摘 要

起重机是一种在一定范围内垂直起升和水平运输重物的多功能转移目标的起重机械，其中门式起重机因为对场地的使用率高，适应各类施工环境和货物种类，工作范围广等特点，在港口货场得到广泛使用，同时也因为其体积过大，占地面积广而限制了该起重机的使用环境和工作地点。其中门式起重机的主体机构之一，小车的运行机构是由电动机、减速传动系统及执行支撑装置等组成。因此对于该小车的设计即对这些机构进行选型并校核。

对于起重机小车运行机构的设计，具体分为四步完成：完成小车的整体布置；对小车按相关设计要求选择合理参数和结构特点；依据这些参数选择合理的零件，完成小车架设计和装配；最后使用SolidWorks完成3D模型建立并生成二维的装配图。本文基于以往门式起重机小车的设计经验，对一些整体布置进行了改变，如使用4个驱动轮，并放置了4个电动机，制动器的分别驱动方式等等。最后使用目前机械设计市场上使用广泛的建模工具SolidWorks进行最后的起重机小车运行机构的虚拟装配，使设计者准确得知小车每一处设计的参数细节，也方便设计者对于小车机构模型的改进，使用该软件的功能还能进行有限元分析，从而确保了机构的设计合理性，大大减少了机械设计过程中的开发成本。

通过本次毕业设计，基本了解起重机械有关机构的设计步骤流程和方法，巩固相关专业知识水平，培养查询参考文献的良好习惯，加深对绘图工具SolidWorks和CAD等的使用和理解，为以后学习及工作打下良好的基础。

关键词：门式起重机，小车架，小车运行机构，三维建模

Abstract

Crane refers to the vertical lifting and horizontal handling of heavy loads in a certain range of multiaction lifting machinery, gantry cranes with high site utilization, large operating range, wide adaptability, versatility and other characteristics, in the port cargo yard is widely used, but also limited the use of the crane environment and work location. The operation mechanism of the crane trolley is composed of electric motor, deceleration transmission system and execution device. Therefore, the design of the car is to type and check these institutions.

For the crane car operation mechanism design, specifically divided into four steps to complete: the completion of the overall layout of the car, the car according to the relevant design requirements to choose reasonable parameters and structural chacteristics, according to these parameters to select reasonable parts, complete the small frame design and assembly； finally use SolidWorks completes the 3D model to establish and generate a two-dimensional assembly diagram.

Based on the previous design experience of Gantry Crane Trolley, some of the overall layout has been changed, such as the use of 4 driving wheels, and the placement of 4 electric motors, the separate drive mode of brakes and so on. Finally, using the current mechanical design market using a wide range of drawing tools SolidWorks for the final crane car operation mechanism drawing, so that the designer accurately understand the details of each design of the car, but also to facilitate the designer for the car mechanism model improvement, the use of the software function can also carry out finite element analysis, Thus, the design rationality of the mechanism is ensured, and the development cost in the process of mechanical design is greatly reduced.

Through this graduation design, basic understanding of the lifting machinery related institutions of the design step process and methods, consolidate the relevant level of professional knowledge, cultivate good habits of reference literature, deepen the use and understanding of drawing tools SolidWorks and CAD, and lay a good foundation for future study and work.

Key words: Gantry crane, trolley frame, car operation mechanism, 3D modeling

目 录

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2设计背景 1

1.3设计目的和意义 2

第2章 门式起重机概述 4

2.1门式起重机的特点和分类 4

2.2门式起重机具体的组成机构 4

2.3门式起重机的工作参数 4

2.4门式起重机小车的运行机构 5

第3章 小车整体结构参数的设计 7

3.1 设计工况和设计参数 7

3.1.1 设计工况 7

3.1.2 总体设计参数 7

3.2小车的整体传动方案 8

3.2.1小车的整体驱动布置形式 8

3.2.2 小车驱动方式的选择 10

3.2.3 小车其他装置的选择 10

3.3小车架尺寸确定 10

3.3.1确定小车架的型式 10

3.3.2确定小车架的结构 11

3.3.3计算各构件的尺寸，决定小车架的具体构造 12

第4章 小车具体参数计算和零部件选型 14

4.1小车车轮轮压和校核计算 14

4.2小车运行静阻力 14

4.3小车电动机的选择与计算 16

4.4小车减速器的选择计算 17

4.5小车联轴器的选择 19

4.6小车制动器的选择 19

4.7打滑校核 20

4.8总结 21

第5章 基于SolidWorks的虚拟装配 22

5.1虚拟装配的简介 22

5.2小车架和运行机构的三维建模 22

第6章 设计总结 25

参考文献 26

致 谢 27

第1章 绪论

1.1引言

港口装备节能技术实验平台是以大功率轨道起重设备为对象，以势能回收再利用、节能减排为背景，构建适应港口起重设备不同场合，可组合为多种系统的通用实验平台。该实验平台具有完整的港口装备作业机构、支撑结构，配置多种形式的动力源和不同种类的储能器，并配置混合动力驱动系统、能量管理系统、能量在线监测系统等。而作为该实验平台的主要角色，对于起重机的设计则起到最为关键的作用。

起重机是一种在一定范围内垂直起升和水平运输重物的多功能转移目标的起重机械，其中门式起重机因为对场地的使用率高，适应各类施工环境和货物种类，而且工作效率相对较高，极其适合于码头货场的使用，同时也因为其体积庞大，占地面积广而限制了该起重机的使用环境和工作地点。它一个工作周期动作包括吊取集装箱，起升，水平移动，然后下降，卸箱，之后将空的载具重新送回原地^[1]。它的工作特点是做间断式运动，而这一特点决定了电动机的发热计算和选择原则，由于工作时需反复的启动制动每个构件都承受着巨大的冲击和振动而且负荷双向交替作用，许多工作构件要受到不稳定的变应力，这些都可能对起重机的设计和强度计算产生巨大影响^[3]，本文通过对起重机小车的运行机构的设计，综合之前所学有关机械基础理论知识，学习起重机设计方法，根据相关条件选择合适的标准零件，熟悉机器装配与安全等知识，并锻炼自身机械图绘制，编写相关说明文件，和根据实际情况分析并解决难题的能力。

1.2设计背景

近期国家经济的飞速发展，商品经济繁荣，国际贸易广泛密切，国内市场的扩大和实体经济总量的急速增长，对一个国家的物流基础设施建设和效率的提升也提出了严峻而苛刻的要求。如果没有起重机械，工作效率势必低下，体力劳动量巨大，而有些工况甚至无法完成，因此，建筑施工，电站建设，货物中转，物料搬运等等都要倚赖起重机进行工作。此外，起重机设备在各类工作场合中使用率极高，甚至超过一半的占比，能高效完成作业任务，并批量生产和机械化流水线生产已是进入企业现代化生产的重要标志。

而作为港口装卸搬运货物的主力军，起重机的性能会对工作效率以及完成质量产生巨大的影响，而门式起重机使有限的场地提高其利用率，而且在工作中通用性较强，可靠性与安全性也更高。也具有更高的堆场利用率，更容易在每个大型集装箱码头看到它们的身影，因此对于门式起重机，其设计和优化也越来越受到各企业和国家的重视。

欧美地区的经济水平远远高于其他地区。美国作为世界经济霸主地位，在总体上来说工程机械水平虽领先于欧洲，但施工起重机的性能相对要落后一些。日本虽然对于起重机的开发生产较晚，但发展迅速，其研发的产品十分贴合市场，因此受到了市场广泛的欢迎。国内的起重机发展开始由模仿进入到自主研发阶段，随着技术水平不断提高，我国自主研发设计的起重机在结构设计，功能上以及经济性都有巨大的提升，得益于完备的中国制造业体系，以及近些年国内的经济繁荣，包括造船，石油化工，港口货物中转等等，使得大型起重机吊装市场获得关注和投资，因而获得了长足的发展，国外企业也渐渐加强了对中国市场的关注，我国起重机企业在寻求国际合作和技术交流外，仍积极推行本土化的制造体系，并同时拓宽国际市场的渠道^[4]。

1.3设计目的和意义

随着经济的全球化，港口运输在世界经济贸易中的地位也就愈发显得重要了。港口货物的装卸运输效率的高低直接影响到经济效益的高低，所以港口的起重运输设备的革新和改善就显得迫在眉睫。过去的集装箱的装卸搬运设备和操作系统已经不能达到快速增长的经济需求了。由于面临着新时期的新挑战，我们需要不断的进行技术、设备的革新从而来提高港口起重机械的作业效率，加大进出港口的货物量,进一步的顺应全球化经济贸易的高速发展。虽然近些年来，我国的起重机不管是在性能方面还是在结构质量方面都有了很大的进步，整体水平有了一个提升，国产与国外产品相比稍有逊色^[17]，具体差距在：

(1)缺乏制造核心技术：我们国家在各类设备，如发动机，液压机，高水平钢材冶炼，等等起重机重要构件技术积累不高，科技水平达不到世界先进水平，核心技术还掌握在一些国外的大型生产厂家的手里，研发实力不够，降低了我们国家制造的起重机设备的质量，从而影响了市场的销售和利润空间，这不仅仅使起重机行业的困境，更是对中国机械行业的一种挑战。

(2)开发设计理念有很大分歧：我们国家在理念上更偏向于功能性和经济性，以及追求设计生产速度，而国外不仅在产品的制造质量上追求精益求精，同时在设计上力求安全性，绿色环保，从构思，研发设计，到最后的制造调试愿意花费更多的时间以保证产品的服务质量。

(3)生产制造水平存在差距：国外设计研发部门在生产时会更多考虑运用机械自动化的设备来提高生产效率，并使用仿真优化设计加工路线。不少工业发达的国家逐渐步入新的技术革命时代，生产流程变得高度柔性化。

要想要达到国外的技术水平并超越，我们首先应当学习他们的先进技术,然后在日常制造中消化吸收，提高设计加工理念，不断升级产品性能和质量，加强服务措施，而不是靠价格战在低端行业挣扎。不断摸索积累经验，提供更高效，经济实用，安全的设计和制造方案，在未来的制造行业中体现中国智造。这次的毕业设计主要目的是想要提高港口设备的工作效率，能够在更短的时间内完成装卸搬运。40吨的起重量是目前起重机比较常用的最大的起重量，同时增加跨距和起升高度可以很好的增加起重机的工作区域，进一步提升作业能力。

第2章 门式起重机概述

2.1门式起重机的特点和分类

门式起重机是桥式起重机的其中分类之一，主要用在室外码头，堆场的装卸作业，并在其中发挥着最主要的作用。外观像门框一样，其中两条支柱用来承接主梁的重量，起重机整体得以能在地面的轨道上稳定运行，主梁两端可以具有外伸悬臂梁。门式起重机因为使用率高，适应各类施工环境和货物种类，而且工作效率相对较高，极其适合于码头货场的使用，同时也因为其体积庞大，占地面积广而限制了该起重机的使用环境和工作地点。桥式起重机的分类有很多种分法。按主梁形式与结构可分:有单主梁桥式、双主梁桥式等，不同的门框和梁结构对应不同的使用地点空间和工作特点。按用途分:如通用型桥式起重机、集装箱龙门起重机、水利桥式起重机、冶金桥式起重机等。

2.2门式起重机具体的组成机构

起重机主要由四部分组成:产生三维运动的机构（运行机构）、提供电源和控制功能的电气设备、承受负载的金属结构架（框架），以及各种安全指示装置。门式起重机的工作机构类型有两种,上下提升货物的起重机构；使大车小车在平面运动的运行机构；每个机构均由一个电动机、一个调速传动系统和对应执行装置组成。同时还包括承载这些机构的起重机金属结构，一些精细化的零部件。

2.3门式起重机的工作参数

起重机的基本工作参数应在设计前选定，其中起重机最重要的基本参数就是设计目标额定起重量，其他参数包括：跨度和幅度、起升高度、各机构的运行速度；这些参数规定了起重机的性能优劣，决定了该起重机工作环境和工作效率。同时还对起重机的使用的频繁程度做了介绍，此处的差异也将影响设计细节。

(1)额定起重量：指起重机允许一次吊取的货物质量和取物装置质量之和的最大值；起重机吊钩和滑轮组自身的重量是不计入其中的。额定起重量的单位为吨(t)或千克(kg)；用Cp来标记，而起升载荷是我们所称的额定起重量，以重力Q来表示，Q=gCp。额定起重量参考国家标准GB/T 783—1987。

(2)跨度或轨距：指桥式类型起重机两侧运行车轮踏面中线之间的距离，单位为米(m)，以L标记，按国家标准GB/T790—1999选取，桥式起重机跨度要比厂房的跨度小1.5～2.0m。

(3)幅度：臂架回转起重机回转中心线与取物装置垂线间的距离，有些不回转的臂架式起重机，一般是指臂架下铰接点到取物装置垂线的距离，单位为米(m),通常以R标记，没有国家标准予以规定。

(4)起升高度：由地面到取物装置能够达到的最高位置的垂直距离，单位为米(m),以H标记；若取物装置能够放到地面以下，则地面以下的高度称为下降深度(h)。起升高度也没有国家标准予以规定。

(5)起重机的速度参数:包括吊取货物后起升速度、大车和小车在固定轨道上的运行速度，为了稳定性通常不会特别高，单位（m/min）。

(6)工作等级：按起重机的使用的忙闲程度，使用起重机经常吊运货物质量和接近起重机额定起重量程度，将之分为起重机的使用等级和载荷状态，综合2个因素考虑后，又将起重机工作等级分为A1～A8共8级。

(7)起重机稳定性要求：

①起重机在1.1倍最大风力(FEM 规范要求)作用下，不倾翻。

②起重机小车受额定载荷，当起升机构运行至最高点停止后，以小车最高速冲向一端的缓冲器，同时限位装置包括减速，极限以及停止限位都失去作用后，在同向的最大工作风载下，起重机整体能保持稳定。

③允许集装箱满载一端着地。

2.4门式起重机小车的运行机构

运行机构通常由三部分组成，包括支撑装置、运行驱动装置以及运行安全装置等。支撑装置承受了起重机或起重小车的自重载荷及起升的载荷，同时还兼具传递载荷的作用，支撑装置包括起重机运行构件的车轮和轨道，运行装置需具备一定的减速，制动和缓冲的功能，驱动起重机小车在固定的轨道上克服运行阻力平稳运行；运行安全装置则是用来保证起重机和起重机小车的驾驶安全，为保证其安全性，常常在起重机对应位置设置缓冲器减速防震，使用行程开关来杜绝小车行驶至危险位置，防风抗滑装置，水平轮，夹轨器，锚定装置，倾斜指示器等等构件也分别起到了不同的保证小车安全行驶的功能。

门式起重机上面的小车运行机构常见大致分为2类，一类式葫芦型单梁式，还有一种就是双梁式小车行走机构，双梁式小车行走机构传动形式一般多为集中驱动，也有分别驱动，我们下一章来讨论，它的工作原理是门式起重机小车行走机构启动，电动机得电，制动器松开闸门。通过联轴器将动力(转矩)传递至减速器中，减速器增大电动机输出转矩，并通过传动轴，驱动主动轮在轨道梁上滚动，小车开始行走，等到需要停止的位置时断电制动，在要求得时间内停下，从而实现起重小车的行走与停止。

补充关于梁的部分介绍，主梁在承受载荷时向下会出现变形，使小车轨道在弯曲时会产生倾斜度而增加了小车的运行阻力，为减少阻力，进而避免小车出现爬坡或打滑现象，保证小车的运行性能，轨道梁通常会设置有一点上拱度，可有效增强轨道梁的承载能力，改善主梁的荷载状况，提高了安全系数。若产生了足够大的向下弯曲度，增大了梁的局部坡度，小车制动器无法有效制动，并发生滑移，还可能出现呈现三条腿的情况，对需要准确定位的起重机小车来说有很大影响，严重时甚至无法启动，发生灾难性的后果^[18]。

第3章 小车整体结构参数的设计

3.1 设计工况和设计参数

3.1.1 设计工况

支撑机构被设计在不超出以下范围内正常使用：

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