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1、编号无锡太湖学院毕业设计（论文）题目： 十吨位桥式起重机总体设计 信机 系 机械工程及自动化 专业学 号： 0923283 学生姓名： 夏宇峰 指导教师： 陈炎冬 （职称： 讲师 ） （职称： ）2013年5月25日无锡太湖学院本科毕业设计（论文）诚 信 承 诺 书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 十吨位桥式起重机总体设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械96 学 号： 0923283 作者姓名： 2013 年 5 月 25日无
2、锡太湖学院信机系 机械工程及自动化专业毕 业 设 计论 文 任 务 书一、题目及专题：、 题目十吨位桥式起重机总体设计 、专题 二、课题来源及选题依据生产实践所得。根据起重机主要技术参数包括起重量Q=10t，起升高度H=16m，跨度L=22.5m，起升速度V=13.3m/min运行速度V=116.8m/min运行速度V=43.8m/min,机器重量G=23.471t，小车轨距l=2m，工作级别为M6进行选择。三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 熟悉桥式起重机的工作特点和基本参数； 熟练掌握桥式起重机的主要零部件和工作原理； 熟练掌握桥式起重机的大小车及起升机构的布置型式； 掌握主梁的受力分
3、析及各种载荷的验算； 能够熟练了解变频调速的基本原理桥式起重机的变频调速； 熟练使用plc对桥式起重机进行控制系统的设计。 四、接受任务学生： 机械96 班 姓名 夏宇峰 五、开始及完成日期：自 2012 年 11 月 12 日 至 2013 年 5月 25 日六、设计（论文）指导（或顾问）：指导教师签名 签名 签名教研室主任学科组组长研究所所长签名 系主任 签名2012年11月 12 日摘 要经过十几年的发展，我国工业化进程不断推进，起重行业的需求进一步增大。桥式起重机是桥架型起重机中最主要的型式,它具有场地利用率高、作业范围大、适应面广、通用性强等特点。桥式起重机一般由桥架，起升机构和小车
4、运行机构，大车运行机构，操纵室，小车导电装置，起重机总电源导电装置等组成。本设计采用10吨位电动双梁桥式起重机进行研究。全文分五部分内容来完成本次设计课题内容：第一部分为绪论部分，简要介绍了起重机械的作用、国内外起重机械的发展状况及存在的问题、我国起重机械的发展方向。第二部分为总体结构布置的确定，该部分主要分析了起重机的工作特点，主要参数及组成部分包括起升机构、大小车机构的布置方案，轮压的计算。第三部分为桥架结构的设计，该部分包括桥式起重机主要尺寸如大车轮距、主梁高度、端梁高度、加劲板的布置尺寸等和计算载荷，箱型结构主梁，主要焊缝的验算。第四部分为电气部分的设计，该部分介绍了变频调速的基本原理
5、及发展现状，桥式起重机的变频调速，起升机构的变频调速，大小车的变频调速及整体PLC设计。第五部分为结论及展望部分，对本设计进行分析总结，论证桥式起重机基本尺寸和电气部分的可靠性，同时也指出其不足待改进之处。关键词：桥式起重机；起升机构；桥架结构；PLCAbstractAfter more than ten years of development, the industrialization of China has continuously promoted, and the crane industry demands further increase.Overhead travellin
6、g 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,tra
7、velling 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 p
8、art 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 analy
9、zes 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 desig
10、n 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
11、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 h
12、as 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 录摘 要IIIAbstractIV目 录
13、V1 绪论11.1 引言11.2 国外发展现状11.3 国内发展现状和目标12 起重机总体结构的布置方案22.1 起重机工作时的特点22.2 起重机主要参数的确定22.3 起重机的主要组成部分22.3.1 起升机构的布置方案22.3.2 小车运行机构的布置方案32.3.3 大车运行机构的布置方案42.4 起重机的轮压的计算42.4.1 桥架支撑反力的计算42.4.2 小车支承反力的计算63 桥式起重机桥架结构的计算73.1 主要尺寸的确定73.1.1 已确定尺寸73.1.2 大车轮距的计算73.1.3 主梁高度的计算73.1.4 端梁高度的计算73.1.5 桥架端部梯形高度的计算73.1.6
14、主梁腹板高度的选用73.1.7 主梁截面尺寸的确定73.1.8 加劲板的布置尺寸83.2 计算载荷103.2.1 固定载荷的计算103.2.2 移动载荷的计算113.2.3 水平惯性载荷的计算113.2.4 车轮侧向载荷的计算123.2.5 载荷组合123.3 箱形结构主梁的计算133.3.1 主梁垂直方向最大弯矩和剪力的计算情况133.3.2 主梁水平方向最大弯矩的计算143.3.3 主梁的强度验算153.3.4 主梁的垂直刚度验算173.3.5 主梁的水平刚度验算173.4 主要焊缝的计算183.4.1 主梁与端梁的连接焊缝183.4.2 主梁上盖板焊缝183.5 计算总结194 电气部分
15、的设计204. 1 变频调速的基本原理及发展现状204.1.1 变频器工作原理204.1.2 变频调速的方式204.1.3 变频器的类型214.1.4 变频调速时电动机的过渡状态214.1.5 变频器的功能224.2 桥式起重机的变频调速234.2.1 桥式起重机的负载特点234.2.2 桥式起重机的调速方法和节能比较234.2.3 电动机容量选择254.2.4 变频器容量选择254.3 起升机构的变频调速254.3.1 起升机构的转矩分析254.3.2 起升过程中电动机的工作状态264.3.3 起升机构对拖动系统的要求274.3.4 起升机构变频器的调速方案274.4 大车的变频调速294.
16、4.1 大车拖动系统294.4.2 大车变频调速控制要点294.5 小车的变频调速304.6 PLC控制系统的设计304.6.1 PLC控制系统的设计原则304.6.2 PLC控制系统的设计步骤314.6.3 PLC制控系统的类型314.6.4 PLC控制系统设计315 结论与展望425.1 结论425.2 不足及展望42致谢43参考文献441 绪论1.1 引言 起重机最基本要求是对物体进行垂直升降，同时带动物体在较短的一段距离进行移动，以此来适应物体在不同状态下的需求。随着时代的发展，起重机在现代生活中扮演着越来越重要的角色，它为人们节省了大量的人力、物力并在机械自动化方面得到进一步的发展。
17、因为看起来像金属的桥架，桥式起重机因此得名。桥式起重机主要被放置在仓库、工厂等场所并只能在指定的区域内进行工作。1.2 国外发展现状在国外，起重机发展速度较快，水平较高。国外在集成电路、微处理器、微型计算器及电子监控技术等方面具有较大的运用，并在节能、环保方面等方面加大了投入。1.3 国内发展现状和目标随着时代的发展，我国起重机械的种类不断增加，但在集成电路和微型计算机方面仍需不断加强。对比国外发展情况，我国应大力发展机电一体化产品，加强起重机可靠性和技术水平，应用新技术来改善恶劣工作条件，进一步提高产品质量。相关业内人士指出，未来全球起重机行业将向重点产品大型化、高速化和专业化方向，系列产品
18、模块化、组合化、标准化和实用化方向及通用产品小型化、轻型化、简易化和多样化方向发展。因此本土起重行业应加大开发，注重人才的培养和引进，切实增强行业的核心竞争力，积极参与国际市场竞争。 2 桥式起重机总体结构上布置方案的确定2.1 起重机工作时的特点起重机械是间歇动作并具有一定的重复特点，在搬运物体时，首先起升重物，然后进行水平方向的移动，随着降落被吊物会回到原始位置。像起升机构包括空载和负载两种升降情况，而对于大车这类运行机构则具有空载和负载下的往复运动。对于起重机械的一个工作循环，即搬运一次物品的过程中，相关的工作机构需要进行一次正向和反向的运动。对于起重机械和连续运输机械的区别就在于前者是
19、以周期性的短暂工作循环往复运送物品，而后者是以长期连续单向的工作运送物品。就是这种差异导致起重机械与连续运输在结构和用途上有着区别。2.2 起重机主要参数的确定对于起重机，它的主要参数有额定起重量、上升高度、起升速度、主梁跨度、大车额定工作速度、小车额定工作速度、起重机总质量、轨距、大小车轮距、最大和最小轮压和额定工作级别。其具体数值如下：; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ;额定工作级别为。2.3 起重机的主要组成部分一个正常起重机由运行机构和起升机构、桥架金属结构和电力设施组成。其中运行机构和起升机构是使物体作升降及水平方向上的移动，以此来完成一个周期运动。桥架金属结构是根据起重机
20、的结构进行设计的，像运行机构和起升机构、被掉重物、桥架本身等这些重力将作用在金属结构上并要满足一定条件下载荷的要求。电力设施为起重机提供动力来源，并相应提供一些辅助功能。2.3.1 起升机构的布置方案本起升机构由吊钩，钢丝绳，制动器，减速器，电动机等部分组成，其中有些零件采用标准件。起升机构的连接方式为：电动机依靠联轴器同减速器进行连接，再经过减速器与卷筒相连，而卷筒上的钢丝绳因为连着吊钩而使物体可以进行升降。起升机构需先确定技术参数方可考虑布置方案。主要的标准件根据计算进行选用，而非标准件要对零件受弯矩、剪力和组合载荷等情况进行考虑。布置方案如图2.1所示：图2.1 起升机构的传动简图2.3
21、.2 小车运行机构的布置方案小车运行机构依靠电动机与联轴器相连，并通过减速器，低速联轴器与小车主动轮进行连接。起重小车运行机构的功能是让小车在水平方向进行移动，使被吊重物能改变工作位置从而满足不同要求，而被吊重物又可通过小车传递载荷。小车运行机构分为支撑装置和驱动装置。支撑装置主要通过车轮组传递载荷。运行时可通过平衡梁来减小轮压，而缓冲器安装在小车上可保证运行的安全。因为开式齿轮摩擦严重，因此驱动装置采用闭式齿轮传动，驱动方式为集中驱动，小车传动方案如图2.2所示：图2.2小车运行机构传动简图1、电动机 2、制动器 3、减速器 4、车轮 5联轴器 6浮动轴 7联轴器本方案传动轴所受的扭矩较小，
22、每边轴的扭矩是减速器输出轴扭矩的一半。减速器输出轴与车轮轴之间的联接采用了半齿联轴器5和浮动轴6，因而便于安装，且允许有较大的安装误差。由于齿轮的维护保养条件好，齿轮传动构成独立的减速器部件，因而机构的拆装分组性好。但这种方案中，车轮轴承和联轴器不可避免增多会使运行机构的结构复杂化，造成制造难度加大。2.3.3 大车运行机构的布置方案在连接方式上，大车运行机构和小车运行机构基本相同，都是通过电动机与联轴器，减速器的连接将动力矩传递到到主动车轮组上，其与小车运行机构的主要区别在于两者间轨距的差别。因为大车运行机构比起小车运行机构对负载的要求更大，所以大车运行机构采用分别驱动，这样即方便了安装又不
23、会因一侧电动机损坏而在运行时造成停止。传动方案如图2.3所示：图2.3 大车运行机构的传动简图1、电动机 2、制动器 3、联轴器 4、浮动轴 5、联轴器6、减速器 7、轴承座 8车轮2.4 起重机的轮压的计算2.4.1 桥架支撑反力的计算考虑到桥架部分为柔性支撑架结构。暂定桥架重心与桥架支承平面交与O1点，此时设小车的重心位于xx轴线上（如图2.4），那么桥架各支承点在静止状态下的支承反力如下：图2.4 桥架支承反力计算图 (2.1) (2.2) (2.3) (2.4)式中：: 桥架自身重量（N） : 小车自重（N） : 起升载荷（N） : 起重机运行部分自身重量（N） : 从动车轮组自重（N
24、） : 小车与桥架重心间的距离（m） : 物品与小车重心间的距离（m） : 起重机跨度（m）当小车位于右端极限位置时，、达到最大值；当小车位于左端极限位置时，、达到最大值。当小车处于右极限位置时；当小车处于左极限位置时；2.4.2 小车支承反力的计算由于小车车架刚度很大，所以为刚性支承架，小车各支承点的支承反力如下计算： (2.5) (2.6)式中b为小车轮距（m），其它符号同前。 故：3 桥式起重机桥架结构的计算3.1 主要尺寸的确定3.1.1 已确定尺寸根据前面所知数据：额定起重量；主梁跨度；大车正常工作速度;小车的轨距；小车基距；额定速度;起重机工作额定级别为6级；大车运行机构以分别驱动
25、进行工作：;。3.1.2 大车轮距的计算根据公式（3.1）计算大车轮距 (3.1)得： 取 3.1.3 主梁高度的计算根据公式（3.2）计算主梁高度 (3.2)得： （理论值）3.1.4 端梁高度的计算端梁高度由公式（3.3）进行计算 (3.3)得： 取 3.1.5 桥架端部上梯形高度大小由公式（3.4）可知端部梯形高度为 （3.4）得: 取 3.1.6 主梁腹板高度的选用由上可知主梁计算高度为 3.1.7 主梁截面尺寸的确定主梁中间截面各构件板厚根据表3-1推荐确定如下：表3-1 箱型主梁腹板和盖板厚度的荐用值选取腹板厚；上下盖板厚主梁两腹板间距根据公式（3.5）（3.6）来选择： (3.5
26、) (3.6)得: 因此取 盖板的宽度由公式（3.7）： （3.7）得: 取 实际的主梁高度由公式（3.8）： （3.8）得: 因为主梁支承截面的高度取h0=700mm，那么实际支承截面的高度为： 此时主梁对于支承和中间截面尺寸图如下：3.1.8 加劲板的布置尺寸 由于考虑到主梁截面里受压构件的稳定性，所以一些加劲板的增加必不可少，如图3.3。图3.3箱形主梁的构造图 1间距较大加劲板 2间距较小的加劲板 3加劲角钢大加劲板在主梁端部的距离：取 。小加劲板在主梁端部的距离：大加劲板在主梁中部的距离由公式（3.9）： （3.9）得: 取 小加劲板在主梁中部的距离：当小车钢轨用P15轻轨钢，此时在
27、水平重心线xx的最小抗弯截面模数为Wmin=47.7cm3，则小加劲板根据连续梁由钢轨的弯曲强度条件得到（加劲板所在位置为连续的支点；此时加劲板中间受车轮轮压作用）：由公式（3.10） (3.10)得：式中：小车的轮压，设 ：动力系数1.15 ：钢轨的许用应力， 因此可知小加劲板间距a1=1m。考虑到腹板的高厚比,因此要加入水平加劲杆，；来使腹板保持稳定。选择角钢作水平加劲杆。3.2 计算载荷3.2.1 固定载荷的计算桥式起重机桥架上受多种载荷的作用：像固定载荷、移动载荷、水平惯性载荷和大车运行侧向载荷等。对于固定载荷，分为均布载荷和集中载荷两类。受载方面对于箱形主梁（主梁、轨道、走台和栏杆等
28、），是为均布载荷；对于司机室、大车运行机构和安装在走台上的起重机电气设备等，这些为集中载荷。设半个桥架的自重：司机室的重量，其与主梁一端重心的距离；大车运行机构的重量，其到主梁一端重心的距离为。主梁的均布载荷根据公式（3.11）： (3.11)得 主梁的总均布载荷: 考虑到当起重机运行不平稳的的情况，桥架由于发生震动，造成固定载荷对桥架的动力加载。故在计算固定载荷时,要考虑一个冲击系数。主梁的均布载荷如公式（3.12）： （3.12）表3-2轨道冲击载荷 式中： 根据表3-2得到 得: 3.2.2 移动载荷的计算移动载荷的产生主要来源于小车及被吊重物对主梁的作用。由于起升机构在上升或下降重物时
29、会产生与运动方向相反的惯性力，所以当计算作用在主梁上的轮压时，要引用一个动力系数来抵消惯性力产生的额外作用。由表3-3选用不同主起升量下两个车轮的轮压值。表3-3 吊钩小车的轮压值注：和还要考虑动力系数的影响图3.4小车轮压情况 考虑动力系数的影响,小车车轮的轮压值由公式（3.13）计算： (3.13) 得： 式中： 动力系数。3.2.3 水平惯性载荷的计算当大车运行机构在起动或制动时沿着水平方向会产生惯性载荷，垂直作用在主梁上。如图3.5所示，其中Pg为起重小车在满载时的质量所造成的水平惯性载荷，依靠与轨道的接触在跨中作用于主梁；qg为桥架本身的重量产生的水平惯性载荷，在主梁上以均布载荷的方
30、式进行作用。 由于主动轮只占全部车轮的一半，水平惯性载荷取各个垂直载荷（即起重小车的轮压集中载荷和主梁的均布载荷）的1/10。作用位置参照3.5。则： 图3.5 水平惯性载荷的作用简图3.2.4 车轮侧向载荷的计算 在不同状态下，起重机工作时经常会出现一定程度的歪斜，此时歪斜车轮的轮缘和轨道侧面产生侧向载荷S,其方向垂直于起重机运行方向，根据现有经验，侧向载荷与轮压、跨度L和大车轮距K有关，可根据（3.14）计算： (3.14)式中： P轮压，选择机构运行最大轮压值； 图3.6大车运行歪斜时侧向载荷作用简图图3.7侧压系数值和轮压K、3.2.5 载荷组合在一个起重机的运行过程中，所受的载荷不断
31、变化，如起重载荷，自重载荷等为经常作用于起重机的，但像惯性载荷等出现时间并不长。即使是经常作用的载荷大小也不一定保持不变，这时应将载荷在某些特殊的位置进行分析以确保起重机在各个状态下都能正常工作。对于一些特殊状态可见表3-4表3-4主梁与端梁的载荷组合情况其中第1种载荷组合情况用于计算结构的疲劳强度；而第2种载荷组合情况用于结构的强度计算。3.3 箱形结构主梁的计算3.3.1 主梁垂直方向上最大弯矩和剪力的验算 当运行机构为分别驱动时，如图3.8所示：图3.8 主梁垂直方向载荷简图 主梁垂直方向的最大弯矩由公式（3.15）可得： （3.15）式中： G1=450kg大车运行机构的重量； l1=
32、150cm大车运行机构的作用位置； G0=1000kg司机室与支点重心的距离； 根据上面已知条件：主梁截面上的最大剪力由（3.16）计算： （3.16）得：3.3.2 主梁水平方向最大弯矩的计算主梁水平方向的弯矩是因为大车运行机构在突然启动或者制动情况下所产生的水平惯性载荷造成的。对于作用在桥架主梁上的水平惯性载荷是由两部分组成：其中一个是起重小车在吊着重物时产生的集中惯性载荷Pg；另一个为桥架本身重量引起的均布惯性载荷qg。根据上面条件将水平惯性载荷按照他们的重量的1/10取值。将下车部分惯性载荷由两个车轮传递给主梁简化并为一个集中载荷Pg作用于主梁的跨中。在确定主梁水平方向的弯矩时，可以认
33、为桥架平面是一个6次超静定钢架结构，如图3.9所示：图3.9 主梁水平方向弯矩简图此时作用在主梁跨中的水平弯矩由（3.17）计算： (3.17)式中： （3.18） 主梁截面对垂直重心轴线yy的惯性矩（cm4）； 端梁截面在垂直方向的yy的惯性矩（cm4）；集中惯性载荷在主梁上的大小：均布载荷在主梁上的大小：取 =2；;并且已知： K=500cm;Lxc=200cm。因此可得： =263568.13.3.3 主梁的强度验算主梁中间截面的最大弯曲应力根据公式（3.19）计算： （3.19）式中：Wx主梁对轴线xx的弯曲截面模数，由公式（3.20）计算： （3.20） 主梁对轴线yy的抗弯截面模数
34、，由公式（3.21）计算： (3.21)因此可得：Wy=表3-5 类载荷组合时钢材的许用应力 查表3-5得：A3钢的许用应力为： 故 对于最大剪应力在主梁上的大小根据（3.22）： （3.22）式中： 主梁截面上所产生的最大剪力，： Ix0主梁支承截面对水平重心轴线xx的惯性矩，根据公式(3.23)计算： (3.23) S主梁支承截面在yy垂直重心轴线上的静矩： （3.24）因此可得： 根据表3-5可知A3钢的许用应力，故： 在主梁同时受有弯矩和剪力作用的任意截面中，由弯曲正应力和剪应力产生的合根据公式（3.25）： （3.25）即：由以上可知，满足强度条件。3.3.4 主梁的垂直刚度验算主梁在吊着重物时，最大垂直挠度根据（3.26）： （3.26） 式中： 因此可得： 许用挠度值根据（3.27）： (3.27) 得： 因此 由上面的计算可知，主梁的垂直刚度足够。3.3.5 主梁的水平刚度验算主梁在大车运行时，机构受到惯性载荷的作用下，在水平方向最大挠度根据（3.28）计算： (3.28) 式中： 由此可得：水平挠度的许用值：因此： 由上面计算可知，主梁的垂直和水平刚度均满足要求。当起重机不超过额定状态时，不需要再进行验算。3.4 主要焊缝的计算3.4.1 主梁与端梁的连接焊缝主梁与端梁腹板的连接焊缝的剪应力由公式（3.29）计算（查看图3.10）图3.10 主梁与端梁
