3T門式起重機(jī)的設(shè)計(jì)與有限元分析TOC\o"1-4"\h\z\u摘要 1關(guān)鍵詞 11前言 21.1引言 21.2研究背景 21.3研究內(nèi)容與方案論證 41.3.1現(xiàn)有問題的研究 41.3.2解決方案的確定 41.4研究目的及產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo) 523T門式起重機(jī)整體設(shè)計(jì) 62.1工作原理 62.2主要機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 62.2.1起升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 62.2.2運(yùn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 82.2.3整體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 103計(jì)算與仿真 113.1起升機(jī)構(gòu)的選型計(jì)算 113.1.1整體設(shè)計(jì)參數(shù) 113.1.2滑輪組設(shè)計(jì) 113.1.3滑輪，卷筒的計(jì)算 123.1.4根據(jù)靜功率初選電機(jī) 143.1.5減速器的選擇 143.1.6制動(dòng)器的選擇 163.1.7電機(jī)發(fā)熱計(jì)算 163.2小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的計(jì)算 163.2.1電動(dòng)機(jī)的選擇 163.2.2減速器的選擇 173.2.3制動(dòng)器的選擇 173.3橫梁強(qiáng)度校核 183.3.1尺寸信息 183.3.2橫梁幾何特征 183.3.3強(qiáng)度校核 18234343T門式起重機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的有限元分析 20182194.1有限元原理介紹 20225914.2橫梁有限元分析 20213314.3支腿有限元分析 27266505結(jié)論 29參考文獻(xiàn) 31PAGE1【摘要】：起重機(jī)作為物體搬運(yùn)的主要設(shè)備和工具，基本上是一種可以實(shí)現(xiàn)物體的垂直提升和水平移動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，主要是提升結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)單元，移動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制裝置。它由一個(gè)系統(tǒng)組成。起重機(jī)可以顯著提高生產(chǎn)能力，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減低生產(chǎn)成本，提升運(yùn)輸效率，并加快物料旋轉(zhuǎn)速度。隨著工業(yè)化的發(fā)展，龍門起重機(jī)的輕量化，大噸位，低振動(dòng)和低噪音已成為必然的發(fā)展趨勢(shì)，新型，更實(shí)用的起重機(jī)的設(shè)計(jì)已成為新的課題。本文研究了一個(gè)簡單的3T門式起重機(jī)的設(shè)計(jì)，它由三個(gè)部分組成：機(jī)械部分，結(jié)構(gòu)部分和電氣部分。通過數(shù)據(jù)查詢，使用有關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械原理的理論知識(shí)進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的總體規(guī)劃和草圖設(shè)計(jì)。利用材料的強(qiáng)度和其他相關(guān)知識(shí)來識(shí)別和確定結(jié)構(gòu)參數(shù)的強(qiáng)度和剛度，并使用Ansys對(duì)主要結(jié)構(gòu)（如主梁和支腿）執(zhí)行靜態(tài)分析。帶有CAD的簡單3T起重機(jī)的完整3D模型設(shè)計(jì)和2D圖紙?jiān)O(shè)計(jì)。這包括總裝圖，設(shè)計(jì)里的各種零件的圖及它們的組裝圖?！娟P(guān)鍵詞】：門式起重機(jī)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選用計(jì)算，受力分析，有限元分析1前言1.1引言起重機(jī)的使用能夠極大提高生產(chǎn)能力、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、減低生產(chǎn)成本、提高運(yùn)輸效率、加快物資周轉(zhuǎn)，因此在發(fā)電廠、核電站、碼頭、港口、隧道、橋梁、水利、建筑等行業(yè)被廣泛使用。起重機(jī)的裝備對(duì)國家機(jī)械自動(dòng)化水平的提升有著積極意義，由于其應(yīng)用領(lǐng)域之廣，在現(xiàn)代化生產(chǎn)中占有著重要地位[1]。為解決國內(nèi)門式起重機(jī)設(shè)計(jì)中一般存在的成本較高、質(zhì)量偏重、耗材較多的缺點(diǎn)，對(duì)起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行參數(shù)化有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究思路。此3T門式起重機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)可以確保起重機(jī)的工作性能，促進(jìn)整機(jī)輕量化，減低生產(chǎn)成本，提高起重機(jī)的設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)人員工作效率，有著一定的研究價(jià)值[2-5]。1.2研究背景我國起重機(jī)運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展相對(duì)較晚。經(jīng)過40多年的發(fā)展，特別是近10年的快速發(fā)展，才達(dá)到了相當(dāng)?shù)囊?guī)模和一定的水平，形成了完整的研究、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和制造體系。在機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域，起重運(yùn)輸機(jī)械的重要性日益顯現(xiàn)，已成為一個(gè)獨(dú)立的行業(yè)。其重要貢獻(xiàn)之一是為我們國家的重點(diǎn)大型工程提供了成套的大型設(shè)備。但與世界先進(jìn)水平相比，在性能、質(zhì)量、品種等方面還存在著較大的差距。當(dāng)今，在全球一體化市場(chǎng)的大環(huán)境下，起重機(jī)行業(yè)競爭變得尤為激烈，我國起重機(jī)制造業(yè)面臨著機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存的新形勢(shì)，在這種情況下，發(fā)展與創(chuàng)新顯得十分重要[6]。門式起重機(jī)作為一種重要的物流運(yùn)輸設(shè)備在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，全球?qū)﹂T式起重機(jī)的需求也在不斷增加。起重機(jī)制造企業(yè)急需提高門式起重機(jī)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)效率。目前，我國起重機(jī)設(shè)計(jì)正在朝著個(gè)性化、智能化、便捷化方向快速發(fā)展。基于不同使用環(huán)境，門式起重機(jī)分為港口門式起重機(jī)，水力門式起重機(jī)，集裝箱門式起重機(jī)，裝卸橋和普通門式起重機(jī)。要設(shè)計(jì)的項(xiàng)目是一臺(tái)通用龍門起重機(jī)。普通門式起重機(jī)有很多類型，但是根據(jù)主梁的結(jié)構(gòu)，它們分為單箱式主梁門式起重機(jī)和雙箱式主梁門式起重機(jī)，框架結(jié)構(gòu)主梁龍門起重機(jī)。當(dāng)龍門起重機(jī)卡車使用電動(dòng)葫蘆時(shí)，它被稱為單梁電動(dòng)龍門起重機(jī)。單梁電動(dòng)起重機(jī)可以在貨運(yùn)場(chǎng)中用于低貨物運(yùn)輸。它具有結(jié)構(gòu)簡單，啟動(dòng)迅速的優(yōu)點(diǎn)。它的缺點(diǎn)是速度慢，起重重量通常少于十噸。當(dāng)單梁龍門起重機(jī)使用久負(fù)盛名的貨車時(shí)，稱為單梁龍門起重機(jī)。由于副臂具有不同的形狀，因此它們可以分為單個(gè)主梁L形和單個(gè)主梁C形龍門起重機(jī)。帶主梁的L形龍門起重機(jī)的起重車主要接管帶有垂直換向輥（2個(gè)樞軸點(diǎn)）的卡車，帶主梁C型的龍門起重機(jī)的托盤車主要使用水平滑輪（3個(gè)樞軸點(diǎn)）電車。垂直防側(cè)傾車具有簡單的結(jié)構(gòu)并且易于維護(hù)，但是聲學(xué)機(jī)構(gòu)啟動(dòng)并且在垂直方向上以較大的跳動(dòng)制動(dòng)。臥式防滾架在工作過程中相對(duì)穩(wěn)定，但不實(shí)用。相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步和全球市場(chǎng)競爭的加劇大大提高了起重機(jī)的技術(shù)含量[7-9]。近年來，起重機(jī)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)如下[10-15]。輕型建筑的發(fā)展，高速且節(jié)能。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和生產(chǎn)效率的提高，提倡一些起重運(yùn)輸機(jī)械，以實(shí)現(xiàn)輕型，高速的發(fā)展?？煽啃院湍芎囊蟾叩囊?。（2）自動(dòng)化，智能化和信息化的發(fā)展。起重機(jī)的快速發(fā)展在一定程度上受益于電氣控制技術(shù)的發(fā)展。通過將先進(jìn)的技術(shù)（如機(jī)電設(shè)備組合，機(jī)電液壓組合，微電子技術(shù)，光纜技術(shù)和模糊控制技術(shù)）應(yīng)用于機(jī)械產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)和控制，大大提高了起重機(jī)的自動(dòng)化程度和智能程度。（3）進(jìn)行模塊化，組合，序列化和泛化的開發(fā)。模塊化結(jié)構(gòu)取代了傳統(tǒng)的全機(jī)設(shè)計(jì)方法。通過將不同的模塊組合在一起，您可以將有限數(shù)量的零件和不同類型的模塊組合為各種多功能多系列產(chǎn)品。產(chǎn)品制造成本降低了產(chǎn)品數(shù)量，提高了產(chǎn)品通用性，充分滿足了不同客戶的需求并實(shí)現(xiàn)了高效的專業(yè)生產(chǎn)。日本，英國，法國，美國和德國的著名起重機(jī)制造商正在采用起重機(jī)的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并取得了巨大的優(yōu)勢(shì)。（4）向小型化，簡化和多樣化的方向發(fā)展。為了實(shí)現(xiàn)有效的生產(chǎn)工作，實(shí)際上，存在大量的起重和運(yùn)輸機(jī)器，它們?cè)谝话闱闆r下使用，例如車間和倉庫以及其他一般情況，并不是手動(dòng)操作。這項(xiàng)工作并不難，這種類型的起重機(jī)具有批量大小，具有廣泛的應(yīng)用范圍。為了降低制造成本并最大程度地提高實(shí)用性，需要減小這種類型的提升和運(yùn)輸設(shè)備的尺寸和規(guī)格，并且需要簡化結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在，全世界各行各業(yè)都在飛速發(fā)展。我國尚處于建設(shè)階段，由于基建的推進(jìn)，起重的運(yùn)輸機(jī)器的需求量也在不斷擴(kuò)大。生產(chǎn)規(guī)模越來越大，自動(dòng)化的程度也日益提升。

德國的起重機(jī)行業(yè)很發(fā)達(dá)，技術(shù)也很先進(jìn)。是重型運(yùn)輸機(jī)械的出口大國。其重型運(yùn)輸機(jī)械的總產(chǎn)值排在機(jī)械制造業(yè)的各類產(chǎn)品中第一位。另外，日本和美國也是生產(chǎn)重型運(yùn)輸機(jī)械的大國，在設(shè)計(jì)技術(shù)和設(shè)計(jì)理念上，都長期處于世界先進(jìn)水平[16]。1.3研究內(nèi)容與方案論證1.3.1現(xiàn)有問題的研究目前，門式起重機(jī)作為現(xiàn)場(chǎng)主要生產(chǎn)設(shè)備，其運(yùn)行速度快，工作效率高，躺在車間、倉庫等場(chǎng)所的上方，對(duì)對(duì)象物料進(jìn)行起吊、搬運(yùn)等操作。

隨著世界起重機(jī)市場(chǎng)需求的增加，我國許多中小企業(yè)至今仍在對(duì)起重機(jī)的設(shè)計(jì)采用傳統(tǒng)的手動(dòng)計(jì)算設(shè)計(jì)方法。

而且很多設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過程中根據(jù)原起重機(jī)的圖紙部分修改，獲得了客戶所需的新機(jī)型。與從初始狀態(tài)開始設(shè)計(jì)的方法相比，可以節(jié)省更多的時(shí)間，但在這個(gè)設(shè)計(jì)過程中還存在一些機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)性能不能完全符合使用要求等問題。因此，起重機(jī)的設(shè)計(jì)周期仍然很長，對(duì)一些中小企業(yè)未來的生存和發(fā)展有很大的阻礙[17]。國外起重機(jī)行業(yè)已經(jīng)十分成熟。經(jīng)過長時(shí)間的技術(shù)創(chuàng)新和積累，如德國的德瑪?shù)?、美國的格魯夫、芬蘭的科尼、法國的帕托、日本的奧地利等，形成了新的設(shè)計(jì)方法。產(chǎn)品組合化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)方法，形成了一系列輕組合、模塊化設(shè)計(jì)的起重機(jī)成品，處于世界一流。在小型起重機(jī)的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，中國已經(jīng)處于世界領(lǐng)先水平。關(guān)于起重機(jī)的設(shè)計(jì)，很多大學(xué)和學(xué)者結(jié)合了有限元法、模擬和虛擬設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了更深的研究。建立了整機(jī)的三維有限元模型。通過模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析和靜力分析，得出各關(guān)鍵部位的動(dòng)力系數(shù)，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。這些現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法提出了新的設(shè)計(jì)思路和計(jì)算分析方法，對(duì)起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的改進(jìn)具有十分重要的指導(dǎo)意義[18]。1.3.2解決方案的確定為了確保起重機(jī)的安全，起重機(jī)本身必須具備三個(gè)基本條件：（1）金屬結(jié)構(gòu)和機(jī)械部件應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛性和穩(wěn)定性。（2）全機(jī)具有一定的反傾穩(wěn)定性。（3）發(fā)動(dòng)機(jī)具有滿足工作性能要求的電力，剎車裝置提供必要的制動(dòng)扭矩。設(shè)計(jì)起重機(jī)需要通過計(jì)算確立或檢查這三個(gè)基本條件[19]。本文對(duì)3T門式起重機(jī)的整機(jī)設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)方面：整體規(guī)劃、結(jié)構(gòu)理論分析與建模、優(yōu)化設(shè)計(jì)、三維建模、二維參數(shù)繪圖、有限元分析。（1）整體規(guī)劃。根據(jù)3T起重量、提升高度為2.5米的設(shè)計(jì)要求，并且整個(gè)傳動(dòng)過程比較平穩(wěn)，整體結(jié)構(gòu)簡單，拆裝方便，維修容易的設(shè)計(jì)要求，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，了解起重機(jī)設(shè)計(jì)背景和設(shè)計(jì)方法，確定設(shè)計(jì)思路，確定電氣元件的選用。（2）結(jié)構(gòu)理論分析與建模。利用相關(guān)的機(jī)械理論知識(shí)，對(duì)起重機(jī)主要部件：主梁、L形支腿、走臺(tái)、起重小車、升降機(jī)，在CAD中進(jìn)行草圖設(shè)計(jì)與模型建立。（3）優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用材料力學(xué)、工程力學(xué)等相關(guān)知識(shí)，對(duì)草圖參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和修改。針對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)模型分析，然后將載荷、內(nèi)力、強(qiáng)度、剛性、穩(wěn)定性等計(jì)算。對(duì)通用門式起重機(jī)的主要截面尺寸進(jìn)行優(yōu)化，即板厚、板寬、板高等進(jìn)行優(yōu)化，最終確定最優(yōu)解。（4）三維建模。根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在CAD中完成對(duì)3T簡易起重機(jī)的整體三維建模。（5）二維參數(shù)繪圖。完成3T簡易起重機(jī)的二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，包括總裝圖、各部裝圖、各非標(biāo)件零件圖。（6）有限元分析。利用Ansys對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化建模，如主梁、只腿等進(jìn)行靜力學(xué)分析，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)可靠。1.4研究目的及產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)經(jīng)過學(xué)習(xí)和探討，根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)需要，該簡易起重機(jī)的整體設(shè)計(jì)參數(shù)隨后：Q主=3T跨度為5m起升高度：主鉤H主=2.5m擬基于以上設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)起重機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及電氣選型，并校驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)可靠性。具體設(shè)計(jì)內(nèi)容如下。23T門式起重機(jī)整體設(shè)計(jì)2.1工作原理門式起重機(jī)一般由主梁、支腿、小車機(jī)構(gòu)、大車機(jī)構(gòu)等部件組成，主梁根據(jù)其結(jié)構(gòu)可以分成實(shí)體構(gòu)件和格形構(gòu)件兩種，實(shí)體構(gòu)件主梁一般可以分為用板焊接主梁和整型主梁，整型主梁主要由工字鋼、角鋼和槽鋼等鋼材作為主梁主體，一般用于載重不大的小型起重機(jī)；板焊接主梁主要由翼緣板與腹板焊接成廂式結(jié)構(gòu)，一般用于載重較大起重機(jī)。格形構(gòu)件主梁一般是由管形結(jié)構(gòu)或角鋼通過焊接或銷連接的形成桁架結(jié)構(gòu)的主梁，一般用于經(jīng)常拆卸的門式起重機(jī)[20-21]。支腿的選擇，門式起重機(jī)的支腿可以分為柔性支腿和剛性支腿，在國內(nèi)，當(dāng)起重機(jī)的跨度大于30米時(shí)，應(yīng)該選用一個(gè)柔性支腿和一個(gè)剛性支腿，這種支腿配合方式可以有效的減小溫度變形和起重機(jī)的傾斜引起的誤差，當(dāng)起重機(jī)的跨度小于30米時(shí)，應(yīng)該選擇兩個(gè)剛性支腿。在國外，一般采用一個(gè)剛性支腿和一個(gè)柔性支腿。小車機(jī)構(gòu)一般包括載重小車和起升裝置，載重小車一般由電機(jī)和小車鋼結(jié)構(gòu)組成，起升裝置一般由電機(jī)、卷筒和鋼絲繩組成，小車機(jī)構(gòu)的主要功能是起吊重物以及將重物橫向移動(dòng)[22]。大車機(jī)構(gòu)一般由大車行走機(jī)構(gòu)和軌道組成，大車行走機(jī)構(gòu)由大車主體鋼結(jié)構(gòu)和大車車輪組成，軌道一般由兩條工字鋼制造而成，要求軌道必須平行來確保車輪不會(huì)發(fā)生啃軌現(xiàn)象，大車機(jī)構(gòu)主體通過軌道實(shí)現(xiàn)門式起重機(jī)整機(jī)的縱向移動(dòng)。門式起重機(jī)應(yīng)用很為廣泛，特別是在室內(nèi)外設(shè)備、物料場(chǎng)的裝卸、設(shè)備的安裝和吊裝配合等。由于其裝配、維護(hù)起來比較方便；安裝、拆卸周期相對(duì)較短，適合頻繁拆裝、轉(zhuǎn)場(chǎng)的電力建設(shè)施工；相對(duì)于汽車起重機(jī)、履帶起重機(jī)而言，臺(tái)班價(jià)格低、工作效率更高、范圍更廣[23]。2.2主要機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)通過上述門式起重機(jī)設(shè)計(jì)的選擇，跟設(shè)計(jì)總體參數(shù)Q主=3T，跨度5000mm，起升高度：主鉤H主=2.5m的設(shè)計(jì)要求，利用三維建模軟件，設(shè)計(jì)起重機(jī)各部件結(jié)構(gòu)如下。2.2.1起升機(jī)構(gòu)該起吊裝置的設(shè)計(jì)參考了電葫蘆的構(gòu)造。為實(shí)現(xiàn)起升功能，擬采用吊鉤為工作部件，為實(shí)現(xiàn)起吊過程，擬采用具有柔性且強(qiáng)度合適的鋼絲繩作為連接。經(jīng)過設(shè)計(jì)，其驅(qū)動(dòng)裝置為電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置為減速器、制動(dòng)裝置為制動(dòng)器，鉤取起重裝置由吊鉤、滑輪、鋼絲繩、鏈條、卷筒、鏈輪組裝而成。圖13T門式起重機(jī)起吊裝置簡圖該設(shè)計(jì)常稱為起重葫蘆，由于常用電力作為動(dòng)力源而稱為電葫蘆。其工作原理為，在接通動(dòng)力源時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)通過傳動(dòng)裝置，帶動(dòng)起吊裝置回轉(zhuǎn)收繩，從而抬高目標(biāo)物品。圖23T門式起重機(jī)起吊裝置建模圖2.2.2運(yùn)行機(jī)構(gòu)選擇雙梁結(jié)構(gòu)的架構(gòu)。這個(gè)設(shè)計(jì)由小型車的框架、升降機(jī)構(gòu)和小型車的行駛機(jī)構(gòu)構(gòu)成。升降機(jī)構(gòu)設(shè)置在小型車架的平臺(tái)上。小型車的行駛機(jī)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)、帶制動(dòng)器的齒輪聯(lián)軸器、減速器、驅(qū)動(dòng)軸和輪對(duì)等構(gòu)成。小型車的行駛機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)形式一般是集中驅(qū)動(dòng)，即使用馬達(dá)、剎車、減速器驅(qū)動(dòng)行駛輪。其傳動(dòng)過程；馬達(dá)→齒輪接頭→減速器→齒輪→聯(lián)軸器→螺旋槳→輪。工作的原理是，啟動(dòng)重型小型車的行駛機(jī)構(gòu)，馬達(dá)通過電，剎車松開剎車，動(dòng)力通過聯(lián)軸器將動(dòng)力輸入減速器，將馬達(dá)的高轉(zhuǎn)速低的扭矩轉(zhuǎn)換為低轉(zhuǎn)速大的扭矩。所以減速器不僅起到減速作用，還起到增大扭矩的作用。減速機(jī)的低速軸輸出的扭矩通過傳動(dòng)軸，驅(qū)動(dòng)車輪在軌道上滾動(dòng)，可以使笨重的小型車、吊重側(cè)向小型車的軌道上移動(dòng)。圖33T門式起重機(jī)小車行走機(jī)構(gòu)簡圖1—電動(dòng)機(jī)2—制動(dòng)器3——減速箱4—傳動(dòng)軸5—聯(lián)軸器6—角軸承箱7—車輪圖43T門式起重機(jī)小車行走機(jī)構(gòu)建模圖該運(yùn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參考現(xiàn)有的設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)，通過電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，由制動(dòng)器、減速器的協(xié)調(diào)控制，通過傳動(dòng)軸、聯(lián)軸器、角軸承箱的傳動(dòng)，使得車輪能夠在軌道上左右滑行，并帶動(dòng)起吊裝置進(jìn)行移動(dòng)。2.2.3整體設(shè)計(jì)起吊方向起吊方向機(jī)器運(yùn)行方向小車運(yùn)行方向圖53T門式起重機(jī)整體裝配建模圖機(jī)器運(yùn)行方向小車運(yùn)行方向該簡易起重機(jī)整體結(jié)果示意如圖所示。該設(shè)計(jì)通過工字支腿支撐的雙橫梁上有完成起重功能主要的起升機(jī)構(gòu)和小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)，在橫梁上實(shí)現(xiàn)起吊和左右平移功能。在工字支腿下有滾輪設(shè)計(jì)，方便了機(jī)器整體的移動(dòng)，增強(qiáng)了設(shè)計(jì)的機(jī)動(dòng)性。同時(shí)在滾輪前端設(shè)計(jì)電機(jī)，便于推進(jìn)和操控，實(shí)現(xiàn)了整體的六個(gè)自由度的移動(dòng)。3計(jì)算與仿真3.1起升機(jī)構(gòu)的選型計(jì)算3.1.1整體設(shè)計(jì)參數(shù)①總體參數(shù)Q主=3000kg跨度5000mm起升高度：主鉤H主=2.5m工作制度：主起升級(jí)別重級(jí)（JC%=40）小車運(yùn)行工作級(jí)別中級(jí)（JC%=25）大車運(yùn)行工作級(jí)別中級(jí)（JC%=25）②工作速度主起升速度V=18m/min（輕載）V=9m/min（重載）小車運(yùn)行速度V=12.5-35m/min大車運(yùn)行速度V=2.35-23.5m/min③估計(jì)小車自重0.8t小車輪距K=1400mm小車軌距L=1000mm3.1.2滑輪組設(shè)計(jì)①采用雙聯(lián)滑輪組主起升機(jī)構(gòu)滑輪組倍率m=4承載繩分支數(shù)Z=2m=8鋼絲繩所受最大靜拉力：Smax=其中：Q——起重量；3000kgQ鉤=90kg；Q鉤——取物裝置自重，吊掛掛架的重量一般約占額定起重機(jī)重量的2-4%；m——滑輪組倍率；n組——滑輪組效率；取0.975S②鋼絲繩的選擇S絲≥其中：n繩——鋼絲繩安全系數(shù)；α——鋼絲繩折減系數(shù)。得，

S對(duì)于重級(jí)工作類型n繩=6鋼絲繩型號(hào)選用，查鋼絲繩產(chǎn)品目錄表，可選用6W(19)-7.7-140-I-Z，GB1102-74，詳細(xì)參數(shù)見表3-1：表3-SEQ表3-\*ARABIC1鋼絲繩的破斷拉力鋼絲繩直徑/mm鋼絲直徑/mm鋼絲繩抗拉強(qiáng)度/mpa1400155017001850鋼絲繩破斷拉力總和6.20.420.0022.1024.3026.407.70.531.3034.6038.0041.309.30.645.1049.0054.7059.6011.00.761.3067.9074.5081.103.1.3滑輪、卷筒的計(jì)算①滑輪、卷筒最小直徑D≥（e-1）d繩（3-3）其中：D——卷筒和滑輪的名義直徑；e——繩輪直徑比。取D=300mme=32，得D≥（32-1）×7.7=238.7mm②卷筒長度和厚度的計(jì)算L雙=L0=(其中：Hmax——最大起升高度，2.5m；Z0——鋼絲繩安全圈數(shù)，取Z0=3；a——繩圈節(jié)距，a=d取a=11，有D0D0—卷筒的計(jì)算直徑；D1參考同類型起重機(jī)D1=310mm；L光參考同類型L光=145mm；L1=5a=60mm；L2=3a=33mm；LL取L雙=520mm；根據(jù)卷筒參數(shù)手冊(cè)，取卷筒材料采用Ha200；其壁厚可按經(jīng)驗(yàn)公式：δ=0.02D+（6~10）=12~16；取δ=16mm；③卷筒速度n重=其中：V重——重載起升速度，取9m/min；in——起升部分得傳動(dòng)比，取in=1。得n④強(qiáng)度的計(jì)算σymax=其中：σymax——最大壓應(yīng)力；δt——卷筒壁厚；[σ]y——許用壓應(yīng)力代入計(jì)算，得：

σ≤[σ滿足要求由于L0＜3D一般不需要計(jì)算有彎曲力矩產(chǎn)生的拉應(yīng)力。3.1.4根據(jù)靜功率初選電機(jī)Pj=其中：Q——滿載時(shí)吊鉤和貨物的總重；Pj——起升機(jī)構(gòu)靜功率；η0——電機(jī)效率，取0.91；V——起升速度（重載）代入計(jì)算得：P初選電機(jī)功率Ne≥Kd×Pj=4.5kw其中：Ne——電動(dòng)機(jī)額定功率；Kd——起升機(jī)構(gòu)按靜功率初選電機(jī)的系數(shù)；查電機(jī)產(chǎn)品目錄，在JC%=40時(shí)，選用YZR-132M2-4型，見表3-2：表3-2電機(jī)產(chǎn)品目錄機(jī)座號(hào)額定功率-極數(shù)額定轉(zhuǎn)速rpm額定電流/AJm/kg*m最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)112M2.2kw-4P13265.530.0222.4112M1.5kw-6P9334.520.0222.4132M13.7kw-4P1365130.0592.4132M25.5kw-4P13785.90.0642.4額定功率P=5.5kw，轉(zhuǎn)速n=1378r/min，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm=0.064kg·m23.1.5減速器的選擇①減速器傳動(dòng)比i0=n電/n重=1378/40=34.5②減速器型號(hào)的選用根據(jù)傳動(dòng)比i0=34.5，電動(dòng)機(jī)功率P=5.5kw，n=1378r/min工作級(jí)別重級(jí)可選用ZSC(l)-400-I-2，見表3-3：表3-3減速器型號(hào)參數(shù)型號(hào)中心距/mm中心高/Hh壓力/Fn轉(zhuǎn)矩[a]/N·m傳動(dòng)比iZSC300300130100001500025.61ZSC400(L)400150150002000049.86ZSC(I)400170150002000035.1傳動(dòng)比i=35.1，[F]=15000N，[a]=20000N·m檢核減速機(jī)被動(dòng)軸端最大徑向力：Gmax=0.5×(a·Smax+Ga)≤[F]（3-9）其中：a——卷筒上卷繞鋼絲繩的分支數(shù)，取2；Ga——標(biāo)準(zhǔn)徑向力，查減速器手冊(cè)為677.3N。得，Gmax=3886.3+0.5×677.3=4225N≤[F]，可行校核amax大小amax=0.75Ψ·ae·i0·n0<[a]ae=955×5.5÷1378=38.12N·m其中：i0=34.5，n0=0.95；Ψ——電動(dòng)機(jī)的最大力矩倍數(shù)，取2.4；ae——電動(dòng)機(jī)的額定扭矩；[a]——許額定扭矩。得，amax=0.75×2.4×38.12×34.5×0.95=2248.9N·m小于[a]，驗(yàn)證可行③檢驗(yàn)速度變化V實(shí)際=?滿足要求3.1.6制動(dòng)器的選擇Tz≥其中：Tz——制動(dòng)器制動(dòng)力矩；Kz——制動(dòng)安全系數(shù)。T根據(jù)以上的計(jì)算制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，可選YWZ-150/25，見表3-4：表3-4制動(dòng)器型號(hào)參數(shù)制動(dòng)器型號(hào)匹配推動(dòng)器制動(dòng)力矩/N·m退矩/N·m重量/kgYWZ-100/18YT-182B/2400.620YWZ-150/25YT-252B/41000.626YWZ-200/25YT-252B/42000.730制動(dòng)輪直徑150mm，最大制動(dòng)力矩100N·m，滿足上述要求。3.1.7電機(jī)發(fā)熱驗(yàn)算Ps=G其中：Ps——穩(wěn)態(tài)平均功率；G——穩(wěn)態(tài)負(fù)載平均系數(shù)；Q0——最大起重重量加吊鉤重量。P3.2小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的計(jì)算Q=3t工作制度=中級(jí)JC%25小車運(yùn)行速度12.5m/min車輪數(shù)4個(gè)（2個(gè)為驅(qū)動(dòng)輪）估計(jì)小車自重0.8t小車輪距K=1400mm小車軌距L=1000mm3.2.1電動(dòng)機(jī)的選擇車輪直徑250mm軌道型號(hào)P11Fj=Fm+Fp，查資料取Fj=350N其中：Fj——靜阻力Fm——摩擦阻力Fp——坡道阻力P（3-13）其中:Pj——電動(dòng)機(jī)靜功率；V0——重載速度，0.9m/min；m——滑輪組倍率，取1。電機(jī)初選P=0.08×3=0.096kw見表3-2，選用YZR112M-6，有n=815r/min，功率1.8kw，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm=0.11kg·m2P(3-14)其中：Ps——實(shí)際功率；G——穩(wěn)態(tài)負(fù)載平均系數(shù)；V——起升速度。得，Ps=0.065kw

3.2.2減速器的選擇P（3-15）其中：φ8Pn——平均功率；[P]——額定功率。P見表3-3，選用ZSC(L)-400-JV-2，有i=49.86，[a]=20000N·M符合設(shè)計(jì)要求3.2.3制動(dòng)器的選用tz=[（Fp?Fm）·D×n]/（2000i·m）+[0.975·V^2·n/9.55]（3-16）其中：tz——制動(dòng)時(shí)間；D——卷筒和滑輪名義直徑；i——傳動(dòng)比。得，tz=4.2s見表3-4，由YZW-100/18，制動(dòng)力矩40N·m，制動(dòng)輪直徑100mm3.3橫梁強(qiáng)度校核3.3.1尺寸信息橫梁及支腿材料：Q235鋼，E=200GPa，σp=200MPa，[σ]=120MPa圖63t簡易起重機(jī)橫梁尺寸示意圖3.3.2橫梁幾何特性面積A=2180.64mm2靜面矩Sz’=113890.0948mm3，Sz=152899.5007mm3慣性矩Iz=49326448.55mm4，Iy=6937669.093mm4截面系數(shù)Wz=277426.5948mm3，Wy=54627.31569mm33.3.3強(qiáng)度校核①當(dāng)小車滿載位于跨中時(shí)圖8小車滿載于跨中時(shí)橫梁受力分析Fc=FD②當(dāng)小車滿載位于邊緣時(shí)圖8小車滿載于邊緣時(shí)橫梁受力分析F1=F2=5150.25N（小車對(duì)橫梁的壓力），F(xiàn)A·5000=F1×1100+F2·3900，得FA=9167.4N，F(xiàn)B=1133.1N，滿足要求。

43T簡易起重機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的有限元分析4.1有限元原理介紹在實(shí)際工程計(jì)算中，傳統(tǒng)計(jì)算方法的誤差會(huì)因人為因素造成，過于簡單的邊界條件和和結(jié)構(gòu)模型也會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際數(shù)值相差較大，因此計(jì)算結(jié)果的精度不高。根據(jù)工業(yè)發(fā)展的需要，提出了有限元法。自上世紀(jì)初有限元思想提出以來，經(jīng)過長時(shí)間的發(fā)展，有限元方法的應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展到流體力學(xué)、導(dǎo)熱學(xué)、電磁學(xué)等領(lǐng)域。理論上也比較完善。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，研究人員開發(fā)了Ansys、Abaqus等優(yōu)秀的有限元軟件[23]。有限元法是以計(jì)算機(jī)為手段，以變分原理為理論基礎(chǔ)發(fā)展的近似計(jì)算分析方法，將連續(xù)結(jié)構(gòu)分割為有限數(shù)量的離散單元近似于整體，對(duì)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和問題的分析是非常有效的工具其基本思想是將連續(xù)結(jié)構(gòu)離散成由有限元組成的離散體。各單元通過節(jié)點(diǎn)連接，實(shí)現(xiàn)負(fù)載的傳輸，對(duì)各單元的交接面進(jìn)行位移調(diào)整，通過力的平衡條件構(gòu)建線性方程組，求各單元和節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力和位移[24-27]。金屬結(jié)構(gòu)是門式起重機(jī)的重要結(jié)構(gòu)支撐，承擔(dān)著承受和傳遞各種工作載荷、自然載荷和自重載荷的作用，占整機(jī)總重的六成以上，且它的使用時(shí)間將直接決定門式起重機(jī)的工作壽命。本論文以3t簡易門式起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，釆用有限元軟件Ansys對(duì)其進(jìn)行參數(shù)化建模，并進(jìn)行靜態(tài)分析，觀察其不同工況下受力情況，驗(yàn)證設(shè)計(jì)可行。在起重機(jī)的靜力分析中，就起重機(jī)的強(qiáng)度失效形式而言，主要有屈服和斷裂兩種。相應(yīng)的強(qiáng)度破壞理論也可分為兩類。第一類是用力來解釋斷裂破壞，分別對(duì)應(yīng)于最大拉應(yīng)力理論和最大伸長線理論。第二類用于解釋屈服破壞，對(duì)應(yīng)于最大剪應(yīng)力理論和變形能密度理論。這是材料力學(xué)知識(shí)中的四種強(qiáng)度理論。4.2橫梁有限元分析起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)是整機(jī)的重要組成部分，其強(qiáng)度和剛度對(duì)整個(gè)起重機(jī)的安全性和性能有重要影響。因此，為了確保整個(gè)設(shè)備的安全可靠，利用有限元分析軟件對(duì)主梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度和剛度分析是非常必要的。分析結(jié)果比常規(guī)計(jì)算方法更加準(zhǔn)確可靠，能得到常規(guī)方法難以獲得的局部應(yīng)力和變形分布規(guī)律。4.2.1小車滿載位于中間位置根據(jù)工況設(shè)計(jì)，在Ansys軟件中具體操作流程如下：（1）定義單元類型圖6橫梁單元類型設(shè)定（2）設(shè)置單元選項(xiàng)：默認(rèn)情況下Elementbehavior只輸出扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，不輸出剪力產(chǎn)生的切應(yīng)力，因此，需做如下修改，改成三次形函數(shù)和輸出剪應(yīng)力。圖7橫梁單元選型的設(shè)置（3）定義截面圖8橫梁模型截面的設(shè)置（4）設(shè)置材料屬性圖9橫梁材料屬性設(shè)定（5）其余參數(shù)確定圖10橫梁在Ansys中相關(guān)設(shè)定（6）確定材料屬性選用Q235鋼作為橫梁和支腿的材料，彈性模量E=200Gpa，泊松比v=0.3，比例極限σp=200mpa，許用應(yīng)力（7）建立幾何模型并施加約束與作用力圖11橫梁在Ansys中幾何模型與約束由理論計(jì)算可知，在橫梁兩端施加約束，在（0，1950，0）、（0，3050，0）兩點(diǎn)處施加力，進(jìn)行求解（8）求解圖12起重機(jī)橫梁中間滿載正應(yīng)力求解云圖由上圖可以看出，最大正應(yīng)力位于橫梁跨中下部，其值為σmax圖13起重機(jī)橫梁中間滿載切應(yīng)力求解云圖圖14起重機(jī)橫梁中間滿載撓度求解云圖由上圖可知，撓度最大處位于橫梁跨中，其值為y中（9）對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析由理論計(jì)算及仿真分析結(jié)果可知，橫梁中的剪應(yīng)力非常小，可以忽略不計(jì)。接下來分析正應(yīng)力及撓度。表4-1仿真結(jié)果與計(jì)算結(jié)果比較正應(yīng)力（MPa)撓度（mm)理論計(jì)算結(jié)果72.45.072有限元仿真結(jié)果72.4015.38644有限元結(jié)果與理論結(jié)果比較的誤差0.0014%6.19%由上表可以看出，理論計(jì)算的結(jié)果與有限元仿真的結(jié)果較為符合，說明仿真的結(jié)果比較可靠，同時(shí)，正應(yīng)力及撓度都小于許用值，說明強(qiáng)度及剛度都滿足條件。4.2.2小車滿載位于邊緣位置僅受力點(diǎn)不同，其余部分與上面一致。求解結(jié)果云圖如下所示：圖15起重機(jī)橫梁邊緣滿載正應(yīng)力求解云圖由上圖可以看出，最大正應(yīng)力位于橫梁跨中偏左位置的下部紅色區(qū)域，其值為σmax圖16起重機(jī)橫梁邊緣滿載切應(yīng)力求解云圖圖17起重機(jī)橫梁邊緣滿載撓度求解云圖由上圖可以看出，滿載小車位于邊緣位置時(shí)的正應(yīng)力及撓度明顯小于滿載小車位于跨中時(shí)的正應(yīng)力及撓度，所以符合要求。4.3支腿有限元分析針對(duì)支腿部分受力的有限元分析操作流程，如上述對(duì)橫梁的分析過程，得到求解結(jié)果如下：圖18起重機(jī)支腿在Ansys中模型圖19起重機(jī)支腿正應(yīng)力求解云圖由上圖可以看出，最大正應(yīng)力位于支腿上端橫梁中部紅色區(qū)域，其值為σmax=43.9032MPa圖20起重機(jī)支腿切應(yīng)力求解云圖圖21起重機(jī)支腿撓度求解云圖最大撓度位于支腿上端橫梁的兩端紅色區(qū)域，其值為y邊緣=0.577406

5結(jié)論總結(jié)下來，本文主要工作包括：針對(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)的工況下，參考現(xiàn)有的門式起重機(jī)結(jié)果設(shè)計(jì)并根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)一種簡易的門式起重機(jī)機(jī)械，能夠?qū)崿F(xiàn)要求的舉重、跨度和提升功能。并在Solidworks完成對(duì)其各關(guān)鍵零件的三維建模和組裝。其中結(jié)構(gòu)重點(diǎn)選用了雙橫梁，工字支腿，并在只腿上設(shè)計(jì)滑輪，從而實(shí)現(xiàn)六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。除此之外，確定了相關(guān)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的具體尺寸，并完成對(duì)應(yīng)的二維圖紙。針對(duì)起重機(jī)的各電氣元件，進(jìn)行了計(jì)算和選型，驗(yàn)證其型號(hào)使用合理。最后在ANSYS中進(jìn)行建模并分析計(jì)算，對(duì)雙梁門式起重機(jī)的強(qiáng)度、剛度進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表面該設(shè)計(jì)能完成相應(yīng)工作，設(shè)計(jì)可靠。該3T小型門式起重機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)可以保證起重機(jī)的工作性能,促進(jìn)整機(jī)輕量化,減低生產(chǎn)成本,提高起重機(jī)的設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)人員工作效率,因此具有重要的意義。

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