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1、目录1绪论 12抓斗设计 22.1抓斗的选取 22.2抓斗的受力分析 22.3抓斗自重的确定 32.4抓斗的自重的分配 32.5鄂板宽度 42.6抓斗的最大开度 42.7抓斗的其他参数52.8抓斗鄂板的侧面形状 52.9滑轮组倍率 73起升机构设计 83.1方案布置 83.2钢丝绳的选择 83.3卷筒的选择和转速 93.4滑轮组的选择 103.5电动机的选择 113.6减速器的选择 123.7制动器的选择 133.8联轴器的选择 143.9验算起动时间 153.10制动时间验算 164抓斗优化174.1抓斗优化目标174.2设计变量174.3约束条件184.4优化程序及结果196总结 215参
2、考文献 227致谢 238附录 24 8.1附录A（英文） 24 8.2附录B（中文翻译） 29抓斗结构设计与优化（摘要） 首先应该对抓斗进行设计计算，确定抓斗的各个参数，然后根据抓斗的型号、起重量和给定的起升高度、起升速度，确定起升机构的布置方案，然后确定钢丝绳的型号，选取合适的卷筒、滑轮直径。根据设计计算选定减速器、电动机、制动器和联轴器。根据设计计算的结果，绘制出抓斗部件图和起升机构总体装配图。对抓斗的优化主要是通过MATLAB语言，将前面已经设计好的抓斗参数转化为线性方程，这个过程和其它调式程序一样，主要包括这样几个步骤：编辑.编译.连接.以及执行和调试。利用MATLAB软件可以求解线
3、性规划、无约束规划、二次规划和有约束非线性规划等优化设计问题.该软件编程工作量小,初始参数输入简单,符合工程设计语言,有着很大的优越性.通过给出的优化实例可以看出,应用该软件求解机械优化设计问题非常方便。主要词汇：抓斗.优化.参数.程序 Design and optimization for the grab of structural（Abstract）First should carry on the design calculation to the grab, definite grab each parameter, then according to the grab model,
4、 the lifting capacity and assigns lifts, lifts highly the speed, determined lifts the organization scheme of arrangement, then the determination steel wire model, selects the appropriate reel, the pulley diameter. According to design calculation designation reduction gear, electric motor, brake and
5、shaft coupling. According to the design calculation result, draws up the grab part chart and lifts the organization overall assembly drawing.To the grab optimization mainly is through the MATLAB language, front already will design the grab parameter transformed as the linear equation, this process a
6、nd other mode procedure were same, mainly included such several steps: Edition.Translation.Connection.As well as execution and debugging. May solve the linear programming, the non-restraint plan, two plans using the MATLAB software and has optimized design questions and so on restraint nonlinear pro
7、gramming.This software programming work load is small,The initial parameter input is simple,Conforms to the engineering design language,Has the very big superiority.Through the optimized example which gives may see,Solves the machinery using this software to optimize the design question to be extrem
8、ely convenient.Main glossary: Grab. Optimization. Parameter. Procedure1绪论随着社会的日益发展，一些强度较大的体力劳动逐渐被机械生产所替代，起重机则是其中运用较广泛的机械，它对减轻劳动强度，节省人力，降低建设成本，提高施工质量，加快建设速度，实现工程施工机械化起着十分重要的作用。抓斗是起重机上十分重要部件，它是用来装卸物料的装置，而抓斗的重量，形状，大小也将对取物能力有着重要影响，这里也将会对它进行优化，使它的性能得到进一步的提高。通过司机室那的操作，抓斗能进行抓取和开卸动作，大大提高了工作效率，所以广泛的运用于生产实践中。
9、在起重机中，用以提升或下降货物的机构称为起升机构。起升机构是起重机中最重要、最基本的机构，其工作的好坏直接影响整台起重机的工作性能。起升机构一般由驱动装置、钢丝绳卷绕系统、取物装置和安全保护装置等组成。驱动装置包括电动机、联轴器、制动器、减速器、卷筒等部件。此次设计主要是针对抓斗的结构设计、起升机构的设计计算和对抓斗的优化，首先应该对抓斗进行设计计算，确定抓斗的各个参数，然后根据抓斗的型号、起重量和给定的起升高度、起升速度，确定起升机构的布置方案，然后确定钢丝绳的型号，选取合适的卷筒、滑轮直径。根据设计计算选定减速器、电动机、制动器和联轴器。根据设计计算的结果，绘制出抓斗部件图和起升机构总体装
10、配图。对抓斗的优化主要是通过MATLAB语言，将前面已经设计好的抓斗参数转化为线性方程，这个过程和其它调式程序一样，主要包括这样几个步骤：编辑.编译.连接.以及执行和调试。利用MATLAB软件可以求解线性规划、无约束规划、二次规划和有约束非线性规划等优化设计问题.该软件编程工作量小,初始参数输入简单,符合工程设计语言,有着很大的优越性.通过给出的优化实例可以看出,应用该软件求解机械优化设计问题非常方便。此次设计的主要目的是要通过对抓斗和起升机构的设计计算达到了解起重机设计的过程的目的，为以后参加工作，从事设计工作打下一个坚实的基础。熟练掌握了AUTOCAD的操作和利用MATLAB语言进行优化。
11、2抓斗设计抓斗是起重机装卸散料的一种取物装置。主要用于大量散粒物品的装卸工作，采用抓斗可免除繁重的人工劳动，提高劳动生产率。21抓斗类型的种类 为了便于设计和选用，可按抓取物料容重（r2.6t/m）。 根据抓斗的操作特点,可以分为单绳抓斗、双绳抓斗、和马达抓斗. 其中双绳抓斗发展较快，除常用长撑杆抓斗和多颚抓斗外，还有剪式抓斗、耙集式抓斗和钳式抓斗等2.1.1选用长撑杆双绳抓斗2.1.2双绳抓斗简介 双绳抓斗开闭绳与支持绳用双卷筒分别驱动以实现颚板开闭或起升下降,只能用于专门的起升机构中,不能作为普通起重机的备用取物装置,但结构和操作简单自重轻,对于多种物料适应性强,生产率高,是目前最典型和用
12、的最广泛的一种抓斗型式。长撑杆抓斗（图1）是抓斗的基本型式。由颚板、长承梁、下承梁、撑杆和闭合滑轮组组成。长撑杆抓斗对各类散料具有良好的适应性，且重心低因而获得广泛的应用。 图1 长撑杆抓斗机构图2.2抓斗的受力分析双绳抓斗在工作中其开闭绳张力，颚板刃口切入力和撑杆在铰点上的推力N，对抓斗的结构强度和抓取性能有着重要的影响。图2为开闭绳和支撑绳在抓斗作业过程中的变化情况，图中为支撑绳拉力。 图2 抓斗钢丝绳张力变化根据图2取开闭绳和支撑绳的拉力为总载荷的100%和66%。2.3抓斗自重的确定 抓斗自重既是抓斗产生抓取力矩的来源,又是保证抓斗具有一定强度和刚度.抓斗自重可由下式确定： （1-1）
13、式中：Q抓斗起重额定起重量； 抓斗自重系数，可由表1查出。 表1-1 抓斗自重系数 散料容重（）0.630.81.01.251.602.002.503.20抓斗自重系数 0.4340.4290.4260.4200.4160.4100.4080.400取散料容重则2.4抓斗自重的分配 抓斗自重是影响抓斗抓取能力是主要因素.自重越大,抓取力越大,但自重过大则引起功率无谓消耗起重机有效起重量降低和抓斗过载. （1-2）式中：抓斗各部分自重（t）；抓斗自重分配系数，可由表1-2选取。表1-2抓斗自重分配系数 鄂板上承梁下承梁撑杆0.450.210.180.16颚板自重： 上承梁： 下承梁： 撑杆： 2
14、.5颚板宽度在设计抓斗时，抓斗的颚板宽度有增大的倾向，因为加大颚板宽度可以相应地增大抓斗张开后的覆盖面积,从而在满足抓斗充填量的前提下,相应地减小了抓斗闭合时在物料中的挖掘深度,使抓取阻力降低.颚板宽度B可由下式计算 （1-3）式中抓斗容积（） （1-4）其中：抓斗抓取量散料容积颚板宽度系数，由起重机设计手册表3-5-6选取=1.26颚板宽度2.6抓斗最大开度抓斗的最大开度由下式计算： （1-5）式中抓斗最大开度系数，由文献1表3-5-7查得=2.3792.7抓斗的其他几何参数按上述计算式算出颚板的宽度B和最大开度后，可导出抓斗的其他几何参数。（1）抓斗张开的覆盖面积（2）抓斗在抓取过程中的平
15、均挖掘深度（3）抓斗挖掘深度系数（4）抓斗颚板宽度B与最大开度之比2.8抓斗颚板的侧面形状抓斗颚板侧面积为 （1-6）式中 给定的抓斗容积（）。通常用作图法确定颚板侧面积，并与上式算出的F相比，若不相等可调整Nb，直到与F相等。（如图3所示：） 图3 长撑杆抓斗侧面示意图颚板侧形半长为：又斗宽故抓斗闭合后，颚板侧形半长为：上式中可由表1-3查得=0.840表1-3抓斗颚板侧形系数 散货密度（容重）0.630.801.001.251.602.002.503.20抓斗颚板侧形系数0.7960.8400.8400.8850.9300.9540.9791.004抓斗颚板底背角，（）；抓斗颚板侧背角，（
16、）；颚板闭合后，斗内物料最多滑移角，（）；散货自然坡角，（）。取=25，=13，=56，=22.7，=35所算F基本相同，取=1.06m。2.9滑轮组倍率 增加滑轮组倍率可降低开闭绳在抓取过程中的张力，使挖掘压力增大，提高了抓取能力。但滑轮组倍率增加会引起开闭绳磨损加剧，也使闭合行程和闭合时间加长。因而应当综合考虑这些情况来确定滑轮组倍率。双绳抓斗的滑轮组倍率推荐值如表1-4。 表1-4抓斗闭合滑轮组倍率 轻型抓斗中型抓斗重型抓斗特重型抓斗滑轮组倍率2334566取滑轮组倍率m=3。3起升机构设计31方案布置为了操纵四绳抓斗，常采用两套独立的起升机构，见图4，其中一组驱动装置作开闭用；另一组作
17、抓斗开闭时支持抓斗用；抓斗的升降则由两组驱动装置协同工作来完成。3.2钢丝绳的选择在确定了起升机构的设计方案后，为解决钢丝绳的选用问题，首先必须计算钢丝绳所承受的最大静拉力，即在抓取额定起重量的货物时绕上卷筒的钢绳分支的静拉力为 双联卷筒的钢丝绳最大拉力。 （3-1）式中，Q起升载荷； m滑轮组倍率，取m=3； 滑轮组的效率，根据m值的大小确定。由中级工作制，（根据参考文献5中表5-2）查得钢丝绳安全系数 ，和卷绕直径与钢丝绳直径最小比值 。钢丝绳选用普通结构型钢丝绳，其破断拉力换算系数 。钢丝绳计算用钢丝破断拉力总和为：选择6W（19）钢丝绳，（根据参考文献5中表5-3）公称抗拉强度，直径为
18、d=9.2mm，其钢丝破断拉力总和为 ，标记如下：钢丝绳。3.3卷筒的选择和转速卷筒最小直径根据系数可得： （如图5所示）卷筒直径（槽底）： 取D=400mm，根据钢丝绳直径（根据参考文献3中表15-5）可查到卷筒尺寸：R=5mm ，t=11mm ，c=3mm卷筒长度： (3-2)式中：卷筒卷绕直径（钢丝绳中心直径）， n-附加安全圈数，这里取n=2;3t固定钢丝绳用，2t为两端边缘的构造尺寸；-卷筒中央不切槽部分长度，实际长度在绳偏角允许范围内可以增减，暂取为100m。 取L=1300mm。卷筒厚度： 卷筒壁厚由下式决定取d=16mm.材料为20号钢，厚度为16mm的卷筒，抗压强度极限 抗拉
19、强度极限 。 图5 卷筒示意图卷筒壁压应力验算：3.4滑轮组的选择滑轮的主要尺寸是滑轮直径D、轮毂宽度B和绳槽尺寸。起重机常用铸造滑轮，其尺寸已标准化（ZBJ80006.1-87）。滑轮尺寸可按钢丝绳直径进行选择。 工作滑轮尺寸： （3-3） D工作尺寸 与机构工作级别和钢丝绳结构有关的系数，查起重机设计手册表3-2-1取=22.4 d钢丝绳直径 由起重运输机械计算附录五，选取D=260mm根据钢丝绳直径选择铸造滑轮绳槽断面及尺寸如下： 铸造滑轮绳槽断面图如图6： 图6 铸造滑轮绳槽断面图3.5电动机的选择由于不同的起升机构的工作情况不同，工作的繁重程度各不相同，各种电动机的过裁能力也不全相同
20、，故在初选电动机时可粗略的计算。起升机构静功率 （3-4）式中机构总效率是由三部分组成：滑轮组效率 、卷筒效率 和减速器效率电动机计算功率：式中系数（根据参考文献1表2-2-6）可查得=0.8选用交流异步线绕式YZR系列电动机，工作制度S3， FC=40%，同步转速750r/min。选用YZR250-M2，额定转速720r/min,功率37kw该电机飞轮矩为 电机自身质量 电机轴直径d=85mm，轴端长l=170mm。 图7 电动机电动机发热验算电动机在工作时由于电流通过绕组而引起发热，起动时因电流较大，发热也较大，尤其是当起动时间长或频繁的起动时。更甚，电动机温升过高，会使绕组的绝缘性能降低
21、，严重时使电动机烧坏。故应对初选的电动机作发热验算，以控制电动机的温升，使在容许范围内。对一般线绕式电动机，等效力矩法或等效功率法验算电动机的发热。等效功率 （3-5）根据表3-27 ，查文献1图3-52起升机构曲线1得g=0.88，查文献1表3-28得因此，初选电动机能够满足不过热条件。 3.6减速器的选择电动机转速 （3-6）传动比 查文献3表15-11，选用ZQ650，中级工作制，同步转速为750r/min时，许用功率N=95kw，i=8.23，减速器自身质量，输入轴直径 （圆锥形）轴端长，输出轴直径，轴端长。 图8 减速器示意图 货物实际起升速度：减速器输出轴强度校核：输出轴最大径向力
22、 （3-7）式中 为卷筒与轴的自身重力，减速器输出轴最大径向力许用值R=86700N输入轴最大扭矩 （3-8）式中j电动机最大扭矩倍数；i为减速器的传动比；h为减速器的效率。减速器输出轴的许用扭矩据此， 该减速器能满足设计要求。3.7制动器的选择起升机构制动器的制动力矩必须大于由货物产生的静力矩，使货物处于悬吊状态时具有足够的安全，下降静转矩为：查制动器标准，选用YDWZ-300/45制动器，其额定制动转矩制动轮直径D=400mm，制动器自身质量 图9 制动器3.8联轴器的选择高速轴的计算扭矩 （3-11）式中，n联轴器安全系数，取 ； 刚性动载系数，一般=1.8。根据电动机轴和减速器输入轴的
23、轴径，分别选用CLZ2型半齿轮联轴器和带制动轮的齿轮联轴器。据联轴器标准， CLZ2半齿轮联轴器最大允许扭矩 ，飞轮矩，自身质量 ，制动轮直径D=200的带制动轮齿轮联轴器最大允许扭矩飞轮矩 ，自身质量输入轴直径，输出轴直径。 图10 联轴器前面的计算都是考虑机构处于稳定运动状态时的精力计算。众所周知，起重机是一种间歇动作的机械，工作是周期性的。在每个工作循环中，起升机构也被断续地开动与停止，而每次开 动 过程中又都包括有启动（加速）、稳定运动（等速）及制动（减速）三个时期。在启动和制动时期，机构作变速运动，因而 有加速度与惯性力的作用。当启动、制动时间过长时，加速度固 然很小，但这会影响起重
24、机的生产率；而启动、制动时间过短时，加速度太大，会给金属结构和机械部分带来很大的动力载荷。因而必须把启动与制动时间控制在一定的范围内。3.9验算起动时间起动时间：机构起动时间电动机必须发出较大的力矩，即起动力矩，使原来静止的质量开始运动。这时起动力矩除了克服静阻力矩外，还有一部分力矩使运动质量加速。这部分力矩愈大，加速的时间就愈短。 （3-9）式中J-起升时换算到电动机轴上的总转动惯量 （3-10）-高速轴上旋转质量的转动惯量。通常380t通用桥式起重机，=12s，上述起动时间符合电动机起动要求。3.10制动时间验算制动时间：制动时，制动器的制动力矩促使运动质量减速。下降制动是制动时间较长，故
25、通常计算下降时的制动时间 （3 -11）T-推荐时间为1-1.5sT所以制动时间符合要求。 4 抓斗优化4.1抓斗优化目标抓斗抓取散料需要能量,长撑杆抓斗的这个能量主要通过闭合绳拉力及抓斗重心的垂直运动引起的重力势能的改变获得。闭合绳拉力通过抓斗机构产生抓取能力。若合理匹配机构几何尺寸,使相同开度下单位闭合绳拉力产生的抓取力提高,将有利于减轻抓斗自重,提高抓取比。因此,取抓斗单位闭合绳拉力产生的抓取力为抓斗机构的优化目标。图12为抓斗机构简图。闭合绳拉力在颚板张开角为时的抓取力为: 图12 抓斗机构简图 （4-1）式中 （常数）；闭合滑轮组单个滑轮效率；颚板底背角；闭合滑轮组倍率；抓斗最大开度
26、；其余符号意义见图12。长度均以m为单位,角度以弧度为单位。单位闭合绳拉力产生的抓取力 （4-2） 抓斗机构简图式表明,在抓斗闭合过程中,当颚板张开角不同时,即使是同一抓斗机构, 也不相同。在抓斗闭合初期,增大有利于减缓闭合绳拉力的增加,可以在较小的闭合绳拉力时有较大的抓取力,增加抓斗的下沉力。在抓斗宽度不变时,增加挖掘深度,提高深挖能力;或者可以采用较宽的抓斗。总之,可以提高抓斗在闭合初期的抓货量。在抓斗闭合末期,增大可以获得较大的水平闭合力,有利于将抓到的散料压入颚板中,提高抓斗在闭合后期的填充能力。因此,一个理想的抓斗机构应当具有这样的特征:在抓斗闭合过程中的每一位置上, 均应达到极大值
27、。由于C为常数,令 （4-3）则,长撑杆抓斗机构的优化函数为等价与 （4-4）4.2设计变量 决定优化目标的独立变量只有, ,及,并令, , , ,它们构成了抓斗机构优化设计的设计变量。4.3约束条件散料动态堆积角,抓斗最大张开度L=2734mm。=0.32, =0.5, =0.125, =0.43, =/5。（a）避免闭合滑轮组之间滑轮干涉,或防止绕入、绕出滑轮的钢绳偏角过大,限制上、下横梁滑轮组轴线之间最小距离。 （4-5）（b）避免闭合状态下撑杆力臂过小。 （4-6）(c)避免最大张开度状态下,撑杆力不产生抓取力。 (d)保证抓斗结构紧凑。 （4-7） （4-8） （4-9） （4-10
28、）(e)保证目标函数有意义,设计变量非负等其它要求。 （4-11） （4-12） (j=1,2,3,) （4-13）其中,和控制闭合滑轮组上、下滑轮轴闭合状态下最小及最大距离,控制抓斗机构最大宽度,与闭合滑轮组滑轮大小有关,为散料动态堆积角。4.4优化程序及结果根据设计需要，使用比较常见MATLAB语言作为编程工具。首先用MATLAB编写目标函数的m文件objfun.m，返回x处的函数值f。%抓斗优化程序；function y=objfun(x)f=0.854*x2(sin(x(4)+0.628)-cos(x(4)+0.628)*(2743*x(2)sin(x(4)+0.628)-2743x(
29、3)/(2775*x(1)2-(2743x(2)2*sin(x(4)+0265)-2743*x(3)2)0.5)；由于约束条件中有非线性约束，需要编写一个描述非线性约束条件的M文件confun.m。%优化约束；function c,ceq=confun(x)；c= x(1)2-(x(2)sin(x(4)-x(3)2-(x(2)cos(x(4)+0.32)2/x(2)sin(x(4)-x(3)/(x(1)+x(2)cos(x(4)-0.265)-x(3)/0.5-x(2)/0.125-x(3)/1.57-0.12-x(4)/(x(2)*sin(x(4)-x(3)2+9x(4)cos(x(4)+0
30、.43)2-x(1)2/x(1)+x(3)-x(2)/x(4)-0.265; ceq=;x0=0.6079468,0.3895086,0.0486136,0.9827937;options=optimset(largescale,off);x,fval=fmincon(objfun,x0,confun,options) 输出最优点和目标函数值：x(1)= 0.7157153x(2)= 0.499961x(3)=0.0559942x(4)=1.040696与原设计方案x=(0.6079468,0.3895086,0.04861361,0.9827937)下目标函数进行比较,在整个抓取过程中,优化
31、方案单位闭合绳拉力产生的抓取力比原方案提高25%31%。总 结经过三个多月设计，对起重机抓斗有了比较整体的认识，了解起重机抓斗和起升机构的基本组成和各部分的功用、原理。本次设计的任务主要是对起重机起升机构设计及对抓斗的优化。设计先对抓斗进行系统的设计计算，然后根据抓斗计算出的参数和给定的参数再对起重机的起升机构进行设计，参考相关书籍，选择一个合理的布置方案。通过计算选用机构中所需的标准部件（如电动机、制动器、减速器、联轴器、钢丝绳等），对非标准零件还须作进一步的强度与风度计算校核。对抓斗的优化主要是通过MATLAB语言，将前面已经设计好的抓斗参数转化为线性方程，这个过程和其它调式程序一样，主要
32、包括这样几个步骤：编辑.编译.连接.以及执行和调试。利用MATLAB软件可以求解线性规划、无约束规划、二次规划和有约束非线性规划等优化设计问题.该软件编程工作量小,初始参数输入简单,符合工程设计语言,有着很大的优越性.通过给出的优化实例可以看出,应用该软件求解机械优化设计问题非常方便。通过本次设计，对机械设计的过程和步骤有了一个很清晰的认识。由于时间比较仓促，优化效果并没有达到最佳水准，但是通过设计还是了解了制作的全部过程，达到了设计的预期目的。参 考 文 献1 张质文、虞和谦等. 起重机设计手册M. 北京：中国铁道出版社. 19982 东北大学机械零件设计手册编写组. 机械零件设计手册M.
33、北京：冶金工业出版社. 19943 尹位中、王若梅、方中.实用起重手册M.北京:水利电力出版社.19894 倪庆兴、王殿臣.起重输送机械图册M.北京:机械工业出版社.19915 顾迪民. 工程起重机M. 北京：中国建筑工业出版社. 19886 唐照明.计算机辅助设计M.北京：机械工业出版社.19937 陈立文等.机械优化设计M.上海：上海科学技术出版社.19828 濮良贵、纪名刚.机械设计M.北京:高等教育出版社.20039 单祖辉. 材料力学M. 北京：高等教育出版社. 200110 洪家娣、李明、黄兴元,机械设计指导M.南昌：江西高等学校出版社.2001.1211 牛聪民.抓斗合理设计方法
34、的讨论J.北京：人民交通出版社.1996.1致 谢 首先感谢我的指导老师程贤福老师，感谢他给我无限的帮助和关心。感谢学校给我提供良好的设计环境，让我有一个安静的设计教室，给我一个可以随时查阅资料的图书馆，感谢其它给过我帮助的老师和同学。他们认真细心的改正我们设计上犯的错误，身行言教的告诉我们在科学上要保持严谨、认真的良好作风，并为我在设计中出现的问题提供了很好的建议。在我们遇到困难时，两位指导老师会帮助我们克服困难，战胜困难。总之，在即将毕业之际，谨在此对指导老师致以最诚挚的谢意。还要感谢同组的其他同学，大家相互帮助，共同努力，克服了一个又一个的困难，最终完成毕业设计。特别要感谢与我同做毕业设
35、计的同学。在此我还要感谢我的家庭对我的支持，使我顺利的完学业。 附录A:外文资料原文部分 Evaluating bridge and gantry cranesAbstract (Document Summary)Properly sized, designed, and installed bridge and gantry cranes dramatically increase production, significantly reduce material handling costs, and substantially lower the risk of employee inj
36、ury. A properly maintained crane lasts at least 20 years, could reach 50 years or more, and occasionally outlives the structure or company originally housing or using the equipment. Bridge cranes are available in top running and underhung configurations, and single or double girder, to match plant structural and lifting requirements. Gantry cranes are constructed in single or double leg, single or double girder, and top running or underhung versions. Bridge cranes are usually used for high tonnages, long spans, and heavy duties.
