【文章內(nèi)容簡介】 ces. The crane loads vary from time to time, so it is a periodic operational machine. A crane contains three major parts, mechanic ponents, a metal structure, and electrical devices. A crane’s mechanical movements are multiactions, such as raising, running, and rotating. This paper is main deal with mechanical design for the moving mainframe of bridge crane, including all design calculation selection of electrical motors, clutch, buffer, and brakes, the design and calculation of the mainframe reducer, calibration and verification of the calculation for the parts, and structure designs. Through a series of work, the design is satisfied with the functional requirments, 250 ton lifting power and 20 metre bridge span. The course of drive is quite smooth. The mechanical structure of the mainframe is simple, easy to install/disassemble, and maintain. And it has low cost. KEY WORDS bridge crane, mechanism design, calculate, proofread 56 噸橋式起重機(jī)的設(shè)計(jì) 1 1 橋式起重機(jī)概述 起重機(jī)的發(fā)展史 中國古代灌溉農(nóng)田用的桔槔是起重機(jī)的雛形。在古代已經(jīng)有起升和移動(dòng)重量較大的物品的需要，因此就采用起重裝置來進(jìn)行這個(gè)工作。在公元前五千年到四千年的新石器時(shí)代的末期，我國古代勞動(dòng)人民己能開鑿和搬運(yùn)巨石到遠(yuǎn)處，砌成石棺石臺等來埋葬和紀(jì)念死者。在商朝（公元前 1765 到 1760 年之間），我國勞動(dòng)人民就用了汲水的桔槔（一種用杠桿、對重和取物裝置組成的起重裝置）。以后到公元前 1115 年至 1079 年之間，又有轆櫨的發(fā)明。在古埃及建造金宇塔時(shí)，廣泛采用滾子、斜面和杠桿來起升大石塊、石碑和雕像，這些物品的重量有的甚至達(dá)到 1000 噸。那時(shí)候起重機(jī)械都是人力驅(qū)動(dòng)。公元前 120 年，在蓋隆的著作中描述了幅度不變的起重機(jī)和幅度可變的起重機(jī)。在這些書籍中記載了下列零部件的采用：自鎖式渦輪傳動(dòng)裝置、齒輪、起重卷筒等。 工業(yè)中蒸氣機(jī)的出現(xiàn)大大地推動(dòng)了起重機(jī)械的發(fā)展和改善。 1827 年，出現(xiàn)了第一臺用蒸氣驅(qū)動(dòng)的固定式旋轉(zhuǎn)起重機(jī)。 1846 年，第一次制成了用液力驅(qū)動(dòng)的起重機(jī)。工業(yè)中電力驅(qū)動(dòng)的出現(xiàn)，是起重機(jī)械進(jìn)一步蓬勃發(fā)展的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。 1880年，出現(xiàn)了第一臺用電力驅(qū)動(dòng)的載客升降機(jī)。 1885 年制成了電力驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)起重機(jī)。接著制成電力驅(qū)動(dòng)的橋式起重機(jī)和門座起重機(jī)。 隨著冶金工業(yè)、采礦工業(yè)、機(jī)器制造業(yè)、海港和內(nèi)河碼頭的裝備和建筑工程等發(fā)展，起重機(jī)械的品種和參數(shù)都大大擴(kuò)大。機(jī)械制造已經(jīng)成長成一門獨(dú)立的機(jī)械制造部門第二次世界大戰(zhàn)以后的幾十年，起重機(jī)械獲得極其迅速的發(fā)展高，起重機(jī)的質(zhì)量、產(chǎn)量和品種得到大大的發(fā)展。例如，由于焊接技術(shù)的發(fā)展，箱形結(jié)構(gòu)的橋式起重機(jī)得到廣泛的應(yīng)用，由于金屬材料的改善和加工技術(shù)的改進(jìn)，起重機(jī)零部件的壽命也提髙，由于電機(jī)和控制技術(shù)的發(fā)展，大大提高了起重機(jī)電力驅(qū)動(dòng)的品質(zhì)和自動(dòng)化水平。 我國已經(jīng)建立能獨(dú)立制造各種起重機(jī)的工業(yè)體系。對橋式起重機(jī)、汽車起重機(jī)、門座起重機(jī)和塔式起重機(jī)等已具有批量的生產(chǎn)能力。但是，即使已經(jīng)取得了很大的成績，但在今后相當(dāng)長時(shí)期里，要抓好起重機(jī)的質(zhì)量和產(chǎn)量，抓好各個(gè)環(huán)節(jié)，如原材料、基本零部件以及生產(chǎn)管理等環(huán)節(jié)，使我國起重機(jī)質(zhì)量和產(chǎn)量達(dá)到國際先進(jìn)水平。 橋式起重機(jī)的發(fā)展趨勢 56 噸橋式起重機(jī)的設(shè)計(jì) 2 （ 1）大型化和專用化。由于生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)效率日益提高，以及產(chǎn)品生產(chǎn)過程中物料裝卸搬運(yùn)費(fèi)用所占比例逐漸增加，促使大型或高速起重機(jī)的需求量不斷增長。起重量越來越大，工作速度越來越高，并 對能耗和可靠性提出更高的要求。起重機(jī)已成為自動(dòng)化生產(chǎn)流程中的重要環(huán)節(jié)。起重機(jī)不但要容易操作，容易維護(hù)，而且安全性要好，可靠性要高，要求具有優(yōu)異的耐久性、無故障性、維修性和使用經(jīng)濟(jì)性。目前世界上最大的浮游起重機(jī)起重量達(dá) 6500t，最大的履帶起重機(jī)起重量達(dá) 3000t，最大的橋式起重機(jī)起重量為 1200t，集裝箱岸邊裝卸橋小車的最大運(yùn)行速度已達(dá) 350m/min，堆垛起重機(jī)最大運(yùn)行速度是 240m/min，垃圾處理用起重機(jī)的起升速度達(dá) 100m/min 。工業(yè)生產(chǎn)方式和用戶需求的多樣性，使專用起重機(jī)的市場不斷擴(kuò)大， 品種也不斷更新，以特有的功能滿足特殊的需要，發(fā)揮出最佳的效用。例如冶金、核電、造紙、垃圾處理的專用起重機(jī)，防爆、防腐、絕緣起重機(jī)和鐵路、船舶、集裝箱專用起重機(jī)的功能不斷增加，性能不斷提高，適應(yīng)性比以往更強(qiáng)。 （ 2）模塊化和組合化。模塊化設(shè)計(jì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的整機(jī)設(shè)計(jì)方法，將起重機(jī)上功能基本相同的構(gòu)件、部件和零件制成有多種用途，有相同聯(lián)接要素和可互換的標(biāo)準(zhǔn)模塊，通過不同模塊的相互組合，形成不同類型和規(guī)格的起重機(jī)。對起重機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，只需針對某幾個(gè)模塊。設(shè)計(jì)新型起重機(jī)，只需選用不同模塊重新進(jìn)行組合?？墒箚渭∨可a(chǎn)的起 重機(jī)改換成具有相當(dāng)批量的模塊生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)高效率的專業(yè)化生產(chǎn)，企業(yè)的生產(chǎn)組織也可由產(chǎn)品管理變?yōu)槟K管理。達(dá)到改善整機(jī)性能，降低制造成本，提高通用化程度，用較少規(guī)格數(shù)的零部件組成多品種、多規(guī)格的系列產(chǎn)品，充分滿足用戶需求。 目前，德國、英國、法國、美國和日本的著名起重機(jī)公司都已采用起重機(jī)模塊化設(shè)計(jì)，并取得了顯著的效益。德國德馬格公司的標(biāo)準(zhǔn)起重機(jī)系列改用模塊化設(shè)計(jì)后，比單件設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)費(fèi)用下降 12%，生產(chǎn)成本下降 45%，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。德國德馬格公司還開發(fā)了一種 KBK 柔性組合式懸掛起重機(jī)，起重機(jī)的鋼結(jié)構(gòu)由冷軋型 軌組合而成，起重機(jī)運(yùn)行線路可沿生產(chǎn)工藝流程任意布置，可有叉道、轉(zhuǎn)彎、過跨、變軌距。所有部件都可實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，再根據(jù)用戶的不同需求和具體物料搬運(yùn)路線在短時(shí)間內(nèi)將各種部件組合搭配即成。這種起重機(jī)組合性非常好，操作方便，能充分利用空間，運(yùn)行成本低。有手動(dòng)、自動(dòng)多種形式，還能組成懸掛系統(tǒng)、單梁懸掛起重機(jī)、雙梁懸掛56 噸橋式起重機(jī)的設(shè)計(jì) 3 起重機(jī)、懸臂起重機(jī)、輕型門式起重機(jī)及手動(dòng)堆垛起重機(jī)，甚至能組成大型自動(dòng)化物料搬運(yùn)系統(tǒng)。 （ 3）輕型化和多樣化。相當(dāng)批量的起重機(jī)是在通用的場合使用，工作并不很繁重。這類起重機(jī)批量大、用途廣，考慮綜合效益，要 求起重機(jī)盡量降低外形高度，簡化結(jié)構(gòu)，減小自重和輪壓，也可使整個(gè)建筑物高度下降，建筑結(jié)構(gòu)輕型化，降低造價(jià)。因此電動(dòng)葫蘆橋式起重機(jī)和梁式起重機(jī)會有更快的發(fā)展，并將大部分取代中小噸位的一般用途橋式起重機(jī)。德國德馬格公司經(jīng)過幾十年的開發(fā)和創(chuàng)新，已形成了一個(gè)輕型組合式的標(biāo)準(zhǔn)起重機(jī)系列。起重量為 163 噸，工作級別為 A1A7，整個(gè)系列由工字形和箱型單梁、懸掛箱形單梁、角形小車箱形單梁和箱形雙梁等多個(gè)品種組成。主梁與端梁相接以及起重小車的布置有多種型式，可適合不同建筑物及不同起吊高度的要求。根據(jù)用戶需要每種規(guī)格起重機(jī) 都有三種單速及三種雙速供任意選擇，還可以選用變頻調(diào)速。操縱方式有地面手電筒門自行移動(dòng)、手電筒門隨小車移動(dòng)、手電筒門固定、無線遙控、司機(jī)室固定、司機(jī)室隨小車移動(dòng)、司機(jī)室自行移動(dòng)等七種選擇。大車及小車的供電有電纜小車導(dǎo)電、 DVS 系統(tǒng)兩種方式。如此多的選擇項(xiàng)，通過不同的組合，可搭配成百上千種起重機(jī)，充分滿足用戶不同的需求。這種起重機(jī)的另一最大優(yōu)點(diǎn)是輕型化，自重輕、輪壓輕、外形尺寸高度小，可大大降低廠房建筑物的建造成本，同時(shí)也可減小起重機(jī)的運(yùn)行功率和運(yùn)行成本。與通用產(chǎn)品相比較，起重量為 10t，跨度，通用雙梁橋式起重機(jī)自重是 24t，起重機(jī)軌面以上高度 1876mm，起重機(jī)寬度 5980mm。 德馬格起重機(jī)的自重只有 ，重量輕 12%，起重機(jī)軌面以上高度為 920mm，降低了 32%，起重機(jī)寬度為 2980mm，外形尺寸減少了 16%。 （ 4）自動(dòng)化和智能化。起重機(jī)的更新和發(fā)展，在很大程度上取決于電氣傳動(dòng)與控制的改進(jìn)。將機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)相結(jié)合，將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、光纜技術(shù)、液壓技術(shù)、模糊控制技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械的驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)的自動(dòng)化和智能化。大型高效起重機(jī)的新一代電氣控制裝置已發(fā)展為全電子數(shù)字化控制系統(tǒng)。主要由全數(shù)字化控制驅(qū)動(dòng)裝置、可編程式控制器、故障診斷及數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、數(shù)字化操縱給定檢測等設(shè)備組成。變壓變頻調(diào)速、射頻數(shù)據(jù)通訊、故障自診監(jiān)控、吊具防搖的模糊控制、激光查找起吊物重心、近場感應(yīng)防碰撞技術(shù)、現(xiàn)場總線、載波通訊及控制、無接觸供電及三維條形碼技56 噸橋式起重機(jī)的設(shè)計(jì) 4 術(shù)等將廣泛得到應(yīng)用。使起重機(jī)具有更高的柔性，以適合多批次少批量的柔性生產(chǎn)模式，提高單機(jī)綜合自動(dòng)化水平。 重點(diǎn)開發(fā)以微處理機(jī)為核心的高性能電氣傳動(dòng)裝置，使起重機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速和靜動(dòng)特性， 可進(jìn)行操作的自動(dòng)控制、自動(dòng)顯示與記錄，起重機(jī) 運(yùn)行的自動(dòng)保護(hù)與自動(dòng)檢測，特殊場合的 遠(yuǎn)距離遙控等，以適應(yīng)自動(dòng)化生產(chǎn)的需要。例如采用激光裝置查找起吊物的重心位置，在取物裝置上裝有超聲波傳感器引導(dǎo)取物裝置自動(dòng)抓取貨物。吊具自動(dòng)防搖系統(tǒng)能在運(yùn)行速度 200m／ min 的情況下很快使起吊物搖擺振幅減至幾個(gè)毫米。起重機(jī)可通過磁場變換器或激光達(dá)到高精度定位。起重機(jī)上安裝近場感應(yīng)系統(tǒng)，可避免起重機(jī)之間的互相碰撞。起重機(jī)上還安裝了微機(jī)自診斷監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能提供大部分常規(guī)維護(hù)檢查內(nèi)容，如齒輪箱油溫、油位，車輪軸承溫度，起重機(jī)的載荷、應(yīng)力和振動(dòng)情況，制動(dòng)器摩擦襯片的壽命及 溫度狀況等。 （ 5）成套化和系統(tǒng)化。在起重機(jī)單機(jī)自動(dòng)化的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算機(jī)把各種起重運(yùn)輸機(jī)械組成一個(gè)物料搬運(yùn)集成系統(tǒng)，通過中央控制室的控制，與生產(chǎn)設(shè)備有機(jī)結(jié)合，與生產(chǎn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合。這類起重機(jī)自動(dòng)化程度高，具有信息處理功能，可將傳感器檢測出來的各種信息實(shí)施存儲、運(yùn)算、邏輯判斷、變換等處理加工，進(jìn)而向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制指令。這類起重機(jī)還具有較好的信息輸入、輸出界面，實(shí)現(xiàn)信息全部、準(zhǔn)確、可靠地在整個(gè)物料搬運(yùn)集成系統(tǒng)中的傳輸。起重機(jī)通過系統(tǒng)集成，能形成不同機(jī)種的最佳匹配和組合，取長補(bǔ)短，發(fā)揮最佳效用。目前重點(diǎn)發(fā)展的有 工廠生產(chǎn)搬運(yùn)自動(dòng)化系統(tǒng)，柔性加工制造系統(tǒng)，商業(yè)貨物配送集散系統(tǒng)，集裝箱裝卸搬運(yùn)系統(tǒng)，交通運(yùn)輸和郵電部門行包貨物的自動(dòng)分揀與搬運(yùn)系統(tǒng)等。例如生產(chǎn)工程機(jī)械的美國卡特皮勒公司金屬結(jié)構(gòu)廠購置了一條以橋式起重機(jī)為主的物料自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)，用于鋼板的噴丸處理、切割和入庫的自動(dòng)裝卸搬運(yùn)作業(yè)，比原先采用單機(jī)操作工作效率提高了 65%。日本東芝浜川崎工廠用全自動(dòng)橋式起重機(jī)組成的物料輸送系統(tǒng)來搬運(yùn)柔性加工在線的夾具和工件，為機(jī)床運(yùn)送毛坯或?qū)⒓庸ず玫牧慵偷较乱还ば蚧騻}庫。這些在空間移動(dòng)的起重機(jī)搬運(yùn)系統(tǒng)代替了過去通常使用的自動(dòng)導(dǎo)向搬運(yùn) 車，使車間的地面面積得 到充分利用。 （ 6）大型化和實(shí)用化。結(jié)構(gòu)方面采用薄壁型材和異形鋼、減少結(jié)構(gòu)的拼接焊縫，提高抗疲勞性能。采用各種高強(qiáng)度低合金鋼新材料，提高承載能力，改善受力條件，減輕自重和增加外形美觀。橋式起重機(jī)的橋架結(jié)構(gòu)型式大多采用箱形56 噸橋式起重機(jī)的設(shè)計(jì) 5 四梁結(jié)構(gòu)，主梁與端梁采用高強(qiáng)度螺栓聯(lián)接，便于運(yùn)輸與安裝。在機(jī)構(gòu)方面進(jìn)一步開發(fā)新型傳動(dòng)零部件，簡化機(jī)構(gòu)?！叭弦弧边\(yùn)行機(jī)構(gòu)是當(dāng)今世界輕、中級起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的主流，將電動(dòng)機(jī)、減速器和制動(dòng)器合為一體，具有結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧美觀、拆裝方便、調(diào)整簡單、運(yùn)行平穩(wěn)、配套范圍大等優(yōu)點(diǎn)，國 外已廣泛應(yīng)用到各種起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)上。為使中小噸位的起重小車結(jié)構(gòu)盡量簡化，同時(shí)降低起重機(jī)的尺寸高度，減小輪壓，國外已大量采用電動(dòng)葫蘆作為起升機(jī)構(gòu)。為了減輕自重，提高承載能力，改善加工制造條件，增加產(chǎn)品成品率，零部件盡量采用以焊代鑄，如減速器殼體、卷簡、滑輪等都用焊接結(jié)構(gòu)。 減速器齒輪都采用硬齒面，以減輕自重、減小體積、提高承載能力、增加使用壽命。液壓推桿盤式制動(dòng)器的應(yīng)用范圍也越來越大。此外，各機(jī)構(gòu)采用的電動(dòng)機(jī)都向高轉(zhuǎn)速發(fā)展，從而減小電機(jī)基座號，減輕重量與減小外形尺寸，并可配用制動(dòng)力矩小的制動(dòng)器。在電控方面開發(fā) 性能好、成本低、