桥式起重机机构设计

2 桥式起重机行走及提升机构传动方案选择

2.1 桥式起重机小车行走及提升机构组成部分

桥式起重机又称天车，是横架于车间、厂房和货场上空进行物料吊运的起重设备。它主要由电气、起重小车、大车运行机构和桥架四部分组成。其中起重小车又可分为提升机构、小车运行机构和小车架。

图2-1总体装配效果图

2.1.1 起重机主要技术参数及其选择

设计参数如下：起重量：30t，提升高度：10m，跨度：20m；提升速度：

5m/min；工作级别：M5级；机构接电持续率：25%。

（1）起重量

查《起重机设计手册》（以下简称手册）表1-1-1 起重量系列（GB/T 783-1987）可知：额定起重量为32t

一般情况下，当起重量超过10t，常设二个提升机构，即主提升机构和副提升机构，选择主钩起重量32t，副钩起重量5t

（2）提升高度

查手册表1-1-2电动桥式起重机提升高度系列（GB/T 790-1995）可知：当，主钩提升高度：16m副钩提升高度：18m

（3）跨度

查手册表1-1-6桥式起重机跨度系列（GB/T 790-1995）可知：

当，有通道则起重机跨度选取22m，厂房跨度选取24m；

无通道则起重机跨度选取22.5m，厂房跨度选取24m；

2.1.2 起重机工作级别

（1）起重机的使用等级

按GB/T 3811-2008《起重机设计规范》，查手册表1-2-1起重机的使用等级（GB/T 3811-2008，ISO 4301-1986）可知：使用等级为，对应的起重机总工作循环数满足：

（2）起重机提升载荷状态级别

载荷状态按设计，即较少吊运额定载荷，经常吊运中重载荷。此时起重机的载荷谱系数为：

（3）起重机整机的工作级别

查手册表1-2-4 可知：起重机整机的工作级别为

（4）自重载荷的估算

通用双梁桥式起重机自重估算的经验公式如下:

（）起重小车的重量计算公式如下：

（）2.2 提升机构

提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机器的性能。它主要由钢丝绳、卷筒、滑轮、吊钩、电动机、减速机、制动器和联轴器等部分组成。

2.2.1 提升机构的典型形式及比较

大多数起重机提升机构的驱动装置都采取电动机轴与卷筒轴平行布置。

（1）电动机轴与卷筒轴平行布置的情况

对于吊钩起重机，它的提升机构的基本驱动型式见图2-2：

图2-2提升机构的驱动装置

1-减速器；2-制动器；3-浮动轴；4-联轴器；5-电动机；6-卷筒；7-卷筒支座利用浮动轴联接比弹性柱销联轴器或全齿式联轴器有二大特点：1）容许较大的安装误差，轴的长度越长，允许的安装误差越大

2）有足够的维修操作空间，便于拆卸和更换零件

3）使由于小车自重产生的轮压分布均匀

当需设主、副二个提升机构时，通常布置方式如图2-3所示：

图2-3主、副钩提升装置的驱动装置

1-主提升机构；2-副提升机构

慢速提升装置可采取图2-4所示方式：

图2-4慢速提升的驱动装置

（2）电动机轴与卷筒轴同轴线布置的情况

图2-5同轴线提升驱动装置图

2.2.2 主、副提升传动方案的确定

对于此次设计的30 t桥式起重机提升机构，按照要求需设置主、副提升机构。同轴线布置的提升机构横向尺寸紧凑，但加工精度和安装要求较高，维修也不太方便，所以不选用；慢速提升装置主要用于大吨位起重机，要求减速器有很大传动比，需多台减速器联合使用，经初步计算可知，本课题提升机构使用单台减速器即可满足要求，此外本桥式起重机额定起重量属于中小吨位起重范畴，故不选用；综合分析选用如图2-3提升机构驱动装置最为合理。

（1）主提升传动方案

传动方式三维图如图2-6所示：

图2-6主提升机构

（2）副起升传动方案

传动方式三维图如图2-7所示：

图2-7副提升机构三维图

2.3 运行机构

起重机运行机构分为轨行式和无轨运行两类，这里选择轨行式运行机构，因为它具有负荷能力大、运行阻力小，可以采用电力驱动等特点。

小车运行机构具体由车轮、轨道、电动机、减速机、制动器和联轴器等部分组成。大车运行机构与小车运行机构结构类似。

2.3.1 运行机构典型布置方式

由一台电动机通过传动轴驱动二侧车轮转动的方式，称为集中驱动。根据转速不同可分为以下集中驱动形式：

（a）低速轴驱动

（b）高速轴驱动

（c）中速轴驱动

图2-8集中分布驱动布置简图

双梁小车是指双梁桥式起重机和双梁门式起重机的起重小车，其布置简图如图2-9所示：

（a）减速器位于小车架中心线

（b）减速器偏向一侧

图2-9集中驱动小车布置简图

图2-10“三合一”小车运行机构

1-带制动器电机；2-传动轴；3-减速器；4-弹性支撑；5-车轮

图2-11“三合一”大车运行机构

2.3.2 大车、小车运行机构传动方式的确定

小车的运行机构常采用低速轴集中驱动，布置简图如图2-8（a）所示。电动机通过固定在小车架的立式减速器上，配合联轴器传递扭矩，带动传动轴驱动车轮，制动器放在电动机另一端的外伸轴上，或与高速联轴器合为一体。这种驱动方式的优点是可以采用标准部件，安装和维修方便，故而选择这种驱动方式。

小车运行机构传动方式三维图如图2-12所示：

图2-12小车运行机构三维图

大车运行机构因行走轮之间距离很长故常采用分别驱动的方式，市场上有专门的起重机三合一大车运行机构出售，此种方式安装和维修都十分方便。

大车运行机构传动方式三维图如图2-13所示：

图2-13大车运行机构三维图

2.4 小车架

小车架是支撑和安装起升机构和小车运行机构的机构，设计时，要求小车架具有足够的强度和一定刚度，重量轻，制造安装方便。小车架的主要受力构件有：二根顺着小车轨道的纵梁，二根或多根与之相垂直的横梁。纵梁支撑在车轮的轴承上；横梁与纵梁焊接在一起形成一刚性整体。

有一种适合中、小吨位简化的小车架方案如下：

图2-14简易型起重小车

1-带制动器的电动机；2-减速器；3-卷筒；4-定滑轮；5-端梁；6-运行驱动装置2.4 本章小结

通过对桥式起重机的行走及提升机构的研究发现，当给定桥式起重机额定起重量等基本参数后，依照手册内相关图表就能够选择出一种适合传动方式，并且为后面的计算与校核工作做好准备。参考的手册都是权威发布的最新版手册，能

够很好与实际工程应用接轨。

3 提升机构设计

3.1 主提升机构设计

（1）根据《机械设计手册》表1-2 几种起重机工作机构速度范围查得：通用桥式起重机（吊钩式）中级

提升速度：主提升，副提升

运行速度：小车，起重机运行速度

图3-1提升卷绕系统

查《起重机设计手册》取滑轮组倍率，采用如上图所示双联滑轮组连接，选用滚动轴承，则滑轮组的效率查表4-2-11可知：

双联滑轮组可以看成是二个倍率相同、各自吊起的单联滑轮组通过平衡滑轮并联而成，因此双联滑轮的倍率等于吊起物品钢丝绳分支数的一半。

当，时，卷筒单层卷绕即可满足要求

3.1.1 钢丝绳的选择

（1）钢丝绳的最大静拉力：

（）

式中—提升载荷，，为额定提升载荷，为取物装置的重力，采用普通吊钩查手册表3-1-2吊钩自重载荷与额定提升载荷的关系可知：

（3.2）—滑轮组倍率；

—滑轮组效率；

，，—导向滑轮效率，查手册表可知：

当选取包角为?，轴承为滚动轴承时，导向滑轮效率

（2）钢丝绳的选择

采用C系数法，则有：

（3.3）

式中—钢丝绳的最小直径

—选择系数，

—钢丝绳最大工作静拉力

选用钢芯钢丝绳，查手册表4-1-3可知，查最新《机械设计手册》表8-1-15可知，对运动绳而言，工作级别为，安全系数，则当钢丝绳公称抗拉强度为时，，代入得：

圆整为：

（3）钢丝绳最小破断拉力为：

（3.4）查起重机常用钢丝绳的主要性能（GB/T 20118-2006）可选用瓦林吞型钢芯

钢丝绳，钢丝绳公称抗拉强度，光面钢丝，右交互捻，直径，钢丝绳最小破断拉力，标记如下：

钢丝绳

3.1.2 确定滑轮的主要尺寸

滑轮的许用最小直径：

（3.5）查《机械设计手册》轮直径比系数：滑轮，卷筒。

根据直径选用系列与匹配，选用滑轮直径，选取平衡滑轮直径，取。

滑轮选用，，滑轮轴直径的A型滑轮

标记为：

滑轮

平衡滑轮选用，，滑轮轴直径的F型滑轮标记为：

滑轮

3.1.3 卷筒尺寸确定

当，时，卷筒单层卷绕即可满足要求。卷绕方式有如下几种方式：

单层绕单联卷筒单层绕双联卷筒多层绕卷筒

图3-3卷筒卷绕方式

选用双联卷筒即可。

（1）卷筒名义直径：

（3.6）选用，长度，槽底半径，标准槽型槽距；提升高度，滑轮倍率；靠近减速器一端的卷筒槽向为左的型卷筒。标记为：

卷筒左

（2）单层绕卷筒长度：

（）

式中钢丝绳安全系数取2

绳槽节距取20，由

铸铁卷筒壁厚

则

取

卷筒安装样式如图3-4所示：

图3-4卷筒安装样式

3.1.4 卷筒强度验算

（1）卷筒壁压应力验算：

（）式中与卷绕层数有关的系数取1

应力减小系数，一般取

故

选用灰铸铁，最小抗拉强度，许用压应力

（）

因为，故抗压强度足够

（2）卷筒拉应力验算：

（）

式中由钢丝绳最大拉力引起卷筒的最大弯矩，卷筒的弯矩发生在钢丝绳位于卷筒中间时：

抗弯截面模数，

（）卷筒内径，

则

（）许用拉应力：

则卷筒强度验算满足

3.1.5 卷筒稳定性验算

对于，的大尺寸钢卷筒，必须对卷筒壁进行稳定性验算。

(1)失去稳定时的临界压力

（）

(2)卷筒壁单位压应力

（）

(3)稳定性系数验算

（）则卷筒稳定性验算满足。

3.1.6 吊钩的选择

根据手册表4-4-2可知，选择钩号为20的直柄单钩，采用锻造成形。

(1) 孔钩直径：

单钩

圆整为

(2) 其他尺寸：

柄部直径为，所选材料为

吊钩装配示意图如下：

图3-5吊钩装配示意图

3.1.7 电动机选型

按手册公式3-1-4计算电动机的稳态提升功率为：

（）

式中机构的总效率，，在此为滑轮组效率；为导向滑轮效率；为卷筒效率；为传动效率。采用闭式圆柱齿轮则

表3-1 提升机构的值、值和值

起重机型式用途

提升机构副提升机构

吊钩式桥式起重机

电站安装及

检修用

15~25 150 15~25 150 车间及仓库用25 150 25 150 繁重的车间、仓

库用

40 300 25 150

则使用绕线转子异步电动机功率应满足下式要求：

（）式中取，查手册表3-1-5稳态负载平均系数得

（1）卷筒转速：

（）（2）提升机构传动比：

（）查附表选用电动机，其中额定功率为，额定转速为

3.1.8 验算电动机发热条件

（1）电动机轴上所需的转矩：

（）（2）电动机过载校验：

（）

式中电动机的额定功率

最大转矩与额定转矩之比，当时，为2.8

系数，对于绕线转子异电动机取2.5

（3）电动机发热校核：

（）式中稳态平均功率

稳态负载平均系数，查手册表5-1-77可知，

额定提升载荷

额定提升速度

提升机构总效率

查表5-1-80可知，故所选电动机能满足发热条件。

3.1.9 选择减速器

（1）卷筒转速：

（）（2）减速器总传动比：

（3）减速器的名义功率：

（）QJ型起重机减速器用于提升机构的选用方法如下：

（）

式中提升动载系数，车间起重机提升状态级别为，查手册表

1-3-5 可知，，。根据式3.26得

（3.26）选用中心距，输出转矩，公称传动比

标记为：减速器

图3-6减速器平面图

（4）减速器验算：

轴端最大径向力按下式校验：

（）式中卷筒自重约，取最大计算

表3-2减速器输出轴端最大允许径向载荷

名义中心距/mm 400 450 500 560 630 710

最大允许径向载荷/N QJR型35000 55000 60000 75000 100000 107000 QJS型

QJRS型

55000 64000 93000 120000 150000 170000

由表可知，因为，故减速器输出轴的强度满足。

3.1.10 选择制动器

对于中小功率的驱动机构（驱动功率在以下）的制动装置，仍然以鼓式制动器为主。

提升机构的制动转矩应满足下式要求：

（）

式中制动器制动转矩

制动安全系数，查手册表3-1-9可知，取

按最外层钢丝绳中心计算的卷筒卷绕直径

传动装置和滑轮组的总效率

河南某企业制动器生产产品图片如下：

图3-7YWZ电力液压鼓式制动器

查该企业产品参数表选用电力液压鼓式制动器，标记为：

3.1.11 选择联轴器

提升机构中的联轴器应满足下式要求：

Ⅱ

（）式中所传扭矩的计算值

Ⅱ

按第Ⅱ类载荷计算的轴传最大扭矩，对高速轴

Ⅱ

，对低速轴

Ⅱ

电动机的额定转矩

（）联轴器许用转矩

联轴器重要程度系数，对提升机构

角度偏差系数，选用非齿轮联轴器

选用型带制动轮弹性柱销齿式联轴器，标记为：

联轴器

3.1.12 起、制动时间验算

起动时间和起动平均加速度验算，根据起重机不同的使用要求，对提升机构起（制）动时间或平均加（减）速度只选其中一项校核计算即可起动时间按下式计算：

（）

式中电动机额定转速

其他传动件的转动惯量折算到电动机轴上的影响系数，取

电动机转子的转动惯量，查手册可知

电动机轴上制动轮和联轴器的转动惯量，查《机械设计手册》可知：

作提升运动的物品的惯量折算到电动机轴上的转动惯量，按下式计算：

（）

电动机平均起动转矩，按下式计算

（）电动机平均起动转矩倍数，查手册表1-3-5 可知取

稳态提升额定载荷时电动机轴上的转矩

推荐起动时间，查手册表3-1-11可知

则起、制动时间验算满足要求。

3.2 副提升机构设计

由于副提升机构的设计与提升机构的设计有很大相似之处，几乎可以说只是变换了一组参数，为了使计算篇幅凝练简洁，更加凸显设计的思路与方法，故在此不对副提升机构的各个零部件作详细计算与校核，只在下列表格中列出对应数据，相关公式的选择请参照主提升机构设计计算部分。

3.3 主、副提升机构设计参数对比

3.4 本章小结

设计提升机构时，综合参考了《起重机设计手册》、《机械设计手册》和相关论文文献关于提升机构的设计计算部分，发现了大部分仍然采用的是传统设计方法，在选择零部件具体型号时还是需要依据工程人员的经验。所以本次设计是在无任何工程背景下偏安全的设计，与实际工程应用有一定差距。