制動過程能力更強。當電動機接近停機時，變頻器還利用直流動力制動來使工作負載更準確。
(5) 通過外部控制繼電器的觸點就能調(diào)換變頻器輸出電源相序，從而可以改變電動機轉(zhuǎn)動方向，這樣可以省去控制電動機定子回路的大電流可逆接觸器。
(6) 設(shè)有多個輸出頻率點各點參數(shù)可以獨立整定，由外部控制器切換，變頻器可以接受0-10V直流電壓或4mA20mA直流電流控制信號，它的輸出頻率可以隨信號連續(xù)變化實現(xiàn)無級調(diào)速。
(7) 變頻器有完善的自身保護功能，可對單臺電動機實行過流和過熱保護。
(8) 變頻器的高速范圍一般可達1：10限制調(diào)速范圍的主要原因是在低頻段電動機出力下降，驅(qū)動能力差。
4.2 橋式起重機的變頻調(diào)速
4.2.1 橋式起重機負載狀態(tài)
負載性質(zhì)：橋式起重機的運行機構(gòu)和起升機構(gòu)在工作時，阻轉(zhuǎn)矩基本保持恒定，為恒轉(zhuǎn)矩負載。
對于起升機構(gòu)所吊重物在空間狀態(tài)下具有位能，即為位能負載。其特點是：隨著重物的下降，重物依靠本身加速度下落，若物體重力小于傳動機構(gòu)阻力時，物體仍需靠電動機進行下降，此時為阻力負載。若物體重力大于傳動阻力時，重物依靠本身重力下降，此時電動機接收能量，即被吊重物為動力負載；而當起升重物時，電動機需克服重物本身重力，屬于阻力負載。
4.2.2 橋式起重機的調(diào)速方法和節(jié)能比較
(1) 繞線轉(zhuǎn)子異步電動機拖動系統(tǒng)的調(diào)速方法
起重機械各部分的拖動系統(tǒng)，一般需要調(diào)速，由于異步電動機與其他電動機相比，有著機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，便于維修的特點，因此在變頻調(diào)速之前，雖然各種調(diào)速方法都不盡如人意，但從使用的可靠性出發(fā)，被廣泛地使用著。在起重業(yè)中，最常見的調(diào)速方法是依靠在繞線轉(zhuǎn)子異步電動機里增加或減小轉(zhuǎn)子回路中的電阻。調(diào)速方式是使用滑環(huán)和電刷在轉(zhuǎn)子里面串入一些電阻，依靠接觸器控制接入的電阻，以此控制轉(zhuǎn)速。
(2) 繞線轉(zhuǎn)子異步電動機的功率損失
隨著異步電動機在轉(zhuǎn)子里面串入電阻，其機械特性如圖 4.3（a）中的所示。這時，機械特性改變，在負載不變的前提下，拖動系統(tǒng)的工作點由A點y移到B點，轉(zhuǎn)速由n1下降為n2。其功率的分配情況的變化如下：
圖4.3 轉(zhuǎn)子功率分配的比較
(b)
(a)
0
n
n2
n1
T
2
1
B
A
① 同步轉(zhuǎn)速未變，故電磁功率與未調(diào)速之前的相同，根據(jù)公式(4.3)
(4.3)
即可得知電磁功率
②電動機軸上的轉(zhuǎn)速為，故輸出功率將隨之減小，即
電動機的損失功率為：
功率分配如圖4.3(b)所示，可見，損失的功率在電磁總功率中占的比例是很大的。事實上，轉(zhuǎn)速的下降（或者說，機械功率的減少）是通過在轉(zhuǎn)子的外接電阻中消耗能量來實現(xiàn)的。并且，轉(zhuǎn)速越低，機械特性越軟，損失功率在電磁功率中也會變得越大，這是很不經(jīng)濟的。
(3) 變頻調(diào)速時功率的損失
隨著異步電動機頻率的改變，它的機械特性與自然機械特性保持平行。因此，在不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)差大致保證相等，如圖4.4(a)所示。當負載轉(zhuǎn)矩TL不變時，拖動系統(tǒng)此時的工作點為C點。這時：
①同步轉(zhuǎn)速下降到，因此電磁功率也會隨之下降為，有
圖4.4 轉(zhuǎn)子功率分配的比較
(b)
（a）
0
n2
n1
T
2
1
C
A
n
②電動機軸上的轉(zhuǎn)速為，此時輸出功率與上面的相同，為：
電動機的損失功率為：
可見，損失的功率和額定轉(zhuǎn)速下的功率很接近，如圖4.4(b)所示。
所以，對于這兩種調(diào)速方法，變頻調(diào)速的功率損失比較小，節(jié)能效果也更加明顯。除此以外，如果變頻調(diào)系統(tǒng)再配上電源反饋選件，則在吊鉤放下重物時，還可將重物釋放的位能反饋給電源，進一步節(jié)能。
4.2.3 電動機容量選擇
用在變頻調(diào)速系統(tǒng)中的電動機其輸出能力受以下幾方面的影響：
(1)在低速運行時由于風(fēng)扇運行減小，使電動機的允許輸出功率下降。
(2)變頻器輸出電源中會有一定數(shù)量的高次諧波，它會使電動機內(nèi)部產(chǎn)生諧波損耗，使輸出功率下降，并會增加運行時的噪音。
有些變頻器在低頻段會使電動機起動轉(zhuǎn)矩下降很多，造成起動困難。為此對電動機發(fā)熱進行校驗時，首先要考慮上述因素。
P1=PK(kw) （4.4）
式中 P―發(fā)熱校驗情況下電動機的功率；
P1－變頻器影響后需要的電動機功率；
K－增容系數(shù)，對于重復(fù)短時工作制情況下，一般取K＝1.05~1.1。
當驅(qū)動恒轉(zhuǎn)矩負載時，要再次對電動機的起動能力進行檢查，使保證其在工作范圍內(nèi)，電動機都可以正常起動。
4.2.4 變頻器的容量選擇
一般用變頻器輸出電流來作為選擇參考。當驅(qū)動單個電動機進行計算時，變頻器的銘牌輸出電流Iinv要滿足以下兩式：
Iinv > Ied （4.5）
Iinv >K0I0/ kg （4.6）
式中：Ied－電動機的額定電流；
I0－電動機工作時最大電流，是靜載電流與動載電流之和。如果負載需要全壓來起動時，此時是電動機的起動電流；
kg－為變頻器正常過載倍數(shù)，見產(chǎn)品手冊；
K0－安全系數(shù)，當為短時工作制時一般為K0=1.05~1