南昌航空大学学士学位论文1 绪论起重机是在一定范围内垂直提升和水平搬运重物的多动作起重机械，又称吊车。它主要用来吊运成件物品，配备适当吊具后也可吊运散状物料和液态物料。起重机的工作特点是作间歇性运动，即在一个工作循环中取料、运移、卸载等动作的相应机构是交替工作的。各机构经常处于起动、制动和正反方向运转的工作状态。起重机通常按结构分为臂架型起重机和桥架型起重机。臂架型起重机包括塔式起重机、门座起重机、浮游起重机、自行式起重机、由桅杆和臂架组成的桅杆起重机、沿墙壁运行的壁行起重机和装在船舶甲板上的甲板起重机等；桥架型起重机包括桥式起重机、龙门起重机、运载桥和缆索起重机等。随着我国机械化的发展，中、大型机械设备越来越多的运用于各行各业。由于人力资源有限以及人力的局限性，在很多人力无法完成搬运的时候，我们更多的会想起用一种机器代替人力，起重设备就孕育而出。吊车作为起重设备的一种，它具有操作简单、易于移动、使用灵活方便、适应性强等优点，简易吊车由电动机经常传动和一对开式齿轮传动，将运动和动力传给卷筒，再通过钢丝绳和滑轮组提升重物。但如何发展大起重量的起重机、提高电气设备的可靠性和使用寿命逐步成为研究热点。1.1 吊车的历史中国古代灌溉农田用的桔槔是臂架型起重机的雏形；14世纪，西欧出现人力和畜力驱动的转动臂架型起重机；19世纪前期，出现了桥式起重机；起重机的重要磨损件如轴、齿轮和吊具等开始采用金属材料制造，并开始采用水力驱动；到了19世纪后期，蒸汽驱动的起重机逐渐取代了水力驱动的起重机；20世纪20年代开始，由于电气工业和内燃机工业的迅速发展，以电动机或内燃机为动力装置的各种起重机基本形成。到如今，吊车的种类、外形和结构越来越多样化，用途越来越细化，已经形成了一个单独的产业。1.2 吊车国内外的研究现状 目前，在工程起重机械领域，欧洲、美国和日本处于领先地位。欧洲作为工程起重机的发源地，轮式起重机生产技术水平最高。该地区的工程起重机械业主要生产全地面起重机、履带式起重机和紧凑型轮胎起重机，也生产少量汽车起重机。其中，全路面起重机、履带起重机以中大吨位为主；紧凑型轮胎起重机则以小吨位为主；汽车起重机一般为通用底盘组装全地面上车，即以改装为主。其产品技术先进、性能高、可靠性高，产品销往全球。美国工程起重机行业的技术水平相对落后于欧洲。不过近年来，美国工程起重机械业通过收购和合并手段，得以蓬勃发展。目前该地区主要生产轮胎起重机、履带式起重机、全路面起重机和汽车起重机。主要生产企业为马尼托瓦克公司，特点是技术较先进、性能较高、可靠性能高，其中汽车底盘技术和全路面技术领先于欧洲，产品主要销往美洲地区和亚太地区。日本作为二战后崛起的经济强国，轮式起重机开发生产虽然起步较晚（起步于20世纪70年代），但是发展速度很快，很受亚太市场欢迎。此外，日本还通过收购手段更新生产技术。如日本多田野通过收购德国法恩底盘公司，发展全路面技术。日本工程起重机械业主要生产汽车起重机、履带起重机、越野轮胎起重机和全路面起重机。其中，越野轮胎起重机的产量最大，汽车起重机的产量次之，呈减少趋势，全路面起重机的产量最少，呈上升趋势。主要生产企业包括多田野、加藤、神钢、日立和小松等。产品特点是技术水平和性能较高，但可靠性落后于欧美。我国随车起重机行业从70年代到今天，有了长足的发展和壮大，取得了令国人为之振奋的成绩。但目前在发展过程中所体现的共性是生产规模小、生产不规范，产品中所体现的共性问题是生产规模小、生产不规范和产品质量不稳定等。同时，由于市场竞争的不规范又形成了价格大战，一些企业为了蝇头小利，采用低配置的办法“以小充大，以次充好”，既损害了消费都的权益又扰乱了正常的市场竞争。1.3 吊车的发展趋势随着科技化进程的逐步推进，高科技的运用越来越多，大型设备、高精度、高要求的机器的需求量也逐步上升。以前的吊车也已经满足不了工厂和社会的要求了，为此，吊车业的改革和技术创新势在必行。吊车创新设计的理论、方法与工具是基于现代设计理论和方法，应用微电子、信息、管理等现代科学技术，以提高产品质量、用户满意的价格和造型、提高产品的功能、缩短产品开发周期为目的而进行的相应工作。吊车创新理论、方法与技术研究的宗旨是从吊车作为特种设备所要求的安全性和可靠性的工作目标出发，在特定技术性、经济性约束条件下，创造性地完成吊车的创新设计，使其在满足用户交货期和性能要求的前提下做到技术性与经济性最佳搭配。吊车运输（物料搬运）机械随着国际市场竞争加剧的驱动，其科技含量明显提高，近年来主要工业国家的发展趋势如下：（1）采用新理论、新技术和新手段。进一步开展物料搬运机械的载荷变化规律、动态特性、疲劳特性和可靠性的试验研究；推广采用优化设计、可靠性概率设计、极限状态设计、虚拟样机设计、CAD/CAE设计等现代设计方法。（2）向自动、智能和信息化，向成套、系统和规模化发展。将各种物料搬运机械单机组合为成套系统，使生产设备与物料搬运机械有机结合，即通过计算机对物料搬运系统进行动态模拟仿真，寻求最佳匹配组合，并将这类自动、智能的设备纳入到系统的多级计算机信息控制与管理网络，并配有自监测、自诊断维护装置。中国的吊车设计的发展经历了一个曲折的过程。以前多是以模仿原苏联的设计为主，凭借设计者的经验，产品设计的局限性很大。从60年代起，开始了新产品、新部件的开发设计与实验研究工作，从而使设计从仿制和经验设计逐渐走向实验研究和计算分析阶段。到了80年代，随着宝钢等一些超大型企业对国外起重机的引进及与国外进行联合设计、国内制造等形式的采用，开始在国内引入了一些国际上的先进技术与设计方法。同时将计算机应用技术引入设计领域，对吊车设计工作的发展起了很大的推动作用。 但是，中国吊车设计领域仍存在不少问题，主要是大多中小企业对设计研究分析不够，资金投入少，人员培训工作跟不上发展的需要，一直没形成开发新产品或更新老产品的设计和应变能力，对引进的先进技术和产品，没有从设计的角度进行消化，更没有能力进行再创新工作。没有形成合理的设计人员梯队，产品仍然是几十年不变样，目前仍以照抄照搬为生存方式，没有自己的知识产权，只是在应付低价拿来的合同。为数不多的几个大型企业则在创新设计中快速发展，使得国内吊车设计能力和水平逐步与国外的先进设计缩短了距离。这些企业已大量采用新的计算机新技术，二维CAD早已普及，三维设计已推广。电气设计采用ED等先进设计手段，引入定子调压和变频调速，PLC参与系统控制，采用了大量高新传感元器件，实现了定位准确，操控方便，其安全可靠性也逐步提高。通过专家系统的应用，极大地推进了创新设计的进程，并且利用系统论和信息论等现代计算机应用技术研究成果，使得吊车的创新设计开始向智能化方向发展。2 工作机构的设计这里的工作机构是指吊车的起升机构，即包括卷筒、滑轮和钢丝绳。2.1 钢丝绳的选择2.1.1钢丝绳的种类钢丝绳又叫钢索，是用优质高强度碳素钢丝制成的。钢丝绳拉力强度高，耐磨损，是起重工作中最常用的绳索之一。它的种类有很多：（1）按钢丝绳绳股数量的不同可分为单股和多股。单股钢丝绳刚性较大，不易挠曲。多股钢丝绳是先由钢丝拧成股，再由股拧成绳，随着股数的增加，股内的钢丝愈细愈多，加上中间有个柔软的芯子，挠曲性也就愈好。这种钢丝绳可以通过直径较小的滑轮或卷筒工作。在其重机械中，以六股和八股的钢丝绳应用较多。（2）按钢丝绳绳芯材料的不同可分为纤维芯（如用剑麻、棉纱等制成）、石棉芯和金属芯三种。它们各有其优缺点：用油浸的纤维芯钢丝绳，比较柔软，容易弯曲，绳芯中含油较多，能润滑钢丝并能起到防止锈蚀的作用，但不能在较高的温度下工作，不能承受横向重压（如在卷筒上缠绕多层钢索）。用石棉芯的钢丝绳，除了比较柔软，容易弯曲外，还可适应在较高温度下工作，但是也不能承受横向重压。金属芯钢丝绳，强度较大，能承受横向重压，并可在较高温度下工作，但是钢丝绳太硬，不易弯曲。（3）按钢丝绳的搓捻方向不同可分为右同向捻，左同向捻，右交互捻，左交互捻和混合捻等几种。在钢丝绳中，钢丝搓捻方向和钢丝股搓捻方向一致的称为同向捻，不一致的称为交互捻。相邻两股钢丝的捻向相反，则称为混合捻。同向捻钢丝绳表面平整，比较柔软，易于弯曲。它与滑轮槽接触面积大，单位面积的压力小，磨损也小，比交互捻钢丝绳耐用。但由于绳股与钢丝都以相同方向扭转一定角度，使钢丝绳在受力后具有一个反向回捻的趋势，吊重物时会使重物旋转。其次，同向捻钢丝绳还易于扭结、纠缠，给工作带来不便，故一般只用于拖拉绳和牵引装置上，不宜用于起重机和滑轮组的吊装工作。交互捻钢丝绳性能与同向捻钢丝绳相反，虽然耐用程度较差，但使用比较方便，故多用于起重机和滑轮组上的吊装工作。综上所述，此例决定采用纤维芯的交互捻钢丝绳。2.1.2钢丝绳的型号国产标准钢丝绳品种型号较多，按抗拉强度分为140公斤/、155公斤/、170公斤/、185公斤/、200公斤/五个等级。标记示范为：2.1.3钢丝绳的直径选择根据经验公式： 式中 单根钢丝绳的最大工作拉力，N；钢丝绳的破断拉力总和，N；钢丝绳安全系数。已知G=750公斤，图2.1为吊重时滑轮组的受力情况，G将由两根钢丝绳分担，因此得到式中 滑轮组的效率（因摩擦力所产生的损失），一般为94%，即=0.94 图2.1滑轮组受力情况则也就是说，需要大约3910N的力才能提升750公斤的重物。再查得安全系数S=5 按表21-1查得，此钢丝绳的标记为：钢丝绳6*37+6.2-140-光-右交GB1102-742.2卷筒和滑轮的选择卷筒在吊车中起到省力的作用。在此简易吊车中，运用了一组简单的滑轮组装置：一个定滑轮和一个动滑轮。动滑轮可以省一半的力，而定滑轮可以改变力的方向。而当他们同时使用时，既可以省力，又可以改变力的方向。人民经过长期的实践，对于卷筒和滑轮直径的计算，现已总结成了经验公式：式中 D-卷筒和滑轮的名义直径，即槽底直径，毫米； d-钢丝绳直径，即绳的外接圆直径，毫米； e-由钢丝绳用途和工作类型决定的系数。现已知d=6.2毫米，由冶金工业出版社出版的机械零件设计手册第二版中册表24-7查得，属于轻级的，取e=16，则取滑轮的直径。考虑到提升速度和传动比的要求，取卷筒的直径为。3 传动装置的设计和计算手动绞车是以人力做动力，但对于起重量大的起重机械，人的力量是有限的，且效率很低，于是就出现了机动绞车，它的动力一般是电动机。要设计这种机动绞车，就要知道工作机构在提升最大重量时所需要的功率，并由此选择电动机，设计传动装置。3.1计算卷筒的功率=PV式中 P卷筒钢丝绳的拉力，此例为=3910N； 卷筒钢丝绳的线速度，此例为吊钩运动速度的2倍=046米/秒。则 =39100.46KW=1.8KW3.2计算卷筒的转速 根据卷筒的速度为，得到卷筒的转速为：式中 卷筒的计算直径是指按钢丝绳横截面中心量得的直径，单位：毫米 此例为则 3.3 电动机的选择3.3.1 电动机类型的选择电动机是已经系列化了的标准产品。在设计中，主要根据所需电动机的输出功率、工作条件及经济要求，从产品目录中选择其类型、结构形式、容量（功率）和转速、并确定