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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流门坐式起重机的设计设计.精品文档.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
2、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，优化设计目 录第1章 绪论11.1 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11.1.3门座式起重机的现状及发展趋势21.2 设计任务与设计要求21.2.1 设计任务2 1.2.2 设计要求2第2章 总体方案的确定42.1 起重机总体机构的确定42.2 起重机执行机构的确定52.2.1 起升机构52.2.2 变蝠机构52.2.3 回转机构62.2.4 行走机构6 2.3门座式起重机的基本参数62.3.1 起重量
3、62.3.2 起升高度62.3.3 幅度72.3.4 工作速度72.3.5 工作类型72.3.6 轨距82.3.7 轮压82.3.8 外形尺寸8第3章 起升机构的设计计算93.1 卷绕系统93.2 吊钩的选择103.3 钢丝绳的计算113.4 卷筒的计算123.4.1 卷筒的直径123.4.2 卷筒的长度123.4.3 卷筒的壁厚及校核133.5 电动机的选择133.6 减速器的选择143.7 静力矩的计算153.8 制动器的选择153.9 起、制动时间的验算153.9.1 起动时间的验算153.9.2 制动时间的验算163.10 发电机的发热验算16第4章 变幅机构的设计计算184.1 臂架
4、系统的设计计算184.1.1门座式起重机变幅机构优化模型194.1.2 优化模型的简化214.1.2.1 设计变量234.1.2.2 目标函数234.1.2.3 约束条件244.1.4 算法与结论244.2 变幅驱动机构264.2.1 变幅机构的已知参数274.2.2 传动效率284.2.3 螺杆等效作用力294.2.4 电动机功率的确定30结论31参考文献32致谢33附录34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
5、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。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
6、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。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
7、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、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。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
8、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
9、，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
10、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。 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；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；第二
11、章 门座式起重机的总体设计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
12、装置。下图为门座式起重机的结构简图。图2-1 起重机简图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，通过卷筒钢丝绳滑轮组机构变为吊钩的上下运动。起重机因起动
13、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
14、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
15、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。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
16、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，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
17、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11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；对于抓斗装置或其它取物装置，取装置的最低点计算。从运
18、行轨道面向下到取物装置的下极限位置之间的垂直距离称为下降深度。门座起重帆的总起升高度应包括起升高度和下降深度两部分。本次设计起升高度H=502.3.3 幅度（R）门座起重视的幅度是指从起重机旋转中心线到取物装置悬吊点之间的距离。单位是米(m)。当起重臂外伸处于最远极限位置时，从起重机旋转中心到取物装置悬吊点之间的距离称为最大幅度；当起重臂内收处于最近极限位置时，从起重机旋转中心到取物装置悬吊点之间的距离称为最小幅度。本次设计的幅度为31m-65m2.3.4 工作速度门座式起重机的工作速度包括起升速度、变幅速度、旋转速度和运行速度。起升速度是指取物装置的上升速度。单位是米分(mmin)。变幅速度
19、是指取物装置从最大幅度到最小幅度沿水平方向移动的平均速度。分(mmin)。旋转速度是指上部旋转部分相对下部运行部分绕旋转中心线的转动速度。(rmin)。运行速度是指起重机沿运行轨道的行走速度。单位是米分(mmin)。应当指出，上述四种工作速度的选择应与其相应的工作行程相协调，以使各个机构在正常工作时能够达到稳定运动。此外，同时工作的机构，其工作速度也应相互协调，以免因某一机构太快或太慢而影响整个工作循环时间。对于主要机构的工作速度(如起升速度)一般采用电气或机械方法调速，以满足不同的工作要求。本次设计起升速度为，变幅速度为。2.3.5 工作类型工作类型是用来表征门座起重帆的载荷特性和工作繁忙程
20、度的参数。在设计门座起重机时，要对机构、零部件和金属结构进行强度、刚度、稳定性、疲劳、磨损和发热等方面的计算。为使产品安全可靠、经济耐用，设计时必须考虑工作类型。根据我国的生产实践，按照机构载荷率和工作时间率，超重机机构的工作类型分为轻级、中级、重级和特重组四种。对于一台门座起重机而言，各个机构可以具有不同的工作类型，但是整台门座起重机及其金属结构的工作类型应由主起升机构的工作类型来决定。根据机构接电持续率JC%=25%，起重量为80t，本次设计的门座式起重机的工作类型为中级。2.3.6 轨距（L）门座起重机的轨距是指起重机两条运行轨道轴线之间的距离。单位是米(M)。2.3.7轮压(P)门座起
21、重机的轮压是指起重机的一个行走车轮对运行轨道的压力。单位是（tf）。门座起重机在工作状态最大风压和起重臂处于最不利的工作位置的条件下，满载起动或制动时所具有的轮压称为工作状态的最大轮压。 2.3.8外形尺寸门座起重机的外形尺寸是指起重机外部的轮廓尺寸，主要包括最小幅度时起重臂最高点距轨道顶面的尺寸、最大幅度时起重臂最远点距旋转中心线的尺寸、尾部旋转半径尺寸，门架净空尺寸、司机空高度以及在一条运行轨道上运行机构台车的边缘长度等。单位是米(M)基本参数如下表表2-2基本参数起重量Q80 (t)起升高度H50（m）幅度31-65（m）起升速度9(m/min)变幅速度13(m/min)第三章 起升机构
22、的设计计算起升机构是起重机最主要的机构，用以实现重物的升降运动。它是有电动机、卷筒、钢丝绳、滑轮组、减速器、制动器和吊钩组成。滑轮是用来改变钢丝绳的受力方向的，可以作为导向滑轮，更多地用来组成滑轮组，它是起重机起升机构的重要组成部分。卷筒在起升机构中用来卷绕钢丝绳，它将电动机的回转运动转换为重物升降或水平的直线运动。制动器在起升机构中是不可缺少的组成部分，制动器的作用主要有：1、支持保证重物能在空中保持不动； 2停止用摩擦消耗运动部分的动能，以一定的减速度使机构停止下来；3落重制动器与重力平衡，重物以恒定的速度下降。减速器可以用来改变转速，获得精准的转速，以达到减速的目的。下图为起升机构简图：
23、图3-1 起升机构示意图 1-减速器；2-制动器；3-联轴器兼制动轮；4-电动机； 5-卷筒；6-钢绳；7导向滑轮；8-导向滑轮及定滑轮组； 9-动滑轮组夹套及吊钩3.1卷绕系统卷简与物品之间通达挠性件构成联系，挠性件依次通过各卷绕构件(滑轮和卷筒)，形成卷维系统。卷绕装置将卷简的旋转运动转换成物品的直线运动，并且还改变运动的方向和速度。所以卷绕装置实际上是传动系统的一个组成部分，它参与着运动形式及能量的转化的作用。在起重机械中，双重绕钢丝应用最广，下图为起升卷绕系统简图：图3-2 卷绕系统简图1-卷筒； 2、4-导向滑轮；3-钢丝绳； 5-动滑轮3.2吊钩的选择吊钩是起重机中应用最广的取物装
24、置，通常与滑轮组的动滑轮组合成吊钩组，与起升机构的挠性构件连接在一起。吊钩按制造方法可分为锻造吊钩和片式铆接吊钩；按其结构型式可分为单钩和双钩；长沟和短钩等。吊钩钩身的截面形状有圆形、方形、梯形、或T字形。吊钩断裂可能导致重大的人身及设备事故，因此，吊钩的材料要求没有突然断裂的危险。从减轻吊钩的自身重量的角度出发，要求吊钩的材料具有高的强度，但强度高的材料通常裂纹与缺陷很敏感，材料的强度越高，突然断裂的可能性越大，因此目前吊钩广泛采用低碳钢。这里采用T字形截面的锻造单钩。材料DG20优质低碳钢（锻造吊钩专用材料）。下图为吊钩简图。图3-3 吊钩3.3钢丝绳的计算钢丝绳是由许多抗拉强度为1602
25、00公斤/毫米的高强钢丝编绕而成。根据不同的使用目的，其结构和编绕方式各不相同，有单绕、双重绕、三重绕等型式。这里采用双重绕的钢丝绳。为解决钢丝绳的选用问题，须先计算出钢丝绳所受的最大静载拉力，即吊载额定重量时卷上卷筒的钢丝绳的拉力S。同时卷上卷筒的钢丝绳数目为2，式中： -钢丝绳所受的最大静载拉力（tf） -起重量（t） -滑轮组倍率 -滑轮组效率 -导向滑轮的效率表1-1 滑轮及滑轮组的效率滑轮效率滑 轮 组 效 率倍 率 m2345滚 动0.980.990.9850.9750.97根据轻型起重机钢丝绳安全系数，则钢丝绳的破断拉力根据钢丝绳的破断拉力选用钢丝绳，按 选用钢丝绳特，其破断拉力
26、，故钢丝绳选择合理。3.4卷筒计算卷筒用以收放钢丝绳，把原动机的驱动力传递给钢丝绳，并将原动机的回转运动变为直线运动。按照卷筒的外形可分为圆柱形和圆锥形。按照钢丝绳在卷筒上的卷绕的层数可分为单层绕卷筒和多层绕卷筒。这里采用圆柱形单层绕卷筒。单层绕卷筒表面通常切有螺旋形绳槽。绳槽节距比钢丝绳的直径稍大，绳槽半径也比钢丝绳的半径稍大，这样既增加了钢丝绳与卷筒的接触面积，又可防止相邻钢丝绳的摩擦，从而提高钢丝绳的使用寿命。3.4.1卷筒的直径卷筒的直径为因为卷筒的标准直径为：300mm、400mm、500mm、650mm、700mm、800mm、1000mm。取卷筒直径。3.4.2 卷筒的长度钢丝绳
27、直径，卷筒上钢绳绳圈节距,当起升高度为H及采用倍率m的滑轮组时，直径为D的卷筒上应有绳槽圈数为：在总圈数Z中加了5圈，其中3圈是钢丝绳的固定圈，此外还考虑2圈的安全圈。安全圈在机构吊载之前就已绕上，此后也始终不放，安全圈对固定钢丝绳的压板螺钉起着卸载安全作业。卷筒绳槽螺旋部分长度：卷筒俩边留边部分分别为：卷筒总长：3.4.3卷筒的壁厚及校核卷筒用A3钢板焊接，式中为屈服极限，卷筒壁许用压缩应力，对于钢卷筒壁厚式中：-卷筒壁压缩应力 -卷筒壁厚 -折减系数 -钢丝绳拉力因此，此卷筒的尺寸设计合理。为满足货物的起升速度，卷上卷筒的钢丝绳分支应用绳速相应的卷筒转速3.5电动机的选择电力传动的起升机构
28、，由直流电动机或交流电动机用过减速器带动起升卷筒。直流电动机传动的机械特性适合起升机构工作要求，调速性能好，但直流电源的获得较为困难。在大型自行式的工程起重机上通常采用内燃机直流发电机组成或直流可控硅传动。交流电机由于能直接自电网取得电流、结构简单、机组重量轻、体积小，故在电力传动的起升机构上被广泛采用。为简化计算，下面所作的功率、力矩等计算，是机构的静力计算，即是假定机构稳定运转时不出现动力现象的状况出发来讨论的，因而它是有条件的，也就是说，可以将机构的受裁状况和应力状态转化为相对平衡稳定的。以速度V=9m/min起升物品，电动机的静功率为式中：起升机构传动总效率其中：滑轮组效率 在滑轮组与
29、卷筒之间的导向滑轮的效率 卷筒的效率 开式齿轮传动效率减速器的效率当计算时取，则有根据机构的静功率，就可以选用相应的JC%值的电动机。鉴于电动机都具有一定的过载能力，所以可按电动机产品目录表选用小于并接近静功率的电动机。查电动机技术参数表，选用YZR200L-8型电动机一台。电动机的参数是：当JC=25%时，电动机过载能力的校核：式中：H考虑电压降、转矩允许的系数，绕线异步电动机取2.1m电动机的台数电动机转矩的允许过载值因此，该电动机的过载能力满足要求，电动机选择合理。3.6 减速器的选择起升机构采用的减速器通常有以下几种：圆柱齿轮减速器、蜗轮减速器、行星齿轮减速器等。根据卷筒和电动机的转速
30、，可求出总传动比取动载系数，减速器的功率为：根据总传动比及功率选用QJS型减速器，其同步转速 ，许用功率 其中心距 ，允许最大转矩 允许最大径向载荷减速器的验算：轴端最大径向力：输出轴端的短暂最大转矩：因此，该减速器的轴端最大径向力和减速器的输出轴端的短暂最大转矩均满足要求，故该减速器选择合理。3.7 静力矩的计算起升静力矩为下降静力矩为3.8 制动器的选择起升机构制动力矩必须大于由货物产生的静力矩，使货物处于悬吊状态时具有足够的安全裕度。制动力矩中级工作类型制动器的安全系数 选用MW200-160型电磁式制动器。,其容许制动力矩，制动器选择合理。3.9 起、制动时间验算3.9.1起动时间的验
31、算机构起动时，机构做加速运动，起升速度由零在极短的时间变到最大，这一极短的时间就是起动时间。起动时间为由于式中电动机的平均起动力矩电动机额定力矩另取K=1.15，得起动时间为起动平均加速度为3.9.2 制动时间的验算制动时，制动器制动力矩促使机构减速，由原来起升速度减到速度为零，这一段时间就是制动时间。制动时间为制动平均减速度3.10 电动机的发热验算稳态平均发热功率为查表知中级工作类型稳态负载平均系数因此，电动机不会产生过热现象。第四章 变幅机构的设计计算变幅系统是门座起重机最重要的组成部分。一般来说，选定了变幅系统也就决定了门座起重机的基本形式。变幅系统的优劣还决定性地影响整个门 座起重机
32、的使用性能、可靠性和经济性。 变幅机构的设计主要包括俩个部分：臂架系统的设计计算和变幅驱动机构的设计计算。4.1 臂架系统的设计计算门座式起重机的变幅机构多种多样，臂架也有很多不同，下图为臂架结构简图：图 4-1 臂架机构简图臂架系统的设计有许多种方法，为使载重在变幅过程中沿水平或接近水平线移动，大多采用绳索补偿法或组合臂架补偿法。绳索补偿法又可以分为：1、滑轮组补偿法2、导向滑轮补偿法3、卷简补偿法4、连杆一滑轮组补偿法5、椭圆规补偿法组合臀架补偿法又可以分为：1、一般四连杆型式2、平行四边形四连杆型式其中滑轮组补偿法、导向滑轮补偿法和一般四连杆组合臂架补偿法是几种最常用的型式。4.1.1门
33、座起重机变幅机构优化模型本次设计就采用一般四连杆组合臂架补偿法。采用一般四连杆组合臂架补偿法设计变幅机构可以有图解法、解析法和优化设计三种方法。平面四连杆机构的优化设计师是常用的一种优化方法，变幅机构的设计是一个复杂的多变量组合过程，其变量涉及各构件的长度和铰点的位置，在其设计时要求变幅过程中象鼻梁端点的位移轨迹为近似直线。但由于其设计变量较多，受力较复杂，约束条件多，所以利用传统的优化方法往往难以奏效。这主要是因为传统的优化进程比较生硬，由于算法的多样性和实际问题的复杂性，使优化计算在迭代过程中经常出现死机、死循环、不迭代和假收敛等。另外，传统的优化方法在优化设计过程中往往需要一个初始方案，
34、该方案的好坏直接影响优化过程的收敛速度、优化结果的精度、甚至优化设计的成功率。门座起重机平面连杆变幅机构运动简图如图4-2、4-3所示。图4-2平面连杆变幅机构运动简图图4-3 夹角计算简图图中：象鼻梁端点E的轨迹坐标拉杆固定支点的坐标线段的长度臂架长度象鼻梁后端长度拉杆长度象鼻梁前端长度象鼻梁前后臂间的夹角臂架与水平线之间的夹角拉杆与水平线之间的夹角象鼻梁与臂架连接的铰点 D相对于两端铰点连线的下垂距离取设计变量：对平面连杆变幅机构，可将变幅过程中的最大落差视为目标函数，即 （4-1）E点的轨迹方程可表示为： （4-2）式中 （4-3）式（4-2）是x和y的函数式，给定不同幅度x值，即可求出
35、y。但由于解此隐函数的超越方程不方便，一般仅用来计算最大及最小幅度对应的值，并由此求出臂架的两个相应仰角，再逐个计算出不同幅度对应的象鼻梁端点E坐标。4.1.2优化模型的简化显然，上述解析方法应用起来相当不便，为此对上述模型进行简化。实际设计时，出于对起重机总体结构和构造上的考虑，常把象鼻梁与臂架的铰点D相对于其两端铰接点连线的下垂距离c定为零或一固定数值。c确定后组合优化时可不再予以考虑，从而缩减一个变量，简化后的结构如图4-4所示。 图4-4 简化后的平面连杆变幅机构图中象鼻梁端点的最大行程象鼻梁端点的最小行程人字架顶点D铰点的水平距离人字架顶点D铰点的垂直距离象鼻梁端点矩x轴的距离下图为
36、最大行程时臂架与象鼻梁的状态图：图4-5最大行程时臂架与象鼻梁的状态图下图为象鼻梁与铰点B的位置示意图： 图4-6 象鼻梁与铰点B的位置示意图此外，最大幅度时臂架、象鼻梁与水平线夹角的下线和以及象鼻梁前后端长度和比值的选取实际设计时都有经验取值范围：由图4-6可求出象鼻梁端点E的坐标表达式： （4-4） 式（4-4）中各变量分别为： （4-5） (4-6) （4-7）注意式中（4-5）、（4-6）中、均取负值。4.1.2.1 设计变量由图（4-4），取设计变量：显然，该设计变量的选择使7维的平面连杆变幅机构轨迹、尺寸综合优化问题缩减为5维优化问题。4.1.2.2 目标函数为了求解方便，将目标函
37、数分为两层，其中内层主要用来确定，外层则用来确定剩余变量。内层：对每一组给定的利用式(4-5)和式(4-8)选定拉杆长度r。即根据求出的臂架长度R选取适当的t，h值，然后将臂架摆角作为循环变量（，N为正整数），求出（N-2）个r值及相应的，找出使时的T和h。 （4-8）式中，为C点的坐标（见图4-6），并有 （4-9）故目标函数为： （4-10）外层：利用内层算法求得的设计参数，根据式(5-4)计算象鼻梁端点的轨迹 。仍然将臂架摆角作为循环变量(，N为正整数)，求出N个y 值及相应的，找出使时的一组设计参数。目标函数为： （4-11）4.1.2.3 约束条件约束条件为5个设计变量的有界区间，即
38、 （4-12）实际应用时将该约束条件转换为1O个不等式约束。4.1.3 算法与结论以象鼻梁前端点E在变幅过程中的落差值最小为目标，利用本文算法对门座起重机变幅机构进行优化设计。已知:利用Matlab软件编写程序，程序如下：内层：目标函数function f=myfun1(x)f=max(x(6)-min(x(6);将该文件保存为optim1.m约束条件其中，设计变量function c,ceq=mycon1(x)amx=75*pi/2;smx=65;smn=31;H0=50;c(1)=x(1)-50*pi/180;c(2)=40*pi/180-x(1);c(3)=x(2)-25*pi/180;
39、c(4)=10*pi/180-x(2);c(5)=x(3)-0.5*x(8);c(6)=0.35*x(8)-x(3);c(7)=x(4)-0.24*x(7);c(8)=0.2*x(7)-x(4);c(9)=x(5)-0.4*x(7);c(10)=0.3*x(7)-x(5);c(11)=x(9)-amx;c(12)=x(1)-x(9);ceq(1)=(-smx*tan(x(1)-H0)/(cos(x(2)*tan(x(1)+sin(x(2)-x(8);ceq(2)=(H0+x(8)*sin(x(2)/(sin(x(1)-x(7);ceq(3)=acos(x(7)2+H0+S0-x(8)2)/(2
40、*x(7)*sqrt(smn2+H02)+atan(-H0/smn)-x(9);ceq(4)=asin(x(7)*sin(x(9)-H0)/x(8)-x(10);ceq(5)=-x(7)*cos(x(9)+x(3)*cos(x(10)-x(11);ceq(6)=x(7)*sin(x(9)+x(3)*sin(x(10)-x(12);x(6)=sqrt(x(11)-x(4)2+(x(12)-x(5)2);将该文件保存为optim1c.m调用函数x0=40*pi/180，8*pi/180，10;x=fmincon(optim1,x0,optim1c)外层：设计变量目标函数function f=myf
41、un2(x)f=max(x(2)-min(x(1);将该文件保存为optim2.m约束条件function c,ceq=mycon2(x)c(1)=x(3)-amx;c(2)=amn-x(3);ceq(1)=-R*cos(x(3)-L*cos(sd)-x(1);ceq(2)=R*sin(x(3)-L*sin(sd)-x(2);将该文件保存为optim2c.m调用函数x0=40*pi/180，22*pi/180，9.373;x=fmincon(optim2,x0,optim2c)其中x0对应的是内层计算的结果。计算结果，得到结果如表4-1。变幅机构参数优化计算结果L29.310(m)R55.48
42、1(m)9.373(m)t12.942(m)h24.358(m)r44.854(m)以上结果经过库恩-塔克条件验算，所得到的点为极值点。4.2 变幅驱动机构的选择变幅机构可直接作用于臂架，也可作用于对重杠杆或补偿滑轮杠杆等。变幅机构的型式主要分为推杆式(螺杆式、齿条式、液压推杆式)、扇形齿轮式和曲柄连杆式等。变幅速度是指臂架或象鼻粱头部滑轮的水平移动速度，劈架摆动时，变幅速度是变化的，设计时预先给定的变幅速度通常部是指在臂架全幅摆动时间内的变幅速度平均值式中分别表示最大和最小幅度壁架装置和变幅机构应尽可能做到使变幅速度均匀。常用的变幅驱动装置有下列几种型式：1齿条变幅机构2螺杆变幅机构3液压变
43、幅机构4曲柄连杆变幅机构5扇形齿轮变幅机构6滑轮组变幅机构本次设计运用螺杆变幅机构，结构简图如图（4-7）所示：图（4-7）螺杆变幅机构在这种螺杆传动副中，通常都由螺母驱动螺杆，推动臂架实现变幅，螺母连同其传动装置和电动机都布置在能绕水平轴线摆动的摇架上，摇架的支承轴线须与螺杆中心线相交，为了补偿间隙、变形与安装公差，摆架的支承还必须保证螺杆可绕垂直轴线略微编摆，因此摇架支承处交际上是一个十字铰结构。由于螺杆螺母传动比大，因此螺杆机构尺寸相当紧凑，传动平稳无噪声。但对螺杆传动要特别注意密封和润滑，目前都采用伸缩式密封套管来防护螺杆。螺杆螺母的传动效率低，如采用滚珠螺杆来代替一般的传动螺杆，则传动效率可以得到显著提高。4.2.1变幅机构的已知参数起重量及工作幅度：80t 31-42m63t 31-47m16t 31-65m变幅速度： 13m/min工作类型：中级，JC=25%4.2.2传动效率螺母转速：式中：螺杆速度螺杆导程完成全程变幅时，螺杆的实际工作行程可以得全程变幅时间可以从变幅速度算得由此得螺杆速度螺纹中径圆周速度螺杆轴向移动速度螺杆螺母的相对滑动速度为：根据相对滑动速度，查得摩擦角螺纹升角当螺母驱动时，螺杆螺母的传动效率从电动机到螺杆的传动总效率