5／20龙门式起重机小车行走机构设计

摘要随着中国经济飞速发展，龙门起重机作为一种不可替代的物流机械，已经被应用于生活的各个领域。但是如何优化起重机逐渐受到人们越来越多的关注。相关的研究数据表明，起重机的优化大部分体现在主梁的优化上面。然而，起重机小车架优化程度相对来说还比较低。本文针对5/20t龙门起重机的驱动机构以及相关零件件进行了重新设计。在优化龙门式起重机小车方面，着重考虑了其重量问题。通过查阅有关龙门起重机的工作原理、发展现状以及类型特点等相关资料，重新设计了龙门起重机的构成和小车的结构，明确了设计趋势和优化方向。针对小车的部件、轴和其他零件如车轮、电机、制动器、减速器、离合器等，进行了计算和研究。最终，通过对计算参数进行调整，成功实现了小车自重较低的优化目标。为龙门式起重机小车行走机构的优化设计对物流机械行业的发展做出了一定贡献，起到了一定的推动作用。关键词：起重机；小车；运行机构

ABSTRACTWiththerapiddevelopmentofChina'seconomy,gantrycrane,asanirreplaceablelogisticsmachinery,hasbeenusedinvariousfieldsoflife.However,howtooptimizecranesisgraduallyreceivingincreasingattentionfrompeople.Therelevantresearchdatashowsthattheoptimizationofcranesismostlyreflectedintheoptimizationofthemainbeam.However,theoptimizationlevelofthecranetrolleyframeisrelativelylow.Thispaperredesignsthedrivingmechanismandrelatedpartsofthe5/20tgantrycrane.Theweightofgantrycranetrolleyisoptimized.Throughinquiringtheworkingprinciple,developmentstatusandtypecharacteristicsofgantrycrane,thecompositionofgantrycraneandthestructureoftrolley,aswellasthedesigntrendandoptimizationdirectionareredesigned.Calculationswereconductedonthecomponents,shafts,andotherpartsofthecar,includingwheels,motors,brakes,reducers,andclutches.Finally,byadjustingtheparametersinthecalculation,theoptimizationofthelowerselfweightofthecarwasachieved.Ithasmadeacertaincontributiontothedevelopmentofthelogisticsmachineryindustryandplayedacertainroleinpromotingtheoptimizationdesignofthetrolleytravelingmechanismofthegantrycrane.Keywords:crane;Trolley;runningmechanism 目录TOC\o"1-3"\h\u第1章起重机介绍 I第1章起重机介绍1.1龙门式起重机的工作原理龙门式起重机是一种具有多种功能和应用范围的起重机，它们的基本原理是通过提升机构实现起重，但随着技术的发展，现代的龙门式起重机不仅拥有更多的功能，还可以实现更多的操作，从而大大提高了起重效率。随着技术的进步，起重机构变得越来越复杂，并且不断得到改进。整个机构由装有手柄的轴与缠着一定数量吊装物体绳子的圆柱形卷筒一起组成。绳索的张力与物体的重量相等。在整个运行期间，除了摩擦阻力外，载荷力矩保持恒定。即或所以 如果想要使起重量进一步增大，那么显然需要增大或，或者适当减小。然而，握把所能带来的力受到人类体力的限制，通常接近30公斤，并受到手臂的长度影响，手臂长度约为400。钢丝绳不会造成明显的弯曲，因此卷筒的直径不能太小。总的来说，最初的起重机的承载能力有限，难以起吊非常重的货物。为了提高承载能力，人们为提高重量进行了几项改进：（1）增加了一个传动装置，在轴和手柄之间，可以将驱动扭矩传递到滚筒轴上。在这个基础上，根据转矩平衡理论，可以得出载荷力矩即所以 上式计算说明增加了传动比为的传动装置，起重量可以足足提升倍。作为起重机最为复杂的机构，传动比数值越高，其制造成本越高，传动装置的整体尺寸和净重也是限制传动比的重要因素。在发展的过程中，逐渐出现了通过滑轮组来改变传动比的方法。该方法采用一个可移动滑轮和一个固定滑轮组成的滑轮组，将钢缆固定在卷筒上，在绕过卷筒之后，逐一穿过动滑轮和定滑轮，最终固定在机架上。重物的重量将由四根钢缆一起承担，而且，即使没有外力的影响，绳索的张力也是可以忽略不计的。如果其余各量保持不变，那么，即： 安装四分支滑轮组后，承载能力增加四倍。如果滑轮组的分支数量增加，绳索长度也会增加，那么绳索磨损也会增加。该组织的复杂性将迅速增加。通常，使用滑轮组，通过使用更简单的滑轮组来减少对传动装置器的需求。将复杂而昂贵的传动装置更换为新的传动装置，以降低成本并简化结构。1.2我国起重机的发展状况各种类型的起重机可以适应数百或数千种不同的工作环境。中国政府已将起重机械列入特种设备管理范畴。在法律和安全法规几个方面已经建立了完善的体系。自20世纪50年代初起，起重机械发展至今，已经形成了相当大的生产规模和良好的技术水平作为一个相对完整的系统，目前的起重机械基本上可以满足日常生产需求，但这一巨大的前景是国家持续大力支持的结果因此，与国际标准相比，我国的起重机械大部分缺乏核心竞争力。我国与国际起重机械的区别主要体现在：整体的技术含量不高，零部件的精准度、结构材料的性能和电子控制系统水平各个方面。知名企业知名品牌非常少，基本上除徐工和振华重工，没有可以在国际市场占据一定地位的企业。国内主要的竞争手段是特许经营，制造商难以获得合理的利润，这为安全措施和研发资金提供了挑战，从而限制了安全考虑因素和新技术的改进因此，应长远考虑，在不影响公司发展的情况下增加科研支出的投入。只有掌握核心技术和科学研究，才能为公司提供反馈并实现长期发展。只有掌握核心技术和科学研究才是我们向公司提供反馈的唯一方式，实现长期发展。1.3起重机的类型及特点根据负载、搬运方法以及搬运和吊装的机构结构，起重机大致可分为三类：简单的起重机械：如起重平台、滑轮等。它们通常由工人驾驶，只从事起重作业。通用起重机械包括桥式起重机和龙门起重机。这种类型的机器不仅能够进行垂直方向的货物提升，还能够进行水平方向的货物运输和移动。

特种起重机械的结构相对复杂，可以根据不同的任务需求来调整不同的功能。例如，港口起重机就是一种典型的特种起重机械。1.4发展趋势大型化、耐用化、专用化：随着现代工业生产规模的不断增加，对各项指标和生产效率的要求越来越高货物的搬运装卸这一过程正变得越来越重要。提升效率趋于提高，并且操作频率变得越来越频繁。起重机已成为制造活动的重要组成部分，需要重型机器不仅易于操作，而且易于维护和操作。选择大型起重机时，不出故障，或者易于修理，并且低廉的修复成本已经成为首要条件。生产方式和市场需求多样化的趋势，导致起重机产品逐渐向专业化方向发展。为满足飞机保养维护需求，德玛格公司开发了一种跨度和起升高度广泛、定位精确的起重机，并在国际市场取得了广泛欢迎。针对造纸业的要求，科尼公司研制了一种带有真空吸取装置的起重机械，它能平稳搬运并精确吸附，即使对最柔软的纸卷也能做到完美无损搬运。组合化、模块化、标准化：设计具有单一功能和类似边界连接的标准模块，可由相应市场的标准模块进行配置，标准化需求可以收集在一个具有不同功能和标准化模块的单元中，这些模块可以从小系列转换为小系列，并成为一家大幅增长的大型模块生产公司相应地减产并降低了销售价格。如果你想增加或减少负载能力，你只需要购买新的模块来替换它，你就不需要再购买新的产品。

这种类型产品不仅能满足不同的市场需求，还能提高竞争力。轻型化、小型化、多样化：如今，许多起重机被用于户外车间、仓库和货场。低生产成本和较强的起重适应性已成为该产品在市场上的关键竞争力。正确降低整体高度，改进设计，降低提升能力中小型起重机发展的主要趋势是降低机器重量和轮胎压力。吊钩、车轮，采用新型高强度材料，目前使用的主要方法是使用电动葫芦作为辅助提升机构，并对提升机构中的小车框架进行紧凑设计。全面化、快速化、精确化和微机化：随着计算机的广泛普及，计算机已被广泛应用于各个领域，为各种跨学科的现代设计方式提供了肥沃的土壤。应用现代设计方式设计出的起重机质量卓越、效率高、样式新颖，尤其是应用CAD、Solidwork等软件进行三维仿真和有限元分析，使设计的安全性、可靠性和精确性达到了前所未有的高度。计算机的应用也简化了设计过程，加速了设计周期。第2章龙门式起重机介绍2.1龙门式起重机的组成龙门式起重机包括起重机驱动机构、司机室、小车架驱动机构机架、电控设备、起重装置和小车架。产生货物水平移动的是小车的移动框架和移动机构，而龙门式起重机行走机构纵向移动，起重装置使货物上下移动。

龙门式起重机和桥式起重机是目前最大的起重机。它的起重能力从三吨到五吨不等，高达一千多吨。龙门式起重机是在桥式起重机的基础上发展而来，与桥式起重机有所不同，它的框架设计使它们能够在广阔的区域和户外发挥更大的作用，也可以由设计师设计适用于复杂场地的结构，龙门式起重机机主要用于大型室内外设施。2.2起重小车的构造安全防护装置、起升机构、小车架和小车运行机构共同组成龙门式起重机小车。我国龙门式起重机小车的特点：（1）由于使用了补偿联轴器链接升降机构和操作机构，可以降低由生产而造成的偏差，避免小车框架的形变，部件之间的相对位移变小。然而，将零件分割成单独的零件可以使机构更易于安装，大大减轻了维护和维护负担。（2）在相关机构的设计中尽量使用标准零件，这不仅增加了部件的互换性，还相应地降低了维护和生产成本，不再需要将一些零件作为起重机的备件进行批量调整。（3）小框架由焊接钢板组成，底板焊接在一个小框架上。为了便于后期生产加工，最后将制动电机减速器、可拆卸轴承座等部件安装在垫圈上。（4）当物体的负载不大的情况下，大多数的传动装置都是通过减速器来实现的。但是，如果物体的负载很大，则需要使用更加先进的传动技术，例如使用一级开式齿轮。（5）滚动轴承是一种常见的机械结构，它可以将主要驱动轮和从动轮分别安装在不同的位置。通常，这些驱动轮都会配备一个带有角形轴承的箱子，以便在不同的位置进行操作。拆卸卸联轴器后，车轮离合器和轴承壳可以很容易从轨道上移动。此外，减速器也可以独自拆卸。（6）设计人员通常习惯使用经过热处理的零件来进行设计，这样可以显著提高零件表面的耐磨性，可以延长零件的使用寿命。（7）采用集中润滑系统对轴承进行润滑，可以显著降低起重机维护工作的复杂程度。起重小车需要配备与其相应的安全保护设施，其中包括必备的零部件。考虑到维修工作的安全性，针对栏杆和排障板这两个方面而言，栏杆可以为维修工作者提供支持和握紧的功能，以避免可能会发生的坠落意外。一般来说，栏杆会被放置于小车平台边缘位置。然而，在小车的另外两个侧面，依照实际需要而定，无需提供栏杆功能，这样可以方便维修人员在平台上的上下移动。在车轮的外侧，排障板被安装用于清除小车轨道上的杂物，以保证小车的安全运行。限位开关在起重设备中扮演着重要的角色，其主要功能是限制小车架和吊钩的运动范围。通过安装坠重式限位开关于卷筒旁边，可有效防止吊钩与小车架之间的碰撞事故。安装于主梁两侧的小车限位开关，在小车与限位开关相遇后，即可通过电机断电或制动等方式实现停车，但需要注意，小车在此过程中仍会前进一段距离。因此，在安装限位开关时，不仅需要考虑其位置应安装于主梁两侧，还需与挡铁留出适当距离以实现小车制动。缓冲器和挡铁是机械领域中的两种重要设备。常见的缓冲器有两种形式，其中之一是橡胶缓冲器，不耐高温和低温，其吸收动能能力有限，并且其适用于运行速度不应超过50m/min，但是其价格较低，适合于低速轻负载起重机使用。另一种是弹簧缓冲器，它的吸收能量较大，适用于高速运行，对温度要求宽泛，但其价格相对较高。2.3设计的基本原则与要求龙门起重机的设计有以下要求：（1）起重机应调整到合适的位置，起重小车应调整到与闸门相适应。为了确保小型汽车的安全运行，轨道边缘和轨道必须协调，同时，缓冲器和锁铁的位置也必须与移动限位开关一致。小车的高度很高，可以相应地降低门架。（2）小车小轮轮上的压力应均匀分布，使小轮的直径能够最大限度地节省成本，并有利于轮轴和轴承箱的合理选择。轮压均布还使主梁承受均匀的载荷，此举有助于延长小车的使用寿命。一般来说，最大车轮压力不应超过平均车轮压力的20%。（3）小车各构件间的间隙应当适度。若间隙过大，则会导致小车结构不紧凑，小车架的设计也会受到影响。而若间隙过小，则会影响维修的难度。（4）最好采用标准化零部件来设计小车各部分，这有助于日后的维护维修工作。同时，这也能降低成本，提高设计效率。

（5）在规划小车布局时，需要考虑到拆卸零部件或机构进行维护保养的需要。这意味着，在拆卸这些部件或机构时，不会影响到其他临近部件的位置。2.4优化起重机小车的趋势为了满足需求，需要对零部件进行优化，删除其中的多余部分，优化组件重量，并尽可能减少潜在重量。同时，需要删除重复部件并更新一些工艺流程，以使整个设计更加优化。此外，还需要改进组合结构，通过将整体设计分割成几个小块并将它们放置在不同的位置，以确保不会破坏其功能。

同样地，我们需要优化所使用的材料。通常情况下，采用高强度钢材取代普通钢材可以实现材料的优化，这不仅可以改善零部件的外观，而且可以显著降低总重量。此外，合金材料和铝-镁合金被广泛认为是机械轻量化应用中有前途的新材料。广泛地使用这些材料可以对起重机整体进行优化，从而产生显著积极的影响。

最终，采用镁合金铝不仅可以实现节能减排和可持续性，而且铝合金具有良好的可加工性，这使得设计和制造过程更加高效。因此，在起重机的设计和制造中，选择优质的材料，采用合理的设计和制造流程非常关键。

第3章小车行走机构设计计算3.1确定设计基本参数本文所设计小车的具体数据罗列如下：起重机工作级别为：跨度为：大车运行速度为：大车微行速度为：大车运行机构工作级别为： 小车运行机构工作级别为：小车运行速度为：小车微行速度为：主钩起升高度为：主钩额定起重量为：主起升机构工作级别为：副钩额定起重量为：副钩起升高度为：副起升机构工作级别为：3.2选定机构传动方案在查阅资料并考虑本项目起重机的设计后，选定的传动方案如图所示。图3-2-1传动方案示意图3.3选择车轮、轨道并进行验算强度假设车轮压力分布均匀，使用公式计算车轮能够承受的最大车轮压力，假设小车的重量为。由公式可得：3-1则车轮的最小轮压（空载轮压）同理可计算为： 3-2选择车轮：假如小车的速度比60m/min小，，工作级别可被定义为为中级，车轮的直径，P38型轨道，车轮压力最高是13.4t，查机械设计手册初定车轮直径为400mm。强度验证：由车轮和轨道点接触与线接触强度的差值，来推算出车轮踏面跟车轮强度的疲劳载荷：3-3车轮的材料采用，点接触局部挤压强度的相关计算：3-4式中—查手册表得许用点接触应力常数（）,；—车轮和轨道有限接触强度，查手册表得轨道P38的此数值为，；—转速系数，查机械手册图表得，当车轮的转速为的时候，；—工作级别的相关系数，查机械设计手册图表得，当为时，.，故本次计算通过了校核。接着进行点接触局部挤压强度3-5—查手册得许用点接触应力常数（），；取车轮和轨道曲率半径之和作为曲率半径的参考值，因此，我们可以得出—曲率半径—的值—由的比值（）所确定的系数，，查手册表得故上述计算出的数值通过校核。根据上述计算结果，选定直径的单轮缘车轮，型号为车轮3.4运行阻力矩计算摩擦阻力矩由下式计算： 3-6根据机械设计手册的记载，7520型的车轮组的轴承的内部及外部尺寸的平均数据如下。根据机械设计手册，获取了滚动摩擦、轴承摩擦和额外的阻力因子，将它们纳入相应的公式，就能够获取在负荷下的运行阻力矩。运行摩擦阻力：3-7当处于空载状态时：第4章电动机与减速器4.1选择并验算电动机电动机功率：4-1式中是电机满载运行时的静阻力；—机构传动的效率；—m是驱动电动机总台数。首次选择电动机的效率：4-2式中是电动机功率增大系数，查机械设计手册可查得，查机械设计手册可得到：,,,；电机的总质量为：实际功率： 式中为电动机机构运转时间率为25%的工作级别系数，查手册得，当时，；—查机械设计手册表可得，查图可得。，故上述计算所选择的电动机发热条件通过相关验算。4.2选择减速器车轮的转速可通过下列式子计算为：机构传动比为：查手册选用；；（当输入轴转速为1000/min时），4.3验算运行速度和实际所需功率实际运行速度：误差：故符合要求电动机实际所需要的等效功率为：故符合要求。4.4按起动工况校核减速器功率起动状况减速器传递的功率：4-3式中为计算载荷在相同的操作系统中，每个级别的减速器的数量是多少？所选用的减速器的，故合格。4.5验算起动时间计算起动时间如下：4-4式中，—驱动电动机台数；当电动机处于满载状态时，其轴上的静止阻力矩将会发生变化。当电动机处于空载状态时，其运行静阻力矩可以通过以下方式计算：经过精确估算，制动轮和联轴器的飞轮扭矩可达到最优水平。机构总飞轮矩：电动机在满载时候的起动时间：电动机在空载时候的起动时间：查机械设计手册得，当时，推荐值为5.5s故所选择电动机能满足快速起动的要求。4.6验算起动不打滑条件由于起重机的安装位置位于室外，因此无需考虑风阻和斜坡的影响，而是仅需要考虑两种情形：空载和满载。此外，当起重机刚刚开始运转的情况下，其主动车轮和轨道之间的圆周切向力也将会发生变化。4-5车轮与轨道的粘着力：，4-6故可能打滑。采取的措施：增加启动电流，延长空载状态下的启动时间。当发动机运转时，驱动轮和履带之间的圆周切向力将发生变化。4-7车轮与轨道的粘着力：由于它在满载启动时不会滑动，因此选择的电动机是合适的。第5章制动器与联轴器5.1选择制动器根据机械设计手册的记载，为了确保小车的安全行驶，需确定制动转矩，以确保其制动时间的准确性。5-1查询设计手册选用型制动器，其制动转矩为112-225Nm,取由于制动器的制动力矩远大于所需的制动力矩，所以不再计算。5.2选择轴联轴器及制动轮高速轴联轴器计算转矩：5-2式中—为电动机在额定功率下工作所具有的转矩；—联轴器的安全系数，运行机构；—机构刚性的动载系数，，取。由机械设计手册查得电动机两端伸出轴各为圆柱形，。减速器高速轴端为圆柱形，。故选择鼓形齿式联轴器，主动端A型键槽；；从动端A型键槽；。标记为：联轴器。其公称转矩飞轮矩，质量高速轴端制动轮：滚轮制动器已经选定，由手册选制动轮直径，圆柱形轴孔，，标记为：制动轮，其飞轮矩，质量以上所有联轴器与制动飞轮矩的计算总和：计算开始时的估计值之间的差异非常小，因此不会对上述计算进行更改。低速轴离合器计算扭矩，按前面计算转矩来求出：减速器的轴是一个圆柱形，因此采用两个鼓形齿式联轴器来连接它们。这两个联轴器的主要部分分别是Y型轴孔和A型键槽，而从动部分则是Y型轴孔和A型键槽，并且将它们的名称进行了标注。联轴器前面选定车轮直径，由手册查询数据，取车轮轴安装联轴器处直径，，选用两根据手册中的信息，确定车轮的直径，并在联轴器上进行测量，最终确定两个鼓形齿式联轴器。它们的主轴上有Y型轴孔和A型键槽，而从轴上有Y型轴孔和A型键槽，并将它们分别进行了标注。为：联轴器5.3验算低速轴强度由运行机构疲劳来对基本载荷进行计算：5-3根据之前的计算，可以确定浮动轴的端部直径，并计算出扭转应力。5-4根据机械设计手册的规定，允许的扭转应力为：。故验算通过强度验算运行就够工作最大载荷：在这个式子中，—是用来衡量弹性振动引起的力矩增大系数的，因此，在这里，选择一个中间值；—刚性情况下动载系数，取；最大扭转应力：许用扭转应力：故验算通过。浮动轴直径：，取

总结通过分析龙门式起重机小车的工作原理、类型和发展形式，本文发现，我国龙门式起重机小车的行走机构优化程度不如国外。同时，国外起重机的驱动机构已经初步取得了优化的成效。因此，本文选择轻量化方向，对5/20吨门式起重机小车的行走机构进行设计，并在其中加入了部分轻量化的改动。小车行驶路程28米，运行速度10m/min确定小车为电驱动。由于起重机的安装位置位于室外，因此无需考虑风阻和斜坡的影响，而是仅需要考虑两种情形：空载和满载。增加启动电流，延长空载状态下的启动时间，消除满载时的车轮打滑。优化小车行走时做功。采用高强度钢材，以确保小车行走机构良好的承载能力和耐用性。借助传动的设计方法所得到的数据，通过略微调整以最大化各个参数的效用，同时确保安全。这一系列措施最终成功降低了起重小车的重量，同时也实现了略微的成本节约。通过合理的结构设计和选用高强度钢材，使行走机构能够承载更大的重量，同时提高耐久性，延长使用寿命。采用多点支撑设计和加强机构稳定性，使行走过程更加平稳可靠，同时配备安全保护装置，提高使用安全性。采用现代控制技术，实现行走机构的自动化控制，提高运行效率和灵活性，满足不同场合的需求。参考文献[1]\t":81/kns/brief/knet"孟庆国，\t":81/kns/brief/_blank"门式起重机安装时的结构加强研究[J].机械工程师，2019.[2]\t":81/kns/brief/knet"刘庆渔.\t":81/kns/brief/_blank"20t铁路A型门式起重机改造方案及应用[J].铁道货运，2017.[3]吴世新，王霞，闫梦.单主梁门式起重机倒挂式下小车结构设计.[J].起重运输机械，2016.[4]娄凯明．起重机抗倾覆稳定性分析［J］．研究与探索·监测与诊断，2019．[5]金梅珍．桥式双梁起重机小车车架轻量化研究［J］．机械研究与应用，2010(5)[6]栗园园，程文明，刘标．小车轨道对门式起重机金属结构影响的理论分析及有限元验证［J］．起重运输机械，2010（1