1、 江苏师范大学连云港校区 海洋港口学院 课程设计报告书 课程名称 单片机课程设计 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 12 港口机械 学 号 姓 名 指导教师 邓 睿 2015 年 06 月 12 日 I 摘 要 在门座式起重机的设计过程中，首先综合介绍了门座式起重机的特 点、分类、结构以及其现况及发展前景。接下来确定总体方案，画出门座式起动机的机构简图，并对各个执行机构的主要参数进行计算。在起重机的重要部分起升机构的设计中，重点是确定相应吨位的吊钩、钢丝绳，卷筒的尺寸计算及电动机、减速器、制动器等的选择。最后的门座式起重机的变幅机构设计分为臂架设计和驱动机构设计，臂架是采用优化设计的方法
2、来做的，通过 Matlab 软件得出结果。 关键词 ： 门座式起重机，起升机构，变幅机构，优化设计 II 目 录 第 1 章 绪论 1 1.1 门座式起 重机的综合评述 1 1.1.1 门座式起重机的特点及分类 1 1.1.2 门座式起重机的结构 1 1.1.3 门座式起重机的现状及发展趋势 2 1.2 设计任务与设计要求 2 1.2.1 设计任务 2 1.2.2 设计要求 2 第 2 章 总体方案的确定 4 2.1 起重机总体机构的确定 4 2.2 起重机执行机构的确定 5 2.2.1 起升机构 5 2.2.2 变蝠机构 5 2.2.3 回转机构 6 2.2.4 行走机构 6 2.3 门座式
3、起重机的基本参数 6 2.3.1 起重量 6 2.3.2 起升高度 6 2.3.3 幅度 7 2.3.4 工作速度 7 2.3.5 工作类型 7 2.3.6 轨距 8 2.3.7 轮压 8 2.3.8 外形尺寸 8 第 3 章 起升机构的设计计算 9 3.1 卷绕系统 9 3.2 吊钩的选择 10 3.3 钢丝绳的计算 11 3.4 卷筒的计算 12 III 3.4.1 卷筒的直径 12 3.4.2 卷筒的长度 12 3.4.3 卷筒的壁厚及校核 13 3.5 电动机的选择 13 3.6 减速器的选择 14 3.7 静力矩的计算 15 3.8 制动器的选择 15 3.9 起、制动时间的验算 1
4、5 3.9.1 起动时间的验算 15 3.9.2 制动时间的验算 16 3.10 发电机的发热验算 16 第 4 章 变幅机构的设计计算 18 4.1 臂架系统的设计计算 18 4.1.1 门座式起重机变幅机构优化模型 19 4.1.2 优化模型的简化 21 4.1.2.1 设计变量 23 4.1.2.2 目标函数 23 4.1.2.3 约束条件 24 4.1.4 算法与结论 24 4.2 变幅驱动机构 26 4.2.1 变幅机构的已知参 数 27 4.2.2 传动效率 28 4.2.3 螺杆等效作用力 29 4.2.4 电动机功率的确定 30 结论 31 参考文献 32 致谢 33 附录 3
5、4湖南工业大学本科毕业设计（论文） 1 第一章 绪论 1.1 门座式起重机的综合评述 1.1.1 门座式起重机的特点及分类 门座式起重机是一种重要而又具有代表性的旋转类型运动式起重机，他因具有能让运输车顺利通过的门架结构而得名。 门形座架的 4 条腿构成 4 个 “门洞 ”，可供铁路车辆和其他车辆通过 。现代门座式起重机广泛应用于港口、码头货物的机械化装卸，造船厂船舶的施工、安装以及大型水电站工地的 建坝工程中，对于减轻繁重的体力劳动，改善工人的操作条件，提高劳动生产率都具有很大的意义，是实现生产过程机械化不可缺少的重要设备。 门座起重机有各种分类方法，根据结构型式的不同，可分为不同的类 型。
6、 以门架的结构型式为主要 标志 ， 门 座起重机可以分为全门座起重机和半门座起重机 。 以上部旋转部分相对下部运行部分旋转的支承装置的结构型式为主要标志，门座起重机可以分为转 柱 式门座起重机 、 定柱式门座起重机 、 大轴承式门座起重机 、转盘式们座式起重机。 根据用途和使用场合的不同，门座起重机可以分为港口用门座起重机、造船用门座起重机和建 筑用门座起重机 。 1.1.2 门座式起重机的结构 门座起重机的构造大体上可以分为两大部分，即上部旋转部分和下部运行部分。上部旋转部分相对下部运行部分可以实现整周旋转，它包括壁架系统、人字架、旋转平台、司机室等，同时还装有起升机构、变幅机构和旋转机构。
7、 通过起升、变幅、旋转三种运动的组合可以在一个环形圆柱体空间实现物品的升降。 下部运行部分主要由门架和运行机构组成。根据所用门座起重机的工作条件的不同，门架一般可以跨越 1-3条铁路，其静空尺寸应满足车辆顺利通行要求。门架底部装有行走车轮或运行台车，运行机构使整台起重 机可以沿地面或建筑的轨道运行。为了防止起重机在风力作用下滑行，在运行部分装有防风抗滑装置 。 门座式起重机一般通过电缆卷筒或地沟滑触线供电，采用电力直接驱动，只有当电力供应无法解决时才考虑采用蒸汽发电或柴油发电等复合驱动装置。 门座起重机具备起重机的起升、变幅、旋转、运行四大机构，是一种具有代表性的典型的起重机构造形式。通过起升
8、、变幅、旋转、运行四个机构的协调动作（通常是 2-3 个机构同时工作）来实现物品的升降、转载，并可根据需要，沿运行轨道从一个地点运行到另一个工作地点 。 湖南工业大学本科毕业设计（论文） 2 1.1.3 门座式起重机的现状及发 展趋势 门座 式 起重机是随着港口事业的发展而发展起来的 ， 1890 年 ,第一次将幅度不可变的固定式可旋转臂架型起重机装在横跨于窄码头上方的运行式半门座上，成为早期的港用半门座起重机 ， 随着码头宽度的加大 ,门座和半门座起重机并列发展，并普遍采用俯仰臂架和水平变幅系统。第二次世界大战后，港用门座起重机迅速发展为便于多台起重机对同一条船进行并列工作 ,普遍采用了转动
9、部分与立柱体相连的转柱式门座起重机 ,或转动部分通过大轴承与门座相连的滚动轴承式支承回转装置 ,以减小转动部分的尾径 ,并采用了减小码头掩盖面的门座结构。在发展过程中 ，门座起重机还逐步推广应用到作业条件与港口相近的船台和水电站工地等处 。 经过几十年的发展，我国 门座 式起重机行业已经形成了一定的规模，市场竞争也越发激烈。面对竞争与市场的变化和挑战，近一两年来，起重机厂家在扩大产能方面投入很大，有的企业已经收到了显著的效果，市场占有率进一步提高。我国 门座 式起重机产品的技术水平在不断提高，但是与国际水平还有一定距离， 扩大生产规模，提高产量的同时，做到技术水平的提升，将会为增强我国 门座
10、式起重机行业的竞争力。 我国起重机工业有很大的发展潜力，前景很好，但同时我国起重行业目前存在的几个突出问题： 1、整体技术含量偏低，突出表现在产品的品种规格少，性能、可靠性等指标低于发达国家同类产品的水平。 2、知名品牌寥寥无几，能打入国际市场并享有一定声誉的知名品牌几乎没有。 3、产品低价恶性竞争严重，企业合理利润难保，已严重制约企业生产技术的持续发展 。 1.2 设计任务与设计要求 1.2.1 设计任务 门座式起重机是一种重要而又具有代表性的旋转类型运动式， 稳定性好，适用范围广的货物举升设备 。其结构 包括壁架系统、人字架、旋转平台、司机室等，同时还装有起升机构、变幅机构和旋转机构 。
11、基本参数：起重量 Q=80t，起升高度 H=55m（其中轨上 45m，轨下 10m），起升速度 v=8m/min，机构接电持续率 JC%=25%，起升滑轮组倍率 m=4，吊具与钢丝绳重量取 G=5t。 1.2.2 设计要求 主要设计门座式起重机的起升机构和变幅机构，要求如下 1、 设计的起重机能够满足使用功能要求，安全可靠，结构合理，操作使用方便 ； 2、工作机构、传动及控制方案合理可行； 湖南工业大学本科毕业设计（论文） 3 3、设计计算正确，标准件及设备选型合理； 4、图纸绘制要符合国家标准，布图合理，图面整洁、美观； 。 湖南工业大学本科毕业设计（论文） 4 第二章 门座式起重机的总体设
12、计 2.1 起重机总体机构的确定 门座起重机的构造大体上可以分为两大部分，即上部旋转部分和下部运行部分。上部旋转部分相对下部运行部分可以实现整周旋转，它包括壁架系统、人字架、旋转平台、司机室等，同时还装有起升机构、变幅机构和旋转机构。 通过起升、变幅、旋转三种运动的组合可以在一个环形圆柱体空间实现物品的升降。 下部运行部分主要由门架和运行机构组成。根据所用门座起重机的工作条件的不同，门架一般可以跨越 1-3条铁路，其静空尺寸应满足车辆顺利通行要求。门架底部装有行走车轮或运行台车，运行机构使 整台起重机可以沿地面或建筑的轨道运行。为了防止起重机在风力作用下滑行，在运行部分装有防风抗滑装置 。 下
13、图为门座式起重机的结构简图。 图 2-1 起重机简图 湖南工业大学本科毕业设计（论文） 5 2.2 起重机执行机构的确定 执行机构是为实现起重机不同的运动要求而设置的。起重机要实现重物的垂直运动和沿俩个水平方向的运 动，必须设置相应的工作机构。门座式起重机一般设有起升机构、变幅机构、回转机构、行走机构。依靠起升机构实现重物的垂直上下运动；依靠变幅机构和回转机构实现重物的俩个水平方向的移动；依靠行走机构实现重物在起重机能及的范围内任意空间运动和使起重机转移工作场所。 2.2.1 起升机构 起升机构是起重机最主要的机构。它是有原动机、卷筒、钢丝绳、滑轮组、和吊钩组成。原动机的选择运动，通过卷筒 钢
14、丝绳 滑轮组机构变为吊钩的上下运动。起重机因起动形式的不同，驱动卷筒的原动机可为电动机，可为液压马达，也可为机械传动中某一主 动轴。当原动机为电动机或液压马达时，应通过减速器改变改变原动机的扭矩和转速。为了提高下降速度，起升机构往往设置离合器，使卷筒脱开原动机动力，使重物自重作用下方向旋转，让重物或空钩自由下降。 大型起重机往往备有俩套起升机构，吊打重量的称为主起升机构或主钩，吊小重量的的称为副起升机构或副钩。负钩的起重量一般为主钩的 1/51/3 或更少。 为使重物停止在空中某一位置或控制重物的下降速度，在起升机构中必须设置制动器或停止器等控制装置。 2.2.2 变幅机构 起重机变幅是指改变
15、吊钩中心与起重机回转中心轴线的距 离，这个距离称为幅度。用来改变幅度的机构，称为起重机的变幅机构。起重机由于能变幅，这就扩大了作用范围，即有垂直上下的直线作用范围扩大为一个面的作用范围。 不同类型的起重机，变幅型式也不同。 门 座式 起重机的变幅工序都可以在带裁条件下进行，而且变幅过程是每一工作用期中的主要工序之一，因此它的变幅机构 是 工作性变幅机构。工作性变幅机构可使物品绕起重机的旋转轴线 作 径向水平移动，以扩大起重机的服务面和提高工作机动性。其主要特征是变幅 频繁 ，变幅速度对装卸生产 率 有直接影响，变幅阻力较大 (带栽变幅 )。在 装 卸类型起重机中，一股 应采用较高的变幅速度以提
16、高装卸生产率。 现代的门座起重机都采用摆动臂架式变幅。在摆动臂架式变幅机构中，幅度的改变是靠动 臂 在垂直平面内绕其铰铀摆动来达到的。 在现代生产中大多要求实现工作性带载变幅。为了尽可能降低变幅机构的驱动功率和提高机构的操作性能，目前普遍采用下述两项措施： 载重水平位移：为使物品在变幅过程中沿着水平线或接近水平线的轨迹运动，采用物品升降补偿装置。 湖南工业大学本科毕业设计（论文） 6 臂绍自重平衡；为使臂架装置的总重心的高度在变幅过程中不变或变化较小，采用 臂 架平衡系统 。 2.2.3 回转机构 起重机的一部分（一般指上车部分或 旋转部分）相对于另一部分（一般指下车部分或非旋转部分）作相对的
17、旋转运动称为回转。为实现起重机的回转运动而设置的机构称为回转机构。 回 转机构包括支承装置和驱动机构两部分。旋转支承装置为起重机旋转部分提供稳固的支承，并将来自旋转部分的压力传递给门架。驱动机构则用来驱动旋转部分相对于门架实现回转。旋转机构的作用是绕起重机的垂直轴线在水平平面内沿圆弧弧线运移物品，当旋转与变幅配合动作时，起重机的服务范围将是一个以最小和最大幅度为内外半径的因环面。 2.2.4 行走机构 运行机构的作用是用来改变 门 座起重机的工作位置， 从而达到在水平方向移动物品或改 变起重机 工作范闲的目的。门座起重机是有轨远行式赵重机，它只能沿着专门铺设的轨道运 行。 根据零 部件的功用，
18、远行机构的组成 可 以分为运行支承 装置 、远行驱动装置和运行安 全装置三 部分 。 2.3 门座式起重机的基本参数 门座起重机的基本参数有起重量、起升高度、幅度、工作速度、工作类型、 轨距 、轮压、外形尺寸等。这些参数是表征门座起重机性能的主要指标，也是进行起 重 机设计工作的技术依据。 2.3.1起重量（ Q） 门座起重机的起重量 (额定起重量 )是指起重机容许起吊的最大贷物重量和取物装置 (吊钩装置 除外 )的重量之和。起重量的单位是吨 (t)。门座起重机起重量的标准系列如下 表 1 1 表 2-1 门座式起重机起重量系列 T 3 5 10 16 25 40 63 100 160 本次设计的起重量为 80吨 2.3.2 起升高度（ H） 门座起重机的起升高度一船是指从运行 轨道 面向上到取物装置的上极限位置之间的垂直距离。起升高度的单位是米 (m)。对于吊钩装置，取吊钩钧环中心计算；对于抓
