20t吊钩桥式起重机设计

摘要
桥式起重机是一种提高劳动生产率重要物品搬运设备，主要适应车间物品搬运、设备的安装与检修等用途。

我国生产的吊钩电动双梁桥式起重机额定起重范围为5～500t，一般10t以上，起重机有主、副两套起升机构；300t以上，起重机还有三套起升机构。

电动双梁起重机由桥架、小车运行机构、大车运行机构和电气设备构成。

在系统整体设计中采用传统布局的典型结构，小车运行机构采用集中驱动。

起升机构滑轮组采用双联滑轮组，重物在升降过程中没有水平移动，起升过程平稳，且钢丝绳的安装和更换容易。

相应的卷绕装置采用单层卷筒，有与钢丝绳接触面积大，单位压力低的优点。

在起升机构中还涉及到钢丝绳、减速器、联轴器、电动机和制动器的选择等。

小车运行机构中涉及小车轮压计算、小车车轮、小车轨道、减速器、联轴器、电动机和制动器的选择计算等。

在起重机控制方面，起升机构用主令控制器和磁力控制屏来实现控制，大、小车运行机构用凸轮控制器直接控制。

在控制系统设计中，主要针对起升机构、大车运行机构、小车运行机构电路控制系统的设计及保护电路的设计。

利用低压电气元件控制起重机，其使用寿命较长，适合车间恶劣环境。

关键词：桥式起重机起升机构小车运行机构电气控制系统
ABSTRACT
Bridge crane is a significant increase labor productivity goods handling equipment, primarily to carry goods workshops, equipment installation and maintenance, and other purposes. China's production of electrical hook rated double-beam bridge crane lifting the range of 5 ~ 500 t, generally more than 10 t, cranes are the main, two sets of lifting300 t above, there are three sets of cranes lifting bodies.
Two-electric beam from the bridge crane, the trolley running, traveling mechanism and electrical equipment constituted. The overall design of the system using the traditional layout of the typical structure and operation of institutions used car driven focus. Pulley group or agency from using double-pulley blocks, heavy objects in the process of lifting the level of no movement, or from the process smooth, and the installation and replacement of wire rope easily. Winding installations in the corresponding single reel, a large area of contact with the rope, the advantages of low pressure units. In lifting bodies also involves rope, reducer, couplings, electrical and brake the choice. Vehicles involved in the operation of institutions pressure on the wheels, car wheels, car track, reducer, couplings, electrical and brake the choice of calculation.
In the crane control, or from the institutions with the main controller and magnetic control of the screen to achieve control, big and small car cam controller running institutions with direct control. In the control system design, mainly for lifting bodies, traveling mechanism, the car run institutions circuit design and control system for the protection of the circuit design. Use of low-voltage electrical components control crane, a longer service life for workshop harsh environment.
Key words: bridge crane hoisting mechanism car agencies operating electric control system
目录
中文摘要 (Ⅰ)
英文摘要 (Ⅱ)
1绪论 (1)
1.1桥式起重机简介 (1)
1.2普通桥式起重机的主要组成部分 (1)
1.2.2大车 (1)
1.2.2小车 (1)
1.2.3动力装置和控制系统 (1)
1.3普通桥式起重机的运行方式 (1)
2设计任务及参数 (2)
2.1主要技术参数 (2)
2.2起重机工作机构的级别 (2)
3吊钩组的设计计算 (3)
3.1原始参数 (3)
3.2设计步骤 (3)
4滑轮组的设计计算 (8)
5钢丝绳的选择 (11)
6卷筒的设计计算 (12)
7钢丝绳在卷筒上的固定 (16)
8起升机构的设计计算 (18)
8.1原始参数 (18)
8.2设计计算步骤 (18)
9小车运行机构的设计计算 (26)
9.1原始参数 (26)
9.2设计计算步骤 (26)
10起重机主梁的设计计算 (36)
10.1桥式起重机主梁的设计计算主要涉及内容 (36)
11安全装置的选择说明 (37)
11.1主要安全装置的说明 (37)
11.1.1走台与栏杆 (37)
11.1.2排障板 (37)
11.1.3小车行程限位开关 (37)
11.1.4起升高度限位开关 (37)
11.1.5大车行程限位开关 (37)
11.1.6缓冲器与挡铁 (37)
11.2小车缓冲器选择计算 (38)
11.3大车缓冲器选择计算 (39)
12 20吨桥式起重机的控制系统设计 (40)
12.1控制电路设计分析 (40)
12.1.1控制对象分析及控制元件的确定 (40)
12.1.2控制系统的基本要求 (40)
12.1.3电动机的工作状态分析 (41)
12.1.4起重机的供电 (43)
12.2起升机构控制电路的工作原理 (44)
12.2.1起升机构控制电路的特点 (44)
12.2.2起升机构电路的保护与联锁 (44)
12.2.3起升机构电气工作控制原理 (45)
12.3小车运行机构电路工作原理 (49)
12.3.1小车运行机构电路工作特点 (49)
12.3.2小车运行机构的电气控制原理 (50)
12.4大车运行机构电路工作原理 (51)
12.4.1大车运行机构电路工作特点 (51)
12.4.2大车运行机构的电气控制原理 (52)
12.5保护电路的工作原理 (53)
12.5.1保护电路的组成 (53)
结束语 (55)
参考文献 (56)
附录1触点状态表
1.1起升机构主令控制器SA触点状态表
1.2小车凸轮控制器SA1触点状态表
1.3大车凸轮控制器SA2触点状态表
附录2电气原理图
2.1起升机构电气原理图
2.2小车运行机构电气原理图
2.3大车运行机构电气原理图
2.4保护电路电气原理图
2.5 20t桥式起重机总电气原理图
1 绪论
1.1桥式起重机的简介
桥式起重机是生产车间、料场、电站厂房和仓库中为实现生产过程机械化和自动化，减轻体力劳动，提高劳动生产率的重要物品搬运设备。

它通常用来搬运物品，也可用于设备的安装与检修等用途。

桥式起重机安装在厂房高处两侧的吊车梁上，整机可以沿铺设在吊车梁上的轨道纵向行驶，而起重小车又可沿小车轨道（铺设在起重机的桥架上）横向行驶，吊钩则作升降运动。

因此，它的工作范围是其所能行驶地段的长方体空间，正好与一般车间形式相适应。

1.2普通桥式起重机的主要组成部分
1.2.1大车
由桥架和大车运行机构组成。

桥架：桥架为起重机的金属结构，一方面支撑小车，允许小车在它上面横向行驶；另一方面又是起重机行走的车体，可沿铺设在厂房上面的轨道行驶。

在其两侧的走台上，安装有大车运行机构和电器设备，大车运行机构用来驱动大车行走，大车上一般还有驾驶室，用来操纵起重机和安装各机构的控制设备。

桥架主要由主梁和端梁组成。

设计时要考虑其强度，刚度和稳定性要求，也应考虑自重和外形尺寸要小，加工制造简单，运输，存放和使用维修方便，成本低等因素。

1.2.2小车
小车由起升机构，小车运行机构，小车架和保护装置等组成。

小车架要承受起升载荷和各机构自重，应有足够的强度和刚度，同时又要尽量减轻自重，以降低轮压和桥架受载。

小车的电力则由滑线或软电缆引入。

设计时要考虑改善零部件的受力情况、减少外形尺寸和自重、安全可靠、工作平稳、装配维修方便等因素。

1.2.3动力装置和控制系统
动力装置是驱动起重机运动的动力设备，它在很大程度上决定了起重机的性能和构造特点，桥式起重机的动力装置一般采用电动机。

控制系统包括操纵装置和安全装置。

各机构的启动、调速、改向、制动和停止，都通过操纵控制系统来实现。

1.3普通桥式起重机的运行方式
桥式起重机是一种循环的、间隙动作的、短程搬运机械。

一个工作循环一般包括上料、运送、卸料及回到原位的过程，即取物装置从取物地点由起升机构把物料提起，由运行机构把物料移位，然后物料在指定地点下放，接着进行相反动作，使取物装置回到原处，以便进行下一次工作循环。

在两个工作循环之间一般有短暂的停歇。

起重机工作时，各机构经常处于起动、制动以及正向、反向等相互交替的运动状态之中。

2 设计任务及技术参数
3 吊钩组的选择计算
3.1原始参数
机构工作级别:M6, 采用双联滑轮组,倍率: m=4
起升质量: Q m = 20 t 起升载荷: KN P Q 200= 起升速度: 18=n V ~ min /28m 初取min /20m V n =
3.2设计步骤
4 滑轮组的设计计算
(1) 普通滑轮直径的选择：
(=
)1
⨯
=
≥
-
(
-
4.
d
mm
h
D428
)1
20
22
5 钢丝绳的选择
6 卷筒的设计计算
7 钢丝绳在卷筒上的固定计算
计算式如下：
S7.
26288
8 起升机构的设计
8.1原始参数
工作级别为M6。

起升高度： H=14m 起升载荷：KN P Q 200
起升速度：n V =18~28m/min ；取V=20m/min JC=25%，CZ=150，G=0.8
8.2设计计算步骤
9 小车运行机构的设计计算
9.1原始参数
小车运行速度：V=40~45m/min; 选取V=42m/min
起升载荷：Q=200KN；
小车自重：
Q=0.35Q=70KN
小
JC=25% ；CZ=600；G=0.8
9.2设计计算步骤：
10 起重机主梁的设计计算
10.1桥式起重机主梁的设计计算主要涉及内容
①主梁材料的选择：选用Q235，其力学性能好。

②桥式起重机主梁结构形式及截面尺寸的确定：根据标准选用后，验算是否符合要求。

本设计选用箱形结构主梁，其组成由上下盖板及左右腹板焊接而成，断面为封闭的箱形，小车轨道安装在上盖板上。

本设计选用了轨道安装在主梁的正中形式。

为了防止上盖板变形，在箱形主梁内部，每隔一定间隔加焊了“长加劲板”和“短加劲板”。

桥架的刚度由两主梁保证，两主梁外侧，一侧走台上安放大车运行机构，另一侧安放电气设备，走台增加了桥架的整体刚度，便于起重机的维修，但也增大了桥架的自重和对主梁的附加扭矩。

在设计中应尽量减少走台的宽度。

从主梁受力来考虑，主梁纵向外形以抛物线为优，但制造费时，故一般将两端做成斜线段式。

③主梁桥架载荷的组合情况：由于起重机桥架受力情况复杂，在分析计算过程中，应合理处理。

④主梁强度的计算：主要验证危险截面的强度是否满足要求。

⑤端梁的计算：端梁采用压制成型，再焊接成箱形结构，有焊缝和加工工时少，端梁变形小，重量轻，外形美观等优点。

选用后进行强度较核。

⑥主梁与端梁的连接形式的选择：采用加连接扳用焊接的形式连接，桥架的运输分割位置在端梁的中间区段，接头处的下盖板用连接板螺栓联接，侧面与顶面用角钢法兰联接。

有制造简单、装拆方便、成本低等优点。

⑦司机室的选用：司机室的构造与安装位置，应保证司机有良好的视野，司机室一般与桥架固定，并应安装在无滑线一侧。

司机室的结构有敞开式和封闭式两种，若无特殊要求，室温在10~40摄氏度的厂房内工作的一般制成敞开式，在多灰尘和有害气体的场合，露天及高温车间工作的司机室，一般制成封闭式。

司机室的内部尺寸一般以满足视线要求为条件，宽度不宜过大，一般取1.3m~1.6m，长度不小于2m，高度不低于1.9m，司机室内部具体尺寸根据电器设备和工作要求确定.
司机室的骨架应有足够的强度和刚度，一般有轧制的型钢和冲压的薄板焊成。

地板应用厚20mm的木板制成，地板离骨架100mm，人形过道处铺以4~5mm厚的橡胶板，地板和墙壁内用留有电缆线槽，玻璃窗的玻璃厚度应不小于5mm玻璃窗的尺寸和位置应保证司机坐着能看见起重机的取物装置在任何位置的工作情况。

根据需要可设置上视窗和下视窗。

11 安全装置的选择说明
11.1主要安全装置的说明
电动双梁桥式起重机有相应的电气保护装置以外，还有其他保护装置。

11.1.1走台和栏杆
走台与作业平台的铺设采用具有防滑性能的钢板制成，设置牢固的栏杆，栏杆离铺板的垂直高度不低于1000mm,离铺板约450mm处应有中间夹栏，底部有不低于70mm的挡板。

11.1.2排障板
装在大车和小车的车轮前，用来推开轨道上可能有的障碍物，以利于大车和小车的顺利运行。

11.1.3小车行程限位开关
安装在小车一根轨道两端外侧的主梁盖板上，小车架相应的端梁外侧，固定一根用角钢弯折的撞尺，当小车行至极限位置时，撞尺压迫限位开关的摇杆，使其转动，从而切断小车运行机构电动机的电源，由于接线关系电动机只能做反向运动。

因而小车行程限位开关的位置要安装适当，及因考虑到小车撞尺与限位开关接触时，使电动机断电以后，小车由于惯性还要向前走一段距离。

11.1.4起升高度限位开关
采用丝杆传动起升高度限位开关，其工作零件是螺杆和滑块。

螺杆两端分别支承在壳体上的轴承中，一端通过十字联轴器与卷筒轴相连，卷筒转动，滑块沿螺杆移动，当吊钩上升到极限位置时，滑块移动到右端极限位置，螺栓压迫开关，切断电源，使起升机构停止运动，从而控制吊钩高度。

安装时应注意，吊钩装置上升到极限位置时，应该与卷筒或定滑轮之间保持一定距离；机构设计上保证螺杆不能横向窜动，否则要出事故。

11.1.5大车行程限位开关
由于大车运行速度大于80m/min，采用杠杆式限位开关不能提供可靠的保证，故采用无触点运行限位系统：光电装置来保证。

11.1.6缓冲器与挡铁
为了阻止起重机和小车越轨，在起重机和小车轨道两极端位置装挡铁。

为了吸收起重机和小车与挡铁相撞的能量，保证设备部受损坏，应采用缓冲器。

由于本起重机的速度较大。

选用弹簧缓冲器，它有吸收动能大，寿命长的优点，但是其自重大、成本高、工作时有硬性碰撞的缺点。

具体设计计算后示。

11.2小车缓冲器选择计算
11.3大车缓冲器的选择计算
12 20吨桥式起重机的控制系统设计
12.1控制电路设计分析
12.1.1控制对象分析及控制元件的确定
桥式起重机的动力源为三相绕线转子电动机，制动装置为电力液压制动器，其驱动装置也是电动机。

因而整个控制系统的控制对象为电动机；从前面主要结构的设计中可以知道，整个结构有4个电动机驱动，一个用于起升机构，一个用于小车运行机构，两个用于大车运行机构，其具体型号：起升电机M，YZR315S —8，P=85KW，n=724r/min；小车运行电机M3，YZR160M1—6，P=6.3KW，n=921r/min；大车运行电机M2，YZR160L—6，P=13KW，n=942r/min；由于起升机构电机功率大，不能采用凸轮控制器，而用主令控制器和磁力控制屏，通过继电器触头控制；大、小车运行电机用凸轮控制器直接控制。

12.1.2控制系统的基本要求
①提升机构电力拖动的要求
主钩能快速升降，轻载提升速度应大于额定负载的提升速度；具有一定的调速范围；具有适当的低速区，一般在30%额定速度内分几挡，以便选择；提升第一挡的作用是为了消除传动间隙，将钢丝绳张紧，称为预备级，这一挡的电动机的起动转矩不能过大，以免过强的机械冲击，一般在额定转矩一半以下；在负载下降时，根据负载的大小，提升电动机可以工作在电动、倒拉制动、回馈制动等工作状态，以满足对不同下降速度的要求；为了安全，起重机要采用断电制动方式的机械抱闸制动，以免因停电造成无制动力矩，导致重物自由下落引发事故，同时也应具备电气制动方式，以减少机械抱闸的磨损；桥式起重机的电气控制还应具有完善的保护和联锁环节。

②大小车移行机构电力拖动的要求
大车移行机构和小车移行机构对电力拖动简单，只要有一定的调速范围，分几挡即可。

起动第一挡作预备挡，以消除起动时的机械冲击，所以，起动转矩也限制在额定转矩的一半以下，为实现准确停车，增加了电气制动，同时可以减轻机械抱闸负担，减少机械抱闸的磨损，提高制动可靠性。

12.1.3电动机的工作状态分析
①移行机构电动机的工作状态
移行机构电动机的负载转矩为飞轮滚动摩擦力矩与轮轴上的摩擦力矩之和，这种负载力矩始终是阻碍运动的，为阻力矩；当大车和小车需要来回移动时，电动机工作于正反转状态。

②提升机构电动机工作状态
提升机构电动机的负载除一小部分是由摩擦产生的力矩以外，主要是由重物和吊钩产生的重力矩，这种负载当提升时都是阻力矩，下降时都是动力矩，而轻载或空钩下降时，是阻力负载还是动力负载视具体情况而定。

1) 提升时电动机的工作状态
提升重物时，电动机承受两个阻力转矩，一个是重物的自重产生的重力转矩
T
g
，另一个是在提升过程中传动系统存在的摩擦转矩T f ，当电动机产生的电
磁转矩克服阻力转矩时，重物被提升，电动机处于电动状态，以提升方向为正向旋转方向，则电动机处于正转电动状态，其如下图示，工作在第一象限，当
T
T T f
g
e
+=时，电动机稳定运行在n a 转速下
2) 下降时电动机的工作状态：
a. 重物下降：当下放重物时，负载较重，T g >>T f 时，为了获得较低的下降速度，需将电动机按正转提升方向接线，则电动机的电磁转矩T e 与重力转矩T g 方向相反，电磁转矩成为阻碍下降的制动转矩，当T g =T f +T e 时，电动机稳定运
行在-n a转速下，电动机处于倒拉反接制动状态，如下图示，工作在第四象限，此时，交流绕线转子电动机的转子应串联较大的电阻。

b.轻载下降：当T g<T f时，由于负载的重力转矩小于摩擦转矩，所以依靠负载自重不能下降，电动机产生的电磁转矩必需与重力转矩方向相同，以克服摩擦转矩，强迫负载或空钩下降，电动机处于反转电动状态，在T f=T e+T g时，电动机稳定运行在-n b转速下，如下图示，工作在第三象限，称强力下降。

当T g>T f时，虽然负载转矩很小，但重力转矩仍大于摩擦转矩，当电动机按反转接线时，电动机的电磁转矩与重力转矩方向相同，在T e与T g的共同作用
下，电动机仍加速，使n>n0，电动机处于反向再生发电制动状态，在T g=T e+T f时，电动机稳定在-n c转速下运行，如下图示，工作在第四象限，n c>n0，此时，要求电动机机械特性硬，以免下降速度过高，因此，再生发电制动时，电动机转子回路不允许串电阻。

12.1.4起重机的供电
桥式起重机的大车与厂房之间，小车与大车之间都有相对运动，因此电源不能像一般固定的电气设备一样采用固定连接，而必须适应其工作经常移动的特点，对于大中型起重机一般采用滑线和电刷供电。

三相交流电源接到沿车间长度架设的三根主滑线上，再通过大车上的电刷引入到操纵室中保护箱的总电源刀开关QS 上，由保护箱再经穿管导线送到大车电动机，大车制动器电机及交流控制站，送到大车一侧的辅助滑线，对于上升电动机，小车运行电动机，制动器电动机和提升限位的供电和转子电阻的连接，则由架设再大车侧面的辅助滑线和电刷来实现。

12.2起升机构控制电路工作原理
12.2.1起升机构电路的特点
主电路由刀开关QS和三个过流KA1、KA2、KA3；电力液压制动器电机由接触器KM3主触头控制；KM1、KM2控制电动机定子电路，使电动机正反转；KM4、KM5为反接制动接触器，控制反接电阻R1、R2；KM6、KM7、KM8、KM9起动加速接触器，用来控制电动机转子电阻的切断和串入，使电动机速度调节；电动机转子电路串有7段三相对称电阻，其中R1、R2为反接制动限流电阻，R3~R6为起动加速电阻，R7为常接电阻，用来软化机械特性，SQ5、SQ6为上升与下降极限限位开关。

控制电路由主令控制器SA和PQR10型磁力控制屏组成，上升和下降各分为6挡。

上升6挡中，从“1”、“2”、“3”、“4”、“5”、“6”挡依次短接电动机转子电路中的电阻，使电动机加速运行，而定子电路的接法保持不变。

下降6挡中，前3挡（C、1、2），电动机相序接法与上升时相同，但转子中串入了较大的电阻，在一定位能转矩负载下电动机运行在速度反向的倒拉反接制动状态，从而得到较小的下降速度，适于重负载下降。

在后3挡（3、4、5），电动机按下降方向运转，得到强力下放，适于轻载（空钩）下降。

主令控制器SA共12对触点，通过控制继电器来控制电动机定子电路，使其正反转，控制转子电路上的电阻的切断来调节电动机的转速。

由于是通过继电器来控制的，可以采用对称控制电阻的切断。

12.2.2起升机构电路的保护与联锁
①下放重物时，为了避免高速下降而造成事故，应将主令控制器的手柄置于下降“1”、“2”两挡。

若司机对负载重量估计失误，下降重物时手柄扳到了下降“5”挡，此时，重物高速下降，为了低速下降，手柄应从下降“5”换成下降“2”、“1”挡，手柄转换中要经过下降“3”、“4”两挡，分析可知，下降“4”、“3”挡的下降速度比下降“5”挡要快，为了避免经过下降“3”、“4”挡时造成更危险的高速。

线路中采用了接触器KM9辅助常开触点与接触器KM2的常开触点串接后，接于主令控制器触点K8与KM9线圈之间。

手柄置于下降“5”挡时，KM2、KM5线圈通电吸合，利用这两个触点自锁使KM9线圈通电。

当手柄从下降“5”挡扳动，经过下降“4”、“3”挡时，由于主令控制器的K5和K8触点始终接通，KM2、KM5线圈仍吸合，从而保证了KM9线圈始终通电，转子电路只接入电阻R7，电动机始终运行在下降机械特性曲线5上，而不会使转速再升高，实现了由强迫下降到制动下降时，出现高速下降的保护。

在KM9自锁电路中串入KM2辅助常开
触点的目的是为了在电动机正向运行时，KM2是断电，此电路不起作用，从而不会影响提升时的调速。

②保证反接制动电阻串入的条件下才进入制动下降的联锁，主令控制器的手柄由下降“3”挡转到下降“2”挡时，主令控制器触点K5断开，K6闭合，反向接触器KM2断电释放，正向接触器KM1通电吸合，电动机处于反接制动状态，为防止制动过程中产生过大的冲击电流，在KM2断电后，应使KM9立即断电释放，电动机转子电阻全部串入，KM1再通电吸合。

一方面在主令控制器触点闭合顺序上保证了K8断开后K6才能闭合；另一方面还设计了用KM2和KM9与KM1构成互锁环节。

保证了只有KM9断电释放后，KM1才能接通并自锁工作。

③当主令控制器的手柄在下降“2”挡与下降“3”挡之间转换，控制正反接触器KM1与KM2进行换接时，由于二者之间采用了电气和机械联锁，必存在一个瞬间，一个已释放，另一个还未吸合的现象，电路中KM1，KM2触点均断开，容易造成KM3断电，使电动机高速下进行机械制动，引起不允许的震动。

为此引入KM3自锁触点与KM1、KM2辅助常开触点并联，以确保在KM1、KM2换接的瞬间使KM3始终保持通电状态。

④加速接触器KM6~KM8的辅助常开触点串接下一级加速接触器KM7~KM9电路中，实现短接转子电阻的顺序联锁作用。

⑤起升机构的零位保护通过过电压继电器KV与主令控制器SA实现；线路的过电流保护是通过主电路中的三个过电流继电器KA1、KA2、KA3实现的；重物上升、下降限位保护通过限位开关SQ5、SQ6实现。

12.2.3起升机构电气工作控制原理
①电机起动前的准备：合上闸刀开关QS1、QS2，将主令控制器SA手柄置于“0”位，K1触点接通，零电压继电器KV线圈得电并自锁，接通控制电路电源。

②提升时电路的工作状况
1) 提升“1”挡
主令控制器手柄扳到提升“1”挡，主令控制器中的K3、K6、K4、K7触点接通，提升极限开关SQ5串接在控制电路中，当上升极限开关SQ5无动作，则KM1、KM3、KM4接触器线圈得电吸合，电动机正向起动，电动机运行在如下图示的机械特性曲线1上，电力液压制动器的电机也起动，松开制动闸。

起升电动机转子电路中第一段电阻R1被切除。

2) 提升“2”挡。