门式起重机电气系统设计

任务书
一、选题目的的理论价值和现实意义
该题目涉及机电一体化，满足教学要求。

题目来源于生产，综合性、实践性强，通过集装箱龙门起重机设计（电气控制部分）可以培养学生正确的设计思想、方法、创新能力及科学态度，还可以提高学生的综合专业技能及素质。

二、本课题在国内外的研究状况及发展趋势
轨道式龙门起重机采用电力驱动，由于其承载能力大、结构简单、营运费用低，在国内外得到广泛的使用。

通用型龙门起重机主要用于铁路、码头，大型工厂货场进行件杂货的装卸作业。

自1955年，集装箱运输方式出现后，由于采用集装箱运输可以节省包装费用，保持货物完整，且便于使用机械装卸搬运，减轻工人装卸作业劳动强度，提高装卸效率，加速运输船舶和车辆周转，降低运输费用，从而使集装箱运输得到迅速发展。

这种物流模式的变化又对装卸工艺、装卸机械提出了新的要求。

为了适应这种持续发展的要求，各大港口、起重机制造厂纷纷推出新的工艺方案和码头前沿作业机械和货场作业机械。

如JMQ3543、JMQ0733、JMQ4025集装箱龙门起重机采用现代化设计方法、并充分考虑了设备的可维修性和操作的舒适性及频繁的掏箱、对箱作业工况。

由于集装箱运输的发展，它的装卸必须用到起重机，因此轨道式龙门起重机的发展前景广阔，必将得到广泛的应用。

三、研究重点
设计研究的主要内容包括：设计的起重机为重庆寸滩港的轨道式集装箱门式起重机，该起重机采用双主梁，跨距40.5t-40m，两端有效悬臂10m，可进行20'到40'国际标准集装箱的装卸、转运及堆放等作业。

进行集装箱门式起重机电气控制部分的设计和起重机的机器房结构设计。

电气控制部分采用三菱公司可编程控制器(PLC)控制，需画出电气原理图和电气布置图，并编写PLC梯形图程序，说明工作原理。

主要设计选择电动机、变频器和PLC程序设计；设计起重机的机器房结构，并使用Pro/ENGINEER或SolidWorks构建实体模型。

编写总设计说明书。

其它有关文件及图纸数量按学校有关规定完成。

四、主要参考文献
1、起重机设计手册张质文中国铁道出版社
2、起重运输机械电气设备刘瑞琦中国铁道出版社
3、起重运输机电气传动余敏年西南交通大学出版
4、电气工程师手册机械工业出版社
5、电气控制与PLC原理及应用-三菱机型程周电子工业出版社
6、实用起重机电气技术手册裘为章机械工业出版社
7、起重运输机械罗又新冶金工业出版社
8、起重运输机械标准汇编技术标准出版社
9、起重机课程设计陈道南冶金工业出版社
10、通用桥式和门式起重机赵国君机械工业出版社
11、起重机钢结构制造工艺傅荣柏中国铁道出版社
12、SolidWorks /Pro/E软件相关教程及使用说明
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摘要
轨道式集装箱门式起重机是目前国内外非常受推崇的一种集装箱堆场机型，我国港口越来越多地选用这种机型。

本文介绍轨道式集装箱门式起重机的三大工作机构、电气设备和电气控制系统等内容，主要是集装箱门式起重机的电气控制系统的设计过程。

关键词：门式起重机，电动机，变频器，接触器，继电器
Abstract
Rail mounted container gantry crane is very popular container stack crane，and more and more port choose this crane．This paper introduces the three operating mechanism ,the electric appliance equipment and the electricity control system of rail mounted container gantry crane, and the design of electricity control system of rail mounted container gantry crane is the important content in the paper.
Key words： gantry crane, motor, converter ,circuit breaker, contactor
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目录
摘要 (1)
前言 (1)
第1章轨道式集装箱龙门式起重机 (3)
1.1 概述 (3)
1.2 特点 (6)
1.3 分类 (7)
1.4 主要技术参数 (7)
1.5 集装箱门式起重机机构 (9)
第2章门式起重机的工作机构 (11)
2.1 概述 (11)
2.2 起升机构 (11)
2.3 小车走行机构 (12)
2.4 大车走行机构 (13)
第3章门式起重机的电气设备 (16)
3.1 概述 (16)
3.2 电动机 (22)
3.3控制电器及选用 (29)
3.4 变频器的选择 (33)
3.5可编程序控制器（PLC） (42)
3.6电器保护装置及选用 (51)
3.7 导电装置以及电气电路 (53)
3.8 起重机控制站 (54)
3.9 电气设备的维护与检修 (54)
3.10机房结构概述 (55)
结语 (57)
谢词 (58)
主要参考文献 (59)
注：电气图中各种元件和电缆型号见附录1、2
前言
第二次世界大战以后，在运输业发生了一场技术革命——集装箱运输。

六十年代中期集装箱运输受到世界各国的普遍重视，从而得到了迅速发展，以形成一个完整的体系。

国际标准化组织为集装箱规定了统一的规格、重量。

为发展集装箱运输，又出现了许多种类的装卸机械，集装箱龙门起重机就是其中的一种。

集装箱龙门起重机由普通龙门起重机发展而来，是专门用来装卸集装箱的一种起重机，被广泛的用于码头、车站、货场等。

集装箱龙门起重机最早出现于1958年。

1965年以后轨道式集装箱龙门起重机有了很大的发展，随后在1971~1972年轮胎式集装箱龙门起重机又有显著的增多。

目前，国内外集装箱龙门起重机正朝着装卸自动化的方向发展，为了提高装卸效率，采用计算机控制起重机的各种动作，它可以安全、准确的将集装箱搬运到指定的位置。

随着社会生产力的发展，起重机械在不断地发展和完善。

这是因为．起重机械是物流机械化系统中的重要设备。

社会化大生产愈发展，人民生活水平愈提高，物料搬运和人员的输送量就愈大，起重机械的应用范围也就愈广泛。

根据人类生产和生活的需要．许多具有持殊用途的新型设备不断出现。

门式起重机(也称门吊)是属于桥式类型起重机的一种，由于它的金属结构象门形框架，承载主梁下安装两条文腿，可以直接在地面的轨道上走行，并且主梁两端具有悬臂梁(主梁的延长)，相似“龙门”故称为龙门起重机。

悬臂梁的作用可使起重小车在主梁上的走行距离延长，扩大作业范围。

门式起重机也是由机械传动、金属结构和电气设备三大部分组成。

机械传动部分又由起升机构、起重小车走行机构、大车走行机构等构成。

即为门式起重机的三大工作机构，它们分别实现吊装货物的上下升降，左右(横向)搬移和前后(纵向)搬运三个动作，构成一个作业区域。

任何生产机械都由原动机、传动装置、工作机构和操纵控制设备等组成。

如果以电动机作为原动机来拖动生产机械的工作机构，则它的驱动、传动装置通常称为电力拖动系统。

该系统中的电动机、控制操纵部分，电气电路和电气器件等等习惯统称电气设备。

电气设备部分主要由电动机、电器元件和电气线路等组成。

它将电力网中的电能转变为机械能，实现起重机工作的目的，同时控制各工作机构按照工作要求进行作业。

电气设备的功用主要在于：由电动机将电能转变成机械能，通过传动装置拖动工
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作机构；控制设备通过各种控制器件和电器元件用来控制电动机按工作机构的要求完成各种动作。

起重机的电气设备主要有动力设备——电动机，操作电器——磁力起动器、凸轮控制器、主令控制器、变频器、接触器、电阻器、继电器等，电气保护装置——保护箱、过电流继电器、熔断器、行程限位开关、安全保护开关等；导电装置以及电气电路——工作电路(主回路)和控制电路等组成。

集装箱门式起重机门式起重机的一种，是专门用来装卸和堆码集装箱的一种高效率装卸设备。

由于它的金属结构(骨架)也象“龙门”，与前面所介绍的普通用途的门式起重机类似，所以称为集装箱门式起重机。

集装箱门起重机根据用途的不同，有铁路货场用的，有港口码头用的。

根据结构的不同，有起升机构带刚性吊杆的和带挠性悬挂吊具；根据集装箱载重量大小可分为5吨、10吨、20吨和30.5吨几种；还有根据走行机构的不同，有轮胎式和轨道式。

谈到起重机的电气设备，必涉及起重机的电气控制的设计问题。

任何生产机械电气控制系统的设计，都包括两个方面：一是满足生产机械和工艺的各种控制要求，另一个是满足电气控制系统本身的制造、使用及维修的需要。

因此，电气控制系统设计包括原理设计和工艺设计两方面。

前者决定起重机的使用效能和自动化程度，即决定起重机设备的先进性、合理性。

后者决定电气设备生产可行性、经济性、外观等性能。

本次设计的起重机为重庆寸滩港的轨道式集装箱门式起重机，该起重机采用双主梁，跨距40.5t-40m，两端有效悬臂10m，可进行20'到40'国际标准集装箱的装卸、转运及堆放等作业，进行集装箱门式起重机电气控制部分和小车机器房部分的设计，电气控制部分采用三菱可编程控制器(PLC)控制，需画出电气原理图和电气布置，编写PLC梯形图程序，说明工作原理。

设计起重机的机器房结构，并构建实体模型，编写设计说明书。

说明书介绍了起重机的三大工作机构、常用电气设备和其电气控制部分的设计，主要内容是起重机的电气设备和电气控制系统的设计。

第1章轨道式集装箱门式起重机
1.1 概述
起重机械是一种对重物能同时完成垂直升降和水平移动的机械。

在工业和民用建筑工程中，起重机械作为主要施工机械用于建筑构件和材料在运输过程的装卸，并将构件吊到设计位置进行安装等，不仅解决了人力无法胜任的作业，而且能保证工程质量，缩短工期，降低成本，成为极其重要的建筑施工机械。

起重机械的分类：起重机械的种类很多，按使用的动力设备可分为内燃机作动力和电动机作动力两种；按起重机载荷率可分为轻型、中型、重型、特重型四类；按起重结构可分为龙门式和臂架式两类；按回转台的角度可分为全回转式和非全回转式；按行走机构的构造可分为固定式和移动式两类。

建筑施工中常用的为移动式起重机，包括：塔式起重机、汽车式起重机、轮胎式起重机、履带式起重机，以及最基本的起重机械———卷扬机等。

随着高层建筑中作为垂直运输机械而迅速发展的施工升降机也已纳入起重机械范围。

起重机械的主要性能参数包括：起重量、工作幅度、起重力矩、起升高度以及工作速度等。

一、起重量
起重量是指起重机能吊起重物的质量，其中应包括吊索和铁扁担或容器的质量，它是衡量起重机工作能力的一个重要参数。

通常称为额定起重量，用“Q”表示。

起重量的单位过去惯用“t”表示，现都用“KN”表示（10KN约等于1t）。

起重机随着工作幅度的变化，其起重量也随之变化。

因此，额定起重量有最大起重量和最大幅度起重量之分。

最大起重量是指基本起重臂处于最小幅度时所允许起吊的最大起重量；最大幅度起重量是指基本起重臂处于最大幅度时所允许起吊的最大起重量。

一般起重机的额定起重量是指基本起重臂处于最小幅度时允许起吊的最大起重量，也就是起重机铭牌上标定的起重量。

二、工作幅度
工作幅度是指在额定起重量下，起重机回转中心轴线到吊钩中心线的水平距离，通常称为回转半径或工作半径，用“R”表示，单位为“m”。

工作幅度表示起重机不移位时的工作范围，它包括最大幅度(Rmax)和最小幅度(Rmin)两个参数。

对于俯仰变幅的起重臂，当处于接近水平的水平夹角为13°时，从起重机回转中心轴线到吊钩中心线的水平距离最大，为最大幅度；当起重臂仰到最大角度（一般水平夹角为78°）
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时，回转中心轴线到吊钩中心线距离最小，为最小幅度。

对于小车变幅的起重臂，当小车行到臂架头部端点位置时，为最大幅度；当小车处于臂架根部端点位置时，为最小幅度。

起重机的起重量，随幅度变化而变化，同一台起重机，幅度不同，其起重量也不同。

对于有支腿装置的轮式起重机，还应以有效幅度A表示，即用支腿侧向工作时，在额定起重量下，吊钩中心垂线到该侧支腿中心线的水平距离。

有效幅度反映起重机的实际工作能力；没有使用支腿侧向工作时，则工作幅度用A1（单胎）或A2（双胎）表示。

三、起重力矩
起重力矩是指起重机的起重量与相应幅度的乘积，以M表示，M=RQ。

起重力矩的单位过去惯用tm表示，现都用KN m
•表示，它是起重机的综合起重能力参数，能全面和确切地反映起重机的起重能力。

塔式起重机需要经常在大幅度情况下工作，故以起重力矩作为表示型号的主参数。

塔式起重机的起重力矩，通常是指最大幅度时的起重力矩。

起重机的起重特性曲线是表示起重机的起重量与幅度关系的曲线，不同幅度有不同的额定起重量，将不同幅度和相应的额定起重量以线连接起来，可以绘制成起重特性曲线。

所有起重机的操纵台旁都有这种曲线图，使操作人员能很快地查出起重机在某一幅度时的最大起重量。

对于能配用几种不同臂长的起重机，对应每一种长度的起重臂都有其起重特性曲线。

四、起升高度
起升高度是指自地面到吊钩钩口中心的距离，用“H”表示，单位“m”，它的参数标定值通常以额定起升高度表示。

额定起升高度是指满载时吊钩上升到最高极限，自吊钩中心到地面的距离。

当吊钩需要放到地面以下吊取重物时，则地面以下深度叫下放深度，总起升高度为起升高度和下放深度的和。

对于动臂式起重机，当起重臂长度一定时，起升高度随着幅度的减少而增加，这一特性可以用起升高度曲线表示，它和起重特性曲线相对应。

五、工作速度
起重机的工作速度包括起升、变幅、回转和行走等速度。

1、起升速度起升速度是指起重吊钩上升或下降的速度，单位为“m/min”。

起重机的起升速度和起升机构的卷扬牵引速度有关，而且和吊钩滑轮组的倍率有关。

2绳比4绳快一倍；单绳双比双绳快一倍。

一般表示起升速度参数，应注明绳数。

2、变幅速度变幅速度是指吊钩从最大幅度到最小幅度的平均线速度，单位为“m/min”。

俯仰变幅起重臂的变幅速度也就是起重臂升起和降落的速度，一般落臂速度要快于升臂速度。

3、回转速度回转速度是指起重机在空载情况下，其回转台每分钟的转数，单位为“r/min”。

4、行走速度行走速度是指起重机在空载情况下，行走时最大的速度，单位为“m/min”。

六、自重及质量指标
1、自重起重机的自重是指起重机处于工作状态时起重机本身的总重，以“G”表示，单位为“t”或“KN”。

2、质量指标质量指标是指起重机在单位自重下有多大的起重能力，通常用质量利用系数K表示，它反映了起重机设计、制造和材料的技术水平，K值越大越先进。

起重机质量利用系数（2/
KN m KN
•）的表示形式是以起重力矩和与此相对应的起升
高度来表示，如下式：
QRH
K
G =。

目前集装箱堆场机械的种类很多，主要有轮胎式集装箱门式起重机、轨道式集装箱门式起重机、集装箱跨运车、集装箱正面吊运机、集装箱叉车等。

其中以轮胎式集装箱门式起重机和轨道式集装箱门式起重机为主，这两种机型可以更有效地利用场地空间。

轨道式集装箱门式起重机是最近几年才被大量应用于港口集装箱码头和集装箱货场的，但其发展迅速，已成为许多码头和货场的首选机型。

综述：
(1)、轨道式集装箱门式起重机的结构形式很多。

结构形式的选择与轨道式集装箱门式起重机的工作场地和工作性能关系密切。

在大中型集装箱码头，多采用不带悬臂的机型，这种结构形式可以获得更高的装卸效率和工作可靠性，白重更轻。

在许多中小港口、内河码头以及铁路货场等，对作业效率的要求不是很高，所以更多地选用带悬臂的机型，以提高场地利用率。

甚至选用简易集装箱吊具或可更换吊钩作业的机型，实现一机多用，降低设备投资。

(2)、轨道式集装箱门式起重机可以最大限度地实现堆场作业的自动化，也可以实现无人驾驶，而这是一般轮胎式集装箱门式起重机所不具备的。

(3)、轨道式集装箱门式起重机以电力为动力，环保性能良好，而且受日益上涨的燃油价格的影响很小。

(4)、目前英国泰晤士港集装箱码头和MorrisAutomation公司已完成了世界上第1个双提升吊具在无人驾驶全自动轨道式集装箱门式起重机上应用的试验，可同时吊运2个20ft集装箱，额定起吊能力为50t。

这是该机型向更高效率发展的一个有益探索。

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1.2 轨道式集装箱门式起重机的特点
轨道式集装箱门式起重机在我国铁路系统的应用较早，而在港口的应用只是最近十几年的事情，且先主要用于内河小型集装箱码头。

近年来，轨道式集装箱门式起重机技术发展很快，随着国际燃油价格的不断上涨，许多集装箱码头正在考虑放弃原定的轮胎式集装箱门式起重机堆场方案而改用轨道式集装箱门式起重机方案。

与轮胎式集装箱门式起重机相比，轨道式集装箱门式起重机具有以下优点：
(1)、场地利用率更高，跨中一般可堆放8一l5列集装箱加1个或多个车道，而标准的轮胎式集装箱门式起重机跨中只能堆放6列集装箱加1个车道。

(2)、定位能力好，且可以提供最迅速和最有效的集装箱存储和检索系统，易于实现堆场自动化，如果和自动搬运车或移箱输送机等配合作业，可以达到很高的作业效率。

(3)、各机构的运行速度更高，作业效率更高。

(4)、以电力为动力，无废气排放，噪声低，环保性能好。

但是，轨道式集装箱门式起重机也有许多不足，比如地面轨道安装要求较高，起重机转场困难，对于周转时间较长的堆场，设备利用率较低。

另外，起重机运行轨道的存在，使路面不再平整。

有的轨道式集装箱门式起重机还带有吊钩横梁，可以与集装箱吊具实现快速互换，以实现重大件杂货的吊装作业。

还有的轨道式集装箱门式起重机可以横跨港池或利用长悬臂装卸船舶，这在中小港口可以实现一机多用，降低设备投资。

目前，轮胎式集装箱门式起重机有一些行业性标准，国家标准正在制定过程中。

轨道式集装箱门式起重机还没有像轮胎式集装箱门式起重机那样形成完善的参数系列，轨距和外伸距等更多的是依据集装箱堆场的场地条件来确定，而这也正是轨道式集装箱门式起重机得以推广的一大优势。

1.3 轨道式集装箱门式起重机的分类
轨道式集装箱门式起重机的结构形式很多，早期有桁架结构和L型箱形单梁结构等，但目前基本上都采用箱形双梁结构形式。

轨道式集装箱门式起重机可分为不带悬臂、单悬臂和双悬臂3大类。

其中单悬臂结构形式的轨道式集装箱门式起重机主要受使用场地的限制，从结构受力角度讲并不是一种好的结构形式，使用较少。

对于带悬臂结构形式的轨道式集装箱门式起重机，又可分为门腿只需要通过20ft集装箱和门腿需要通过40ft集装箱2大类。

对于悬臂结构形式的轨道式集装箱门式起重机，根据门架是否配有马鞍架和斜拉杆，又可分为3大类，即不带马鞍架和斜拉杆；配有马鞍架和斜拉杆。

本设计轨道式集装箱门式起重机采用箱形双梁结构形式，带双悬臂。

1.4 主要技术性能参数
轨道式集装箱门式起重机的主要技术参数有起重量、起升高度、跨距和伸距、工作速度以及工作类型等。

一、起重量
轨道式集装箱门式起重机的起重量有3个指标，即额定起重量、吊具下起重量、吊钩下起重量。

目前吊具下最大起重量超过50t，但大多为30.5～42t。

本设计轨道式集装箱门式起重机的起重量为40.5t。

二、起升高度
起升高度有2种表述方法，即以“m”为单位的绝对起升高度和堆箱高度。

起重机的起升高度大多在15 m上下，目前最大的已超过20m。

从堆箱高度上讲，大多为堆3过4、堆4过5和堆5过6，目前最大的达到堆8过9。

本设计轨道式集装箱门式起重机的起升高度为20米。

三、跨距和伸距
轨道式集装箱门式起重机的跨距目前最小为15m，最大超过60m，大多在25～35m之间；起重机的工作伸距一般不超过10m。

在国外，轨道式集装箱门式起重机广泛用于内河港口，兼做装卸和堆场。

在莱茵河两岸的集装箱码头广泛采用这种机型，如曼海姆集装箱码头，装备有2台轨道式集装箱门式起重机，其中l台跨距为65m，外伸距为13m；另1台跨距为65．5m，外伸距为14.5m，起重量均为35t。

本设计轨道式集装箱门式起重机的跨距为40m,两端悬臂均长10m。

四、工作速度
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起重机的速度参数包括起升速度、小车运行速度和大车运行速度。

随着经济的不断发展和技术水平的不断提高，对起重机的速度要求也越来越高。

起升速度：Kunz公司为汉堡港制造的6台轨道式集装箱门式起重机，起升速度达到80 m/min；ZPMC等生产的轨道式集装箱门式起重机起升速度满载为40 m/min，空载为80 m/min。

小车运行速度：Noell、Kunz、ZPMC、交通部水运所等单位研制的起重机小车运行速度都达到了120m/min；国外目前最大已达到240 m/min。

大车运行速度：Kunz生产的轨道式集装箱门式起重机大车运行速度为l80 m/min。

门吊的工作速度有三种，根据起重机用途和起重量的不同而不同。

(1)、起升机构的起升速度V起，它与超重量和生产率有关，通常起重量大而起升速度低生产率高，速度可以大些；一般不超过20米/分；
(2)、起重小车走行速度V小车，—般不超过50米/分；
(3)、起重机大车走行速度V大车。

—般不超过120米/分。

本设计轨道式集装箱门式起重机：大车运行速度是30米/分，小车运行速度是60米/分，起升速度是20米/分。

五、工作类型
起重机工作类型是表明起重机工作的载荷变化和忙闲程度的参数。

载荷变化程度是起重机的实际超重量与额定起重量之间的变化关系。

有的起重机额定起重量很大，如几十吨。

但只是偶然起吊这样重的货物，经常起吊的货物重量仅是额定起重量的1/2或1/3。

忙闲程度是指超重机工作时的长短。

如有的一年内要工作7000小时，有的工作4000小时，还有2000小时、1000小时不等。

根据载荷变化程度和忙闲程度把超重机的工作类型分为四种类型：(1)轻型(JC＝15％)；(2)中型(JC＝25％)；(3)重型(JC ＝40％)；(4)特重型(JC＝60％)。