摘 要

轮胎式集装箱门式起重机用于堆场的集装箱装卸，起重机由八个橡胶轮毂支撑。该类起重机可以在场内自由移动，不受拖缆或外部电源的限制。起重机配备了双十二伸缩式吊具，能够处理20英尺和40英尺标准集装箱。轮胎式集装箱门式起重机的机构主要由四部分组成：起升机构、小车行走机构、大车运行机构和动力装置、以及吊具系统。起升机构是实现集装箱或吊具的升降动作的机构，它是起重机的主要工作机构之一。起升机构由电动机通过减速器减速后驱动卷筒，卷筒缠绕钢丝绳来实现货物的升降。本论文工作旨在对轮胎式集装箱门式起重机设计中存在的不足之处进行改进与优化，完成轮胎式集装箱门式起重机的起升机构设计并用creo完成起重机起升机构零部件的虚拟装配。

关键词：起重机、起升机构、creo

Abstract

Rubber Tired Gantry Crane is used for container loading and unloading in the yard. The crane is supported by eight rubber hubs. This kind of crane can move freely in the field and is not restricted by towline or external power supply. The crane is equipped with twelve telescopic lifts capable of handling 20-foot and 40-foot standard containers. The mechanism of Rubber Tired Gantry Crane is mainly composed of four parts: lifting mechanism, trolley walking mechanism, trolley running mechanism and power device, as well as lifting system. Lifting mechanism is the mechanism to realize the lifting action of container or lifting gear, and it is one of the main working mechanisms of crane. The lifting mechanism is driven by a motor through a reducer to decelerate the drum, and the drum winding the wire rope to achieve the lifting of goods. The purpose of this paper is to improve and optimize the deficiencies in the design of rubber tired container gantry crane, complete the design of lifting mechanism of rubber tired container gantry crane and complete the virtual assembly of lifting mechanism components with creo.

Key words：crane;lifting mechanism;creo

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1概述 1

1.2发展趋势 1

1.3本章小结 2

第2章 起重机构成 3

2.1整机结构 3

2.2起升机构 4

2.3减摇机构 5

2.4吊具角度微调装置 5

2.5本章小结 5

第3章 相关参数的确定及计算 7

3.1主要技术性能参数 7

3.1.1起重量 7

3.1.2起升高度 7

3.1.3跨距和伸距 7

3.1.4速度及时间 7

3.1.5其他相关参数 8

3.2起升机构传动方案的确定 8

3.3钢丝绳的选用 8

3.4卷筒和滑轮的计算 9

3.5根据静功率初选电机 11

3.6减速机的选择 12

3.7制动器的选择 13

3.8联轴器的选择 14

3.9启动和制动时间计算 15

3.10电动机过载能力校验 16

3.11电机发热验算 17

3.12本章小结 17

第4章 利用creo建模 18

4.1creo概述 18

4.2creo绘制总图 18

4.3creo绘制主要部件图 19

4.3.1滑轮装置 19

4.3.2卷筒组装置 19

4.3.3集装箱转锁 20

4.4本章小结 20

第5章 经济性与环保性分析 22

5.1钢丝绳系统的选型问题 22

5.2起重机电力驱动的选择方式 22

5.3本章小节 23

第6章 总结 24

参考文献 25

致谢 26

第1章 绪论

1.1概述

随着社会的不断高速发展，起重机的快速发展和广泛使用使其成为了我们生活中不可或缺的一部分。本次毕业设计主要对轮胎式集装箱门式起重机及其起升机构设计进行了进一步的计算分析。该类起重机的组成有产生运动的机构、承受载荷的金属结构、提供动力和起控制作用的电气设备及各种安全指示装置等。

RTG即是Rubber Tired Gantry Crane，中文名称叫轮胎式集装箱门式起重机（简称轮胎吊），目前已大量投入于集装箱堆场。门架是由前后两片门框和鞍梁组成的，门架支承在橡胶轮胎上，由橡胶轮胎实现在货场内行走。行走小车上装有集装箱吊具，小车沿着门框横梁上的轨道行走，用以从集卡车上装卸集装箱和进行堆码作业。轮胎吊采用机械液压装置并利用无线电感应等方向引导装置，保持其在货场内直线行走，也可作90°直角转向行走，实现转向换场作业。相比较于轨道式集装箱门式起重机，轮胎式集装箱门式起重机具有作业灵活、机动性能好、不受轨道限制等优点。^[1]

轮胎式集装箱门式起重机的起升机构组成分为驱动机构、钢丝绳卷绕系统、吊具和安全保护装置等。轮胎式集装箱门式起重机的起升机构是实现集装箱或吊具的升降动作的机构，它是起重机的主要工作机构之一。起升机构由电动机通过减速机减速后驱动卷筒，卷筒缠绕钢丝绳来实现货物的升降。

1.2发展趋势

从上个世纪七十年代初开始，该类起重机逐渐发展起来，并主要用于集装箱堆场。作为起重机，它既有通常的轨道式集装箱门式起重机的大堆场、高作业效率的性能，又具备类似轮胎式流动机械的机动性。经过近三十年的应用与发展，已使当今现代化集装箱堆场的主导机型成为了轮胎式集装箱门式起重机。据资料显示目前，全球约有两千台各种规格的轮胎式集装箱门式起重机投入了运营中。许多著名国际公司如美国的Paceco 公司、英国的Morris公司、芬兰的SiSu公司(已并入新Klarma公司)以及韩国的三星、现代公司等都有各自特色的轮胎式集装箱门式起重机产品。^[2]

随着集装箱运输业的发展，当今轮胎式集装箱门式起重机的发展趋势呈现出大型化、高效化和自动化。轮胎式集装箱门式起重机的发展是在装卸重大件货物的龙门起重机的基础上，并且按照装卸和堆码集装箱的要求，对其进行逐步加以改进和完善，使跨度从3 1（3列集装箱 1条集卡车道）发展到9 1，堆码高度从堆2过3（堆2层集装箱、过3层集装箱）发展到堆7过8。目前该类起重机的新开发机型已经实现了半自动化甚至全自动化的操作。^[3]

随着轮胎式集装箱门式起重机的发展，目前该类起重机正向着重量轻、成本低、维护费用少、减摇效果好、标准化程度高、可集装箱发运、智能化和自动化的方向发展。

1.3本章小结

本章主要介绍了轮胎式集装箱门式起重机及起升机构的组成、发展趋势。起升机构做为轮胎式门式起重机的重要机构之一，是本文的主要设计对象，以下内容将主要围绕轮胎式集装箱门式起重机的起升机构来展开。

第2章 起重机构成

2.1整机结构

轮胎式集装箱门式起重机的主体结构由两根主梁、四根门腿和两组鞍梁组成，截面均为箱体，各构件之间采用法兰螺栓连接或焊接连接。这种结构既可以保证足够的强度及刚度，又可以使起重机适应轮胎变形、场地不平等对结构产生的影响，并且橡胶轮胎能够防止结构振动。轮胎式集装箱门式起重机的整机如图2.1所示。

图2.1 轮胎式集装箱门式起重机

结合图2.1我们不难分析除主梁是该类起重机的主要受力构件，采用箱形结构，在两根主梁上分别铺设了用于小车行走的轨道。其轨道在主梁上铺设位置有两种类型，一种是铺设在主梁中心线位置(简称正轨布置)；另一种是铺设在上翼缘板内测腹板中心线位置（简称偏轨布置），故大梁的结构形式通常有两种。^[4]

主梁箱体内利用横隔板抵抗截面的畸变和横向挠曲。在腹板的内侧采用纵向加强筋，来增强结构稳定性。下翼缘由于受拉，且箱体较小，中间横隔板与下翼缘板之间一般不焊接，但两头与门腿对应的横隔板必须焊接，以保证传递门腿的力流畅。门腿一般采用箱形变截面结构。根据受力等因素，在门架平面内做成上大下小，且内侧一般为斜面；门腿平面内做成上小下大，一般内侧为平面，以便增大腿内空间，有利于布置电气房和动力房。两门腿间一般采用连杆连接，以保证两主梁之间距离和增加侧向刚性。

轨道与大梁直接焊接时，刚度较好，且轨道能参与受力，免维修，但制造要求高。压板固定轨道时，需先用定位板对轨道进行定位，将定位板焊接在大梁上，然后取下轨道进行对接焊。铺装轨道前，应先铺上橡胶垫板，以减小小车在行走时所产生的振动，然后用螺栓固定压板，压紧轨道小车行走轨道的距离公差一般控制在 8mm和-2mm的公差范围内，轨道在水平面内总长度方向的弯曲度应控制在 4mm和-1mm的范围内。^[5]

2.2起升机构

轮胎式集装箱门式起重机的起升机构是实现集装箱或吊具的升降动作的机构，它是起重机的主要工作机构之一。起升机构由电动机通过减速机减速后驱动卷筒，卷筒缠绕钢丝绳来实现货物的升降。起升机构根据目前的钢丝绳缠绕方式，可分为四绳缠绕方式、八绳缠绕方式和十六绳缠绕方式。起升机构如图2.2所示。

图2.2 起升机构

起升机构的卷筒用钢板卷制而成，表面有四组绳槽。卷筒上缠绕着用于起升吊具及吊具下集装箱的钢丝绳，其钢丝绳系统也有不同的缠绕方式，不同的选择下带来的优点与弊端也截然不同。双输出的减速机与两个卷筒相连接，就能保证起升过程中吊具两端同步控制问题。此外还有吊具角度微调装置，相关内容在本论文的第2.4小节中有较为具体的描述。

2.3减摇机构

目前常用的减摇方式有以下几种：

八绳减摇：利用起升钢丝绳的缠绕方式；

电子减摇：利用编程来控制小车的起制动加速度；

机械减摇、液压减摇：利用辅助钢丝绳。

当小车、大车制动时，由于惯性，使吊具以及其吊运的集装箱会产生强烈摆动。为了减少吊具的摇摆通常有两项措施，一种是利用钢丝绳系统，另一种则是增加减摇机构。减摇机构主要是利用力矩马达为钢丝绳提供张力卷起钢丝绳，达到阻止吊具摇摆的作用。

2.4吊具角度微调装置

在起升机构运行过程中，吊具不可避免地会产生横向、纵向和轴向三个方向的运动。吊具角度微调装置通过驱动起升钢丝绳，使起升钢丝绳产生不同的组合运动，使吊具产生相应的倾转运动。根据起升运行小车的不同型式，岸桥起升钢丝绳缠绕系统液也有不同的类型。有的全绳索牵引小车式起重机，利用设置在其尾部的挂舱油缸，来实现挂舱保护和吊具角度调节。^[6]本设计的起重机中吊具角度微调装置选择的方案如图2.3所示。

图2.3 吊具角度微调装置

2.5本章小结

本章主要介绍了轮胎式集装箱门式起重机的构成，主要分了四个部分进行了阐述，分别是整机机构、起升机构、减摇机构和吊具角度微调装置。了解到了该类集装箱的主体结构和主要受力构件、起升机构的工作方式、以及减摇机构的分类和工作原理、吊具角度微调装置的设置。

第3章 相关参数的确定及计算

3.1主要技术性能参数

轮胎式集装箱门式起重机的主要技术性能参数包括起重量、起升高度、跨距和伸距、工作速度以及工作类型等。

3.1.1起重量

轮胎式集装箱门式起重机的额定起重量包括吊具下起重量和吊钩下起重量。

本设计轮胎式集装箱门式起重机的吊具下起重量是40t，含吊具及上架起重量是51t。除此之外，小车的总重量是30t。

3.1.2起升高度

起升高度有2种表述方法，即以“m”为单位的绝对起升高度。起重机的起升高度大多在15 m上下，目前最大的已超过20m。

本设计轮胎式集装箱门式起重机的起升高度为15.24m，要求吊具下能堆四过五。

3.1.3跨距和伸距

目前门式起重机的跨距最小为15m，最大超过60m，大多的起重机在25～35m之间；起重机的工作伸距一般不超过10m。

本设计轮胎式集装箱门式起重机的跨距为23.47m，要求可以堆六列，集装箱卡车边置两端悬臂均长5.5m。

3.1.4速度及时间

起重机的速度参数包括起升速度、小车运行速度、大车运行速度和最大风速，时间参数包括起升加速时间、起升减速时间、小车加速时间、小车减速时间、大车加速时间、大车减速时间。

本设计轮胎式集装箱门式起重机的起升速度要求额定载荷下20m/min、空载时40m/min；小车速度要求70m/min；大车速度要求额定载荷下25m/min、空载时100m/min；最大风速要求工作时20m/s、非工作时55m/s、定锚时55m/s；起升加速时间要求额定载荷下2s、空载时4s；起升减速时间要求额定载荷下4s、空载时2s；小车加速时间要求4s；小车减速时间要求4s；大车加速时间要求额定载荷下2s、空载时8s；大车减速时间要求额定载荷下2s、空载时8s。

3.1.5其他相关参数

本设计轮胎式集装箱门式起重机要求小车轨距是6.4m，小车行程是8.8m，基距是6.4m，车轮中心距是2.5m，整机工作级别是A7。

3.2起升机构传动方案的确定

在轮胎式集装箱门式起重机的起升机构中，闭式减速器传动运用较为广泛，其中主要为渐开线圆柱齿轮传动。

考虑到维修和安装方面的问题，卷筒轴和电动机轴一般平行布置且为浮动轴，其中浮动轴的两端都与半齿联轴器相连，两端中有一端是带制动的。在国内，重型货车生产厂家主要都运用到了浮动轴。它既适应用户需要的新技术，又能有效地减少运营成本。

3.3钢丝绳的选用

挠性件具有承载能力大、挠性好、传动平稳可靠、高速运动时无噪音等优点，因此常被用于卷绕传动的牵引部件。但是挠性件在长距离的传动下，会由于自重引起而下挠。因此，对其跳槽的防护、松绳的防护都有较高的要求。轮胎式集装箱门式起重机的起升机构钢丝绳通常选用6×36或6×37IWRC（钢丝芯）多股线接触钢丝绳；俯仰钢丝绳可为6×19线接触结构。钢丝的拉伸强度≤1800MPa。^[7]

起升钢丝绳缠绕分为四绳和八绳两种基本缠绕方式（十六绳运用场合非常少），并由此演变出的若干种缠绕方式，其中关于四绳缠绕方式：四根钢丝绳的四个头分别通过各自的三个压板固定在卷筒上。

该设计轮胎式集装箱门式起重机的额定起重量为Q=40t，查表并对照不同的四绳缠绕系统选择起升机构滑轮组倍率为M=4。

计算滑轮组效率公式如2-1所示：

（2-1）

计算得到滑轮组效率为

计算下降时的滑轮组效率公式：

计算小车走行时滑轮组效率：

钢丝绳最大静拉力的计算：

钢丝绳的最大拉力在起升机构工作的情况下为公式2-2所示：

（2-2）

计算得到钢丝绳的最大拉力为

钢丝绳的选用：

在起重机起升机构运行的过程中，考虑到钢丝绳的破断，所选择的钢丝绳破断拉力应也有相应的要求，其应满足公式2-3：

（2-3）

而=α×Σ（其中α为折减系数，对绳6X19 1的钢丝绳α=0.85）

由上式可得：

查钢丝绳产品目录表，选择钢丝绳6×36钢芯钢丝绳，公称直径=26mm的

3.4卷筒和滑轮的计算

在起升机构运行过程中，为了卷绕并存储起升钢丝绳，起升机构都设有卷筒。某些起重机的变幅机构用多层卷绕的所谓“里巴”（Lebus）卷筒，这种卷筒可以明显地减小的尺寸，即使它的设计、制造难度较大。近年来，行星齿轮减速机内藏式卷筒的应用，使卷筒更紧凑。^[8]有槽卷筒在轮胎式集装箱门式起重机中的应用较为普遍。

绳槽侧面间的夹角为30°~45°，高h=（1.35`2.0）d，d为钢丝绳直径。为了减小对钢丝绳的磨损，绳槽可以用塑料衬垫。

卷筒以及滑轮最小直径的确定：

在起重机起升机构运行的过程中，考虑到钢丝绳的使用寿命等方面的问题，计算滑轮和卷筒的名义直径，其应满足公式2-4：

（2-4）

对于重级工作类型的门式起重机，e=32，得D≥806mm，因此取滑轮和卷筒的名义直径为1000mm。

卷筒长度以及厚度的计算：

在本设计中，考虑到卷筒的长度计算，其满足计算公式2-5和公式2-6：

（2-5）

（2-6）

在上式中，表示的是最大起升高度，本设计的取值为15.24m；