目 录
摘要……………………………………………………………………………………1 关键字…………………………………………………………………………………1 前言………………………………………………………………………………… 2 1 起重机设计总则………………………………………………………………… 3
1.1 我国起重机机械行业……………………………………………………3
1.2 国际起重机机械行业…………………………………………………… 3
1.3 起重机的作用和作业特点……………………………………………… 4
1.4起重机的组成………………………………………………………………4
1.5起重机的类型………………………………………………………………4
1.6旋臂起重机介绍……………………………………………………………5 2 起升机构的设计………………………………………………………………6
2.1 确定起升机构的方案 ……………………………………………………6
2.2 电动葫芦的选择 ……………………………………………………6
2.3 钢丝绳的选择与使用…………………………………………………… 7
2.4 确定滑轮参数…………………………………………………………… 8
2.5 确定卷筒尺寸并验算其强度…………………………………………… 9
2.6 电动机的选择……………………………………………………………11
2.7 验算起升速度和实际所需功率…………………………………………12
2.8 卷筒心轴的设计及强度计算……………………………………………13
2.9 取物装置计算……………………………………………………………15
2.10 钢丝绳在卷筒是的固定及计算…………………………………………16
2.11 验算启动及制动时间……………………………………………………17 3 运行机构的设计………………………………………………………19
3.1 运行阻力……………………………………………………19
3.2 验算电动机发热条件………………………………………………19
3.3 验算启动时间……………………………………………………20
3.6 选择制动器 ……………………………………………………20
3.8 验算制动时间……………………………………………………20
3.9 选择减速器……………………………………………………20 4 回转机构的设计………………………………………………………21
4.1 回转机构的组成及常用形式 …………………………………………21
4.2 载荷计算 ……………………………………………………23
4.3 回转驱动装置计算 ………………………………………………25
4.4 电动机的选择与校验…………………………………………………27
4.5 确定机构速比选择联轴器…………………………………………… 28
4.6 制动器的选择………………………………………………………… 28
4.7 减速器的选择………………………………………………………… 29
4.8 螺栓组连接的设计…………………………………………………… 29
4.9 强度的校核…………………………………………………………… 31
总结与发展………………………………………………………………………… 33 参考文献…………………………………………………………………………… 34 致谢………………………………………………………………………………… 35
附录1……………………………………………………………………………… 36 附录2……………………………………………………………………………… 47
2T 立柱式旋臂起重机的设计
摘要：
起重机是工程实际中广泛应用的特种设备。而旋臂起重机是近年发展起来的中小型起重装备，安全可靠，具备高效、节能、省时省力、灵活和结构独特等特点.根据旋臂起重机的整体结构特点和规范规定，了解起重机的发展现状、分析起重机的工作原理、系统组成、所要求实现的功能和相应的结构上必不可少的。该设计主要针对起升机构选择相应的零部件及技术参数，使其既能很好的实现起重机的运行还不互相干涉且配合良好，也对回转机构做了详细的分析介绍。传统设计的定柱式旋臂起重机，存在着结构笨重和刚度不足的缺陷，随着市场竞争激烈，对产品提出了更高的要求，采用现代设计对传统设计和计算方法技术提升，已迫在眉睫。
关键词：起重机；起升机构；回转机构
The Design Of 2-Ton Column Jib Crane
Abstract:
Crane is widely applied in engineering, Slewing crane is small and medium lifting equipment which developed in recent years,the characteristics of which are safe and reliable、 with high efficiency、 energy saving、time-saving、flexible 、unique structure,etc.According to the feature of completed structure for slewing jib crane and the rule of design.Understand the development of the crane’status、analyze its operation principle、system configuration、the function and relative structure that the crane required is indispensable.thus this paper put its emphasis on the design of main hoisting mechanism,choosing the appropriate spare parts and technical parameters for it in order to be good for crane operation and non-interference.the slewing mechanism analysis is introduced in detail too.the structure of crane designed with tradition method is overdesigned in strength and not enough in stiffness,and with fierce competition in the market a higher requirement for product has been brought forward.So using modern design technology to upgrade traditional design and calculation method is extremely urgent.
Keywords：crane；hoisting mechanism；Slewing mechanism
前言
起重机是一种非标准机械设备，通常是按订单生产的。一般情况是，首先根据用户对设备提出的性能参数、外形尺寸、质量、价格等方面的要求进行设计，然后开始生产。
起重机械种类繁多，应用十分广泛。近年来，工程起重机械异常迅猛，持续火爆，新理念、新技术、新材料不断给予起重机械新的活力，因而起重机械行业的工程技术人员随之面临着新的挑战和考验。
起重机是一种循环、间歇运动的机械，主要用于物品的装卸。一个工作循环一般包括：取物装置从取物地点由起升机构把物品提起，运行、旋转或变幅机构把物品移位，然后物品在指定地点下降；接着进行反向运动，使取物装置回到原位，以便进行下一次的工作循环。在两个工作循环之间，一般有短暂的停歇。由此可见，起重机械工作时，各机构经常是处于起动、制动以及正向、反向等相互交替的运动状态中的。起重机是各种工程建设广泛应用的重要起重设备，它对减轻劳动强度，节省人力，降低建设成本，提高劳动生产率，加快建设速度，实现工程施工机械化起着十分重要的作用。针对这一需求，本设计以立柱式旋臂起重机的设计计算、三维建模和有限元仿真为主要内容。
第1章 起重机设计总则
1.1 我国起重机械行业
起重机与工程机械一样，是真正具有中国特色的名称与概念。我国起重机主要包括塔式起重机、汽车起重机、履带式起重机、施工升降机、门式起重机、门座起重机、轮胎起重机、桅杆式起重机和揽索式起重机等。
我国工程机械行业已经发展成机械工业10大行业之一，我国也进入了工程机械生产大国之列。工程起重机械用途广泛，市场遍布国民经济各个部门，其中主要有交通运输、能源、 原材料、农林水利、城乡发展以及现代化国防六大领域。工程起重机械是保证各种工程建设实现高速度、高质量和低成本的重要手段。
随着我国深化改革，扩大开放和发展社会主义市场经济等一系列重大政策的贯彻实施，
起重机械行业在技术水平、科研条件、品种数量、产品质量、专业化生产程度、生产规模、出口创汇、用户服务、企业组织结构优化、高等教育及人才培养诸方面，均获得了很大进步，在国民经济各领域和国防现代化建设中正发挥着举足轻重的作用。我国已经成为世界贸易组织正式成员国，这也为起重机械的更大发展提供了新的机遇。
1.2 国际起重机械行业
欧洲作为工程起重机的发源地，也是经济非常发达的地区，代表轮式起重机的最高水平，最负盛名的生产企业有利勃海尔、德马克，同时还有森内博根、德国格鲁夫、多田野·法恩、波塔恩、奥米格、里格、PPM等著名企业，该地区主要现状为：主要生产全地面起重机、履带式起重机，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，产品遍布全球。美国工程起重机相对落后于欧洲水平。近年来，通过收购和合并的手段，先是格鲁夫收购了欧洲老牌起重机企业克虏伯公司，然后特雷克斯收购了德国德马克；随后，马尼托瓦克兼并了包括美国格鲁夫公司在内的国内大部分工程起重机企业，使美国工程起重机行业得以蓬勃发展。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，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，产品主要销往美州地区和亚太地 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），但发展很快，很受亚太市场的欢迎；同时，日本通过收购的手段来更新技术，加快发展速度，如日本多田野收购德国法恩底盘公司来发展其全路面技术。日本主要生产汽车起重机、履带起重机、越野轮胎起重机、全路面起重机，其中越野轮胎起重机产量最大，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，主要生产企业为多田野、加藤、神钢、日立、小松等。产品特点是技术水平、性能、可靠性落后于欧美水平，40%的产品用于出口。
1.3 起重机的作用、作业特点
起重机械作用主要表现在减轻工人的繁重体力劳动，加快施工与作业进度，
提高劳动生产率，降低施工与作业成本、提高质量等方面。
起重机是以反复的循环方式完成货物装卸或设备安装作业的。一个工作循环包括：取物、货物上升、水平运动、下降、卸载，然后空吊具返回原地。一个工作循环时间一般从几分钟到二三十分钟，其间各机构在不同时刻有短暂的停歇时间。这一特点决定了电动机的选择和发热计算方法；由于反复起动和制动，各机构和结构将受到强烈的震动和冲击，载荷是正反向交替作用的。许多重要构件承受不稳定变幅应力的作用，这些都对构件的强度产生较大的影响。
起重机属于危险性作业的设备，它发生事故造成的损失将是巨大的。所以起重机设计和制造一定要严格按照国家标准和有关规定进行。
1.4 起重机的组成
起重机由产生运动的机构、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指示装置等四大部分组成。
起重机机构有四类，即：使货物升降的起升机构；做平面运动的运行机构；使起重机旋转的回转机构；改变回转半径的变幅机构。每一机构均由电动机、减速传动系统及执行装置等组成。
1.5 起重机的类型
可根据使用要求，设计任何合适的起重机形式。但从构造特征来看，种类繁多的起重设备可归纳为三大类。
1. 单动作起重设备
这类起重设备是使货物作升降运动的起升机构。常见有下列几种：
1、千斤顶 一种升降行程很小，举升能力较大的小型起重设备。螺旋千斤顶或齿条千斤顶可用于汽车维修；液压千斤顶可将大型起重机顶起以跟换车轮。
2、滑车（俗称葫芦） 一种用链条或钢丝绳与滑轮构成的省力滑轮组，结构紧凑，质量轻，是一种可携带的起重工具，有手动和电动两种。电动葫芦则是一种电动起升机构，配有运行小车后可在空间布置的工字钢轨上运行，构成单轨架空道，是一种生产流水线上空的自动运货车。电动葫芦可作为梁式起重机的起升机构。
3、绞车 由电动机经减速器、卷筒、驱动钢丝绳滑轮组成的起重设备，用以起吊重物或产生牵引力。在矿山、建筑工地及舰船等处应用。各类起重机的起升机构都是一种绞车。绞车也有液压或内燃机驱动的。
4、升降机 一种由绞车拖动吊箱，吊箱延轨道升降的起重设备。在建筑工地上应用的建筑升降机是一种典型的形式。在高层建筑中应用的电梯是供人员上下楼梯使用的，是一种安全信号设备齐全，自动控制的、且制造很精良的载人升降机。矿山使用的矿井提升机与电梯类似，单更加大型化。
2. 桥式类型起重机
依靠运行机构和运行小车运行机构组成，使起重的货物做平面运动，再加上置于小车上的起升机构，作业的范围是长方形空间。根据结构形式不同有下列几种：
1、桥式起重机。
2、门式起重机，包括装卸桥，岸边集装箱起重机。
3、缆索起重机 缆索起重机是一种特殊类型的桥式类型起重机，它的小车在特制的承载钢索上运行，承载钢索支承于两个塔架的顶端，跨度在100m以上，通常在大型建设工程中使用，如大型水电工程的大坝施工等。岸边集装箱起重机
也是门式类型起重机，它的特点是有很长的伸臂，可以跨越大型船舶进行集装箱装卸，门架的跨度不大，但可以通过集装箱汽车。其他起重机特点将在下详述。
3.回转类型起重机
依靠起重机的回转和变幅机构运动的组合，使起吊的货物作水平运动，作业范围是圆柱形空间，由于起重机整体还可以延一定轨道运行，所以，这类起重机的作业范围是比较大的，它又可分为如下几种：
1、塔式起重机。
2、门座起重机。
3、流动起重机。
4、浮式起重机。
浮式起重机是以自行船舶为行驶装置的起重机，设计时要时要考虑起重机在水上会摇摆的特点。
1.6旋臂起重机介绍
1.悬臂起重机是近年发展起来的中小型起重装备，结构独特，安全可靠，具备高效、节能、省时省力、灵活等特点，三维空得内随意操作，在段距、密集性调运的场合，比其它常规性吊运设备更显示其优越性。本产品广泛用于各种行业的不同场所。悬臂起重机工作强度为轻型，起重机由立柱，回转臂回转驱动装置及电动葫芦组成，立柱下端通过地脚螺栓固定在混凝土基础上，由摆线针轮减速装置来驱动旋臂回转，电动葫芦在旋臂工字钢上作左右直线运行，并起吊重物。起重机旋臂为空心型钢结构，自重轻，跨度大，起重量大，经济耐用。内置式行 旋臂吊MODE型走机构，采用带滚动轴承的特种工程塑料走轮，摩擦力小，行走轻快；结构尺寸小，特别有利于提高吊钩行程。
悬臂起重机系列可分为：
1、定柱式悬臂起重机；
2、JKBK定柱式悬臂起重机；
3、移动式悬臂起重机；
4、墙壁式悬臂起重机；
5、臂行式悬臂起重机；
6、轻型龙门式悬臂起重机；
7、曲臂式悬臂起重机；
8、双臂式悬臂起重机。
2.定柱式旋臂起重机
定柱式悬臂起重机又称立柱式悬臂起重机，起重量在125Kg-5000Kg，是凯力起重自行研制的产品，可以根据客户需求设计定制的专用起重设备。
立柱式旋臂吊具有结构新颖、合理、简单、操作方便、回转灵活、作业空间大等优点，是节能高效的物料吊运设备，可广泛适用于厂矿、车间的生产线、装配线和机床的上、下工作及仓库、码头等场合的重物吊运。定柱式旋臂吊根据其旋臂所使用型钢的不同可以分为：BZD型和BZD-JKBK型。
本机由立柱、回转旋臂及电动葫芦等组成。立柱下端固定于混泥土基础上，旋臂回转，可根据用户需求进行回转。回转部分分为手动和电动回转（摆线针轮减速剂安装与上托板或者下托板上带动转管旋臂回转）。电动葫芦安装在旋臂轨道上，用于起吊重物。
第2章 起升机构的设计
2.1 确定起升机构的传动方案
起升机构包括：取物装置，钢丝绳卷绕系统及驱动装置等部分，用来实现物品的上升与下降动作。
根据设计要求所给参数，起重量Q=2t,属于小起重量旋臂起重机。主要技术要求参数如下：
表2-1 起重机主要技术参数
起重量Q 起升高度H 跨度L 起升速度V 回转速度 转角范围 2t 10m 6m 8m/min 1rad/min 280
传动装置中广泛采用减速器，它是原动机和工作机之间独立的闭合传动装置，用来降低转速和增大转矩以满足各种工作机的需要。根据设计要求及分析，直接选用电动葫芦为起升机构。
2.2 电动葫芦的选择
由额定起重量为2t,起升高度为10米，通过查阅《CD1型电动葫芦主要技术参数》，选择电动葫芦的型号为CD12-12，其技术性能为下表所示：
表2 CD12-12电动葫芦技术参数
技术性能 单位 参数
起重量 吨 2
起升高度 米 12
起重速度 米/分 8
运行速度 米/分 20
钢丝绳直径 毫米 11
钢丝绳规格（GB1102-74） 6*37-11
钢丝绳长度 米 28
工字梁轨道型号（GB706-88） 20a-32c
环形轨道最小曲率半径 米 2.0
工作级别 M3
结合次数 120/min 起重电机型号 ZDY31-4
额定功率 千瓦 3
额定转速 转/分 1380
额定电流 安培 7.6
运行电动机型号 ZDY12-4
额定功率 千瓦 0.4
额定转速 转/分 1380
技术性能 单位 参数
电流 安培 1.25
基本尺寸（电动小车式）
L1 毫米 205
L2 毫米 290
f 毫米 956
Bmax 毫米 935
电动小车型总重 千克 265
2.3 钢丝绳的选择与使用
钢丝绳是起重机机械的重要零件之一，它是一种易于弯曲的挠性件。具有强度高、挠型好、自重轻、运行平稳，极少突然断裂等特点，因而广泛用于起重机的起升机构、变幅机构、运行机构，也可用于旋转机构。它还用作捆绑物件的绳索、桅杆起重机的张紧绳、缆索起重机和空气索道的牵引绳、承载绳等。
钢丝绳受力复杂，受载时，钢丝绳中有拉升应力、弯曲应力、挤压应力及钢丝绳捻制下的残余应力。当钢丝绳绕过滑轮时，受到变应力作用使材料产生疲劳，最终由于钢丝绳与绳槽、钢丝绳之间磨损而破断。
因为在起升过程中，钢丝绳的安全至关重要，所以要保证钢丝绳的使用寿命，为此我们采用一下措施：
1）尽量减少钢丝绳的弯曲次数；
2）高安全系数，即降低钢丝绳的应力；
3）选用较大的滑轮与卷筒直径。
滑轮槽的尺寸与材料对钢丝绳的寿命有很大的关系，其太大会使钢丝绳与滑轮接触面积减小，太小会使钢丝绳与槽壁间的摩擦剧烈，甚至会卡死。
1. 钢丝绳破断拉力计算
由《起重吊装简易计算》可知，钢丝绳破断拉力计算公式如下：
sb=πdi2
4nδϕ=nFiδbϕ （2-1）
式中 sb—钢丝绳的破断拉力（N）
di—钢丝绳中每一根钢丝的直径
n—钢丝绳中每一根钢丝的总根数
δb—钢丝绳中钢丝的抗拉强度（Pa)
Fi—钢丝绳中钢丝的总断面面积mm2
ϕ—钢丝绳中的搓捻不均匀引起的受载不均匀系数
（当钢丝绳为6×37+1时，ϕ=0.82；当钢丝绳为6×19+1时，ϕ=0.85）
本设计选用6×37+1型钢丝绳，与以同径者6×19+1型相比较，钢丝多且细，则绳的挠性好，而耐磨性稍差，在此基础上还能满足我们的需求。所以我们选用6×37+1型钢丝绳（GB1102-74）。
验算6×37+1型 3.14⨯(0.15⨯10-3)2⨯222⨯1700⨯103⨯0.82 smax= =60.73KN (2-2）4
验算6×19+1型 3.14⨯(0.7⨯10-3)2114⨯1700⨯103⨯0.85=60.36KN （2-3） smax= 4
2. 钢丝绳允许拉力的计算
通过查阅《起重吊装简易计算》，用于机动起重设备的安全系数K为5～6，我们选用较大的安全系数K=6，滑轮组倍率m=2，则可以的钢丝绳的允许拉力为： S60.73p=b==10.12KN （2-4） K6
2.4 确定滑轮的参数
1.滑轮
滑轮是是起重机的承载零件，可以引导和改变绳索拉力方向，用以支承钢丝绳，平衡钢丝绳分支的拉力，组成滑轮组，达到胜利和增速的作用。滑轮绳槽尺寸应保证钢丝绳顺利绕过且接触面积应尽可能大，以避免产生钢丝绳与滑轮轮缘的摩擦甚至是跳槽。滑轮由轮缘、轮辐和轮毂三部分组成的。滑轮的具体尺寸，可按钢丝绳直径由起重机设计手册查得。
钢丝绳绕过滑轮尺寸时要产生横向变形，故滑轮槽底半径应稍大于钢丝绳半径，钢丝绳直径小时R大些，钢丝绳直径大时R取小些。
2.滑轮的尺寸
滑轮的主要尺寸是换轮直径D，轮毂宽度B和绳槽尺寸，起重机常用铸造滑轮已标准化（ZBJ8006.3—87）。滑轮结构尺寸可按钢丝绳直径进行选定。
1）工作滑轮直径
D0≥e2d （2-5） 式中 D0—按钢丝绳中心计算的滑轮直径（钢丝绳卷绕直径）mm;
d—钢丝绳直径，mm;
e2—轮绳直径比。
查《机械设计手册》，根据机构工作级别，取绳经比系数e=16,则可得
D0min≥11⨯16=176
查《机械设计手册》选用滑轮直径D=280，由附表选用钢丝绳直径为d=11mm,滑轮直径D=280，滑轮轴直径为D5为80mm的E1滑轮，滑轮标记为ZBJ8006.3—87—11×280-80。
2.5 确定卷筒尺寸并验算其强度 1.卷筒类型及构造
卷筒是起升机构和牵引机构中卷绕钢丝绳的部件。起升机构的卷筒是用来卷绕并储存钢丝绳的，卷筒大多用铸铁铸造：大卷筒和单件生产的卷筒，用钢板焊接。卷筒承受起升载荷的作用，应有做狗刚性的底座予以支承，而卷筒的轴应该是静定支承。
根据钢丝绳在卷筒卷绕层数分为单层卷筒和多层卷筒，卷筒材料采用不低于HT20—40的铸铁，特殊是可采用ZG25II、ZG35II铸钢或3号钢板焊成。
2.卷筒直径
卷筒直径的大小直接影响钢丝绳的弯曲程度，为保证钢丝绳寿命，卷筒直径不能太小，卷筒直径必须大于钢丝绳直径的一点倍数，卷筒直径一般为：
D0≥e1d （2-6）
式中 D0—卷筒卷绕直径（钢丝绳中心所在直径），mm； e1—与机构工作级别和钢丝有关的系数； d—钢丝绳直径，mm。
带入数字得 D0≥11⨯18=198mm
为了适当的减少卷筒的长度，则应该选用较大直径的卷筒，根据《起重机设计手册》[7]表14—1，选用直径D=300mm的卷筒，卷筒槽尺寸由表14—3得t1=14,槽底半径R=6.7（标准槽）。
3.卷筒长度
图2—3是卷筒的大体形状及尺寸。
图2—3 单层绕卷筒长度
L=L0+2L1+L2 （2-7）
式中 L0—卷筒上车螺旋槽部分的长度，mm； L1—无绳槽卷筒端部尺寸，根据构造需要选定，mm； L2—固定钢丝绳所需要的查长度，L2≈3p，mm。 L0=(
Hmax⋅m
+Z1)p （2-8） πD0
式中 Hmax—最大起升高度，mm； m—滑轮组倍率；
D0—卷绕计算直径，由钢丝绳中心算起的直径，mm； Z1—为固定钢丝绳的安全圈数，Z1≥1.5； p—绳槽节距—p=(2~4)mm。
综上，带入数得：
10000⨯2
+2)⨯14=315mm L0=(
3.14⨯311 L1=3⨯14=42mm L2=3⨯14=42mm L=L0+2L1+L2=315+84+42=441mm 取L=500mm。 4. 卷筒壁厚δ
δ=0.02D+(6~10)=12~16mm （ 2-9） 取δ=14
5.强度计算
卷筒壁中承受复杂的应力，包括起升钢丝绳拉力缠绕而产生的压应力，钢丝绳拉力产生的扭转和弯曲应力，根据分析扭转产生的应力非常小，可忽略不计，卷筒壁中的应力主要是钢丝绳在卷筒壁上产生的压缩应力。而当卷筒的长度小于或等于3倍卷筒直径，即当L≤3D时，主要计算压应力，弯曲和扭转的合成应力一般不大于压应力的10%~15%，所以只计算压应力是合理的，此时卷筒内表面上的最大压应力为
δ压=A1A2
Smax
δt
≤[δ压](pa) （2-10）
式中 A1—多层卷绕系数，该值与钢丝绳卷绕层数有关；
A2—应力减小系数，考虑绳圈绕入时对筒壁有减小作用，一般可取
A2=0.75；
smax—钢丝绳中最大静拉力； δ—卷筒壁厚，可按下列初选： 铸钢卷筒 δ≈d
铸铁卷筒 δ≈0.02D+(0.6~1.0) t—卷筒绳槽节距； [δ压]—许用压应力 对 钢 [δ压]= 对铸铁 [δ压]=所以
δs
2
（δs—屈服强度） （δy—抗压强度）
δy
5
δ压=A1A2
Smax
δt
=0.75⨯
10120
=38724489.9pa=38.72Mpa （2-11）
0.014⨯0.014
选用灰铸铁HT200.最小抗拉强度sb=200MPa，许用压应力为 [δ压]=
200
=40MPa 5
因为δ压
2.6 电动机的选择 1.电动静功率的计算
Q起V2000⨯8
N静===3.27KW (2-12）
6120⨯η06120⨯0.8
式中 Q起—起升载荷重量，Kg； V—物品上升速度（米/分）； η0—机构总效率，一般取0.8～0.9。
为了满足电动机起动时间不过热要求，对起升机构，可按下式初选相应于机构的jc%值的电动机功率：
Njc≥k电N静 （2-13） （千瓦）
式中 k电—系数。
由《起重机设计手册》，取k电=1，则
Njc≥1⨯3.27=3.27KW 查《机械设计基础》选择电动机型号，选用电动机为YZ系列冶金及起重三相异步电动机。电动机型号为YZ132M2—6，电动机工作制为S2（短时工作制），工作定额为30分，额定功率为4KW，额定转速为915r/min。 2.电动机发热验算
电动机工作因为温升而发热，过高的温升会使绕组的绝缘材料加速老化，故需要对按静功率选择的电动机进行发热验算，以控制电动机温升在容许的范围内。
按照工作类型系数法，由《起重机设计与实例》[9]表2—9可知jc25%的等效功率为
N等效=γ⋅N静 （2-14）
γ的值结合《起重机设计手册》[7]表8—14和图8—37得γ=0.87，则 N等效≥0.87⨯3.27=2.75kw 综合以上的计算结果，N等效
2.7 验算起升速度和实际所需功率
驱动装置总传动比
i=
n
（2-15） n筒
式中 n—电动机额定转速（转/分） n筒—稳定时卷筒的转速 n筒=
mv2⨯8
=r/min=16.39r/min （2-16） πD03.14⨯0.311
式中 m—滑轮组倍率；
v—物品上升速度（米/分）；
915
所以 i=
16.39
实际起升速度：
3.14⨯0.311⨯915
=8.0037m/s v'=
55.82⨯2
误差：
v'-v8.0037-8
=⨯100%=0.046%
所以速度与传动比符合要求。 实际所需等效功率：
v'
=3.26kw Nx'=Nx=3.27⨯8.0037（2-17） v
ε=
NX'
2.8卷筒心轴的设计及强度计算
由于卷筒轴的可靠性对起重机的安全、可靠的工作非常重要，因此应十分重视卷筒轴的结构设计和强度、刚度计算。卷筒轴的结构，应尽可能简单、合理，应力集中应尽可能小。卷筒轴不仅要计算疲劳强度，而且还要计算静强度；此外，对较长的轴还需校核轴的刚度。
由前面的设计可知：卷筒的名义D=300mm，取卷筒长度L=700，卷筒槽形槽底半径r=6.7mm，绳槽尺寸t=14mm，钢丝绳允许拉力为p=10.12KN。其它参数有P卷=2.82KW，T卷=1642.13⨯103N⋅mm，n卷=16.4r/min。 选取轴的材料为45刚，调制处理。 1. 初算卷筒心轴最小直径 dmin=AP2.82
（2-18） ==62.18mm
n16.4
取轴的最小直径圆整为d=63mm。
图2-10 卷筒心轴结构图
2.确定各段轴的直径、长度
1-2段和6-7段为轴承的位置，直径d1-2=d6-7=63mm，其它各部分直径按照结构来取，d2-3=70mm，d3-4=80mm，d4-5=75mm，d5-6=70mm。确定卷
L1-2=36mm, 筒心轴各段长度时，应根据轴承宽度、卷筒长度和端盖长度来确定。
L2-3=105mm,L3-4=495mm,L4-5=105mm,6-7段为套筒长度,取L6-7=120mm.
3.计算支座反力
10120⨯(130+325+150)+10120⨯(325+130)=13409N RA=
500
N RB=2⨯10120-13409=6831
心轴右轮毂支承处最大弯矩：
Mw=RB⋅130=6831⨯130=88803N⋅mm 4. 疲劳计算
对于疲劳计算采用等效弯矩，查《起重机设计手册》得知等效系数 j=1.1 等效弯矩：
Md=ϕ⋅Mw=1.1⨯88803=97683.3N⋅mm 弯曲应力：
Md97683.3
==58.71MPa33
0.1⨯d0.1⨯5.5
心轴的载荷变化为对称循环。由上式知许用弯曲应力：轴材料用45号钢，其中
σw=
δb=600MPa，δr=300MPa；δ-1w=0.43。 [σ-1]w=
σ-1w1
k⋅n
=
2581
⨯=93.48MPa 1.7251.6
式中 n=1.6—安全系数 K—应力集中系数
Kx—与零件几何形状有关的应力集中系数，当零件表面形状剧烈过渡和 零件上开有沟槽时，以及紧配合区段Kx=1.5~2.5，本处取Kx=1.5
Km—与零件表面加工粗糙度有关的应力集中系数，Km=1.10~1.15，本处 取Km=1.15。
σw
5. 静强度计算
卷筒轴属于起升机构低速轴零件，其动力系数可由表查得，ϕc∏=1.2。 Mwmax=ϕc∏Mw=1.2⨯88803=106563.6N⋅mm 许用应力：
σmax=
Mwmax106563.6
==64.05MPa33
0.1d0.1⨯5.5
σmax[σ]w
[σ]w=σr
n
=
300
=187.5MPa1.6
故卷筒轴的疲劳和静强度计算通过
2.9 取物装置计算
取物装置能使起重机顺利安全和高效率的工作，应尽可能构造简单，质量轻。由搬运物品形状不同，取物装置分为通用专用两类。通用取无装置有吊钩、吊环；专用取物装置由抓斗、电磁吸盘、夹钳等。对于本设计，我们选择吊钩作取无装置。
吊钩是起重机上极其重要的零件。吊钩的突然断裂将造成人身及设备事故，因此对吊钩的材料和加工，国家有严格规定，吊钩按制造方法分锻造吊钩和片式吊钩，中小起重量的吊钩一般用优质碳素钢锻造而成，大型起重量的吊钩一般用片式吊钩。吊钩的专用材料有：20、20Mn、34CrMo、34CrNiMo等。锻造吊钩必须经过热处理。以达到规定的机械性能。片式吊钩要求钢板轧制方向与吊钩受力方向一致，片式吊钩比锻造吊钩可靠，一般不会不会产生突然断裂。因强度和材料引起的断裂只限于起重个别钢板，因此易发现并跟换，也同样由于强度和材料不确定性的吊钩不允许铸造、焊接制造和修复。吊钩的型号可查相应国家标准。
吊钩的主要尺寸
图2-10是吊钩钩身主要尺寸图
图2-10 吊钩钩深主要尺寸
吊钩的主要尺寸是由勾孔直径D来决定的。 勾孔直径 D≈(30~35p(mm)
式中 Cp—额定起重量，t。 带入数据得
D≈(30~35)⨯2=42.42~49.49mm （2-19） 取D=45mm。 其它尺寸
≈1.0~1.2S≈0.75D≈0.75⨯45≈33.75mm
l1≈(2~2.25)h=(2~2.25)⨯45=90~112.5
l2≈0.5h=22.5mm
2.10 钢丝绳在卷筒上的固定及计算
钢丝绳在使用时必须与其他零件连接才能传递载荷，钢丝绳应可靠的固定于卷筒上并易于跟换，其方法有：用压板固定，用长板条固定；用楔子固定。用压板滚钉构造简单，钢丝绳更换方便，且安全可靠，目前用得最广。
1.钢丝绳进出卷筒或滑轮的允许偏角 当钢丝绳在卷筒上卷绕时，其中心线与卷筒径向剖面存在偏角，随绕着卷绕的进程，偏角从正到零，再从零到负。好的卷筒配置是使最大的正负角相等。为了防止钢丝绳脱槽的过度磨损，必须限制最大偏角，建议最大偏角不大于如下值：
对光滑卷筒：2 ； 对螺旋槽卷筒：5 ； 对利巴斯卷筒：1.5 。 2.钢丝绳固定处的拉力 S固=
Smax
(kg) μae
式中 Smax—钢丝绳最大允许静拉力，N；
μ—钢丝绳与卷筒表面的摩擦系数，μ=1.6； e—自然对数的底数，e=2.718。
a=3π时，S固=0.22Smax a=4π ，S固=0.134Smax S固=0.134⨯10120=1356.08N 3.螺栓扣紧力
按压板槽为梯形时计算 N=
S固
（2-20） N）
μ+μ1
式中 μ1=
μ
为压板与钢丝绳的换算摩擦系数；
sinβ+μcosβ
β—压半槽的斜面角，β=45
故 N=2.8S固=2.8⨯1356.08=3797N 2.螺栓合成应力
钢丝绳滚钉螺栓的拉力包括下面两部分：由扣紧力N引起的拉力及由垫圈与压板之间的摩擦力Nu'使螺栓弯曲引起的拉力，故
NNμ'l
δ拉=+≤[δ拉](N⋅cm) 23
πd内0.1Zd内Z4
式中 Z—固定钢丝绳用得螺栓数量； d固—螺栓螺纹内径(cm);
μ'—垫圈与钢丝绳压板之间的摩擦系数，可取u'≈0.16； l—Nμ'力作用的力臂(cm) [δ拉]—螺栓许用压应力。
由《机械设计课程设计手册》选取螺栓内径d=14mm，本固定装置用两个螺栓，材料选用Q235，其许用应力
0.8δs0.8⨯240
==128MPa [δ拉]=1.51.5
带入上面数字得
δ拉=
37973797⨯0.16⨯19
+=3337.20N⋅cm=33.37MPa≤[δ拉]=128MPa22
3.14⨯1.40.1⨯2⨯1.42⨯
4
所以选用螺栓合格。
2.11验算启动、制动时间
起升机构的工作为周期性的，工作时分启动、稳定运行和制动三个阶段。由于机构在启动和制动时会产生加速度和惯性力，若启动和制动时间过长，加速度小，将影响起重机的生产率，反之，加速度太大，又会给金属结构和传动部件施加很大的动载荷，并使零部件的受力增大，因此，必须把启动时间与制动时间控制在一定范围内。
1.启动时间验算
起升机构在启动阶段，要使原来静止的质量开始运动。这时电动机的启动转矩除了要克服启动力矩Tq除了要克服静阻力矩Tj外，还有运动质量的一部分用来克服运动质量的惯性阻力矩Tg，即
Tq=Tj+Tg(N⋅m) （2-21）
将阻力矩按下式计算
Tj=
FQD12aiη
(N⋅m)
式中 FQ—额定起升载荷，N； D1—卷筒计算直径； a—滑轮组倍率；
i—卷筒至电动机传动比； η—机构总传动效率。 带入数字得： Tj=转动惯量
J=0.339+2⨯0.053+0.15kg⋅m2=0.595kg⋅m2 Tq=(1.6~1.8)T25=1.8⨯9550⨯所以
tq=
4
=75.15N⋅m 915
2000⨯0.311
=3.48N⋅m
2⨯2⨯55.83⨯0.8
9.55Tq-Ti[J]nm
=
0.595⨯915
=0.795s
9.55⨯71,.69
[]
式中 nm—电动机额定转速，r/min；
[Jm]—机构运动质量换算到电动机轴上的转动惯量，kg⋅m2； Tq—电动机平均启动力矩，N⋅m；
[tq]—推荐启动时间，s,一般为[tq]=1~5s，起重量大时，取大值。 通常起升机构启动时间为1～5s，此处tq
2.制动时间验算
满载下降的制动时间为 tz=
[J]n
'
'm
9.55(Tz-Tj')
=
0.509⨯1006.5
=0.41s
9.55⨯(135-3.48)
当起升高度小于12m/s时，tZ
目 录
摘要……………………………………………………………………………………1 关键字…………………………………………………………………………………1 前言………………………………………………………………………………… 2 1 起重机设计总则………………………………………………………………… 3
1.1 我国起重机机械行业……………………………………………………3
1.2 国际起重机机械行业…………………………………………………… 3
1.3 起重机的作用和作业特点……………………………………………… 4
1.4起重机的组成………………………………………………………………4
1.5起重机的类型………………………………………………………………4
1.6旋臂起重机介绍……………………………………………………………5 2 起升机构的设计………………………………………………………………6
2.1 确定起升机构的方案 ……………………………………………………6
2.2 电动葫芦的选择 ……………………………………………………6
2.3 钢丝绳的选择与使用…………………………………………………… 7
2.4 确定滑轮参数…………………………………………………………… 8
2.5 确定卷筒尺寸并验算其强度…………………………………………… 9
2.6 电动机的选择……………………………………………………………11
2.7 验算起升速度和实际所需功率…………………………………………12
2.8 卷筒心轴的设计及强度计算……………………………………………13
2.9 取物装置计算……………………………………………………………15
2.10 钢丝绳在卷筒是的固定及计算…………………………………………16
2.11 验算启动及制动时间……………………………………………………17 3 运行机构的设计………………………………………………………19
3.1 运行阻力……………………………………………………19
3.2 验算电动机发热条件………………………………………………19
3.3 验算启动时间……………………………………………………20
3.6 选择制动器 ……………………………………………………20
3.8 验算制动时间……………………………………………………20
3.9 选择减速器……………………………………………………20 4 回转机构的设计………………………………………………………21
4.1 回转机构的组成及常用形式 …………………………………………21
4.2 载荷计算 ……………………………………………………23
4.3 回转驱动装置计算 ………………………………………………25
4.4 电动机的选择与校验…………………………………………………27
4.5 确定机构速比选择联轴器…………………………………………… 28
4.6 制动器的选择………………………………………………………… 28
4.7 减速器的选择………………………………………………………… 29
4.8 螺栓组连接的设计…………………………………………………… 29
4.9 强度的校核…………………………………………………………… 31
总结与发展………………………………………………………………………… 33 参考文献…………………………………………………………………………… 34 致谢………………………………………………………………………………… 35
附录1……………………………………………………………………………… 36 附录2……………………………………………………………………………… 47
2T 立柱式旋臂起重机的设计
摘要：
起重机是工程实际中广泛应用的特种设备。而旋臂起重机是近年发展起来的中小型起重装备，安全可靠，具备高效、节能、省时省力、灵活和结构独特等特点.根据旋臂起重机的整体结构特点和规范规定，了解起重机的发展现状、分析起重机的工作原理、系统组成、所要求实现的功能和相应的结构上必不可少的。该设计主要针对起升机构选择相应的零部件及技术参数，使其既能很好的实现起重机的运行还不互相干涉且配合良好，也对回转机构做了详细的分析介绍。传统设计的定柱式旋臂起重机，存在着结构笨重和刚度不足的缺陷，随着市场竞争激烈，对产品提出了更高的要求，采用现代设计对传统设计和计算方法技术提升，已迫在眉睫。
关键词：起重机；起升机构；回转机构
The Design Of 2-Ton Column Jib Crane
Abstract:
Crane is widely applied in engineering, Slewing crane is small and medium lifting equipment which developed in recent years,the characteristics of which are safe and reliable、 with high efficiency、 energy saving、time-saving、flexible 、unique structure,etc.According to the feature of completed structure for slewing jib crane and the rule of design.Understand the development of the crane’status、analyze its operation principle、system configuration、the function and relative structure that the crane required is indispensable.thus this paper put its emphasis on the design of main hoisting mechanism,choosing the appropriate spare parts and technical parameters for it in order to be good for crane operation and non-interference.the slewing mechanism analysis is introduced in detail too.the structure of crane designed with tradition method is overdesigned in strength and not enough in stiffness,and with fierce competition in the market a higher requirement for product has been brought forward.So using modern design technology to upgrade traditional design and calculation method is extremely urgent.
Keywords：crane；hoisting mechanism；Slewing mechanism
前言
起重机是一种非标准机械设备，通常是按订单生产的。一般情况是，首先根据用户对设备提出的性能参数、外形尺寸、质量、价格等方面的要求进行设计，然后开始生产。
起重机械种类繁多，应用十分广泛。近年来，工程起重机械异常迅猛，持续火爆，新理念、新技术、新材料不断给予起重机械新的活力，因而起重机械行业的工程技术人员随之面临着新的挑战和考验。
起重机是一种循环、间歇运动的机械，主要用于物品的装卸。一个工作循环一般包括：取物装置从取物地点由起升机构把物品提起，运行、旋转或变幅机构把物品移位，然后物品在指定地点下降；接着进行反向运动，使取物装置回到原位，以便进行下一次的工作循环。在两个工作循环之间，一般有短暂的停歇。由此可见，起重机械工作时，各机构经常是处于起动、制动以及正向、反向等相互交替的运动状态中的。起重机是各种工程建设广泛应用的重要起重设备，它对减轻劳动强度，节省人力，降低建设成本，提高劳动生产率，加快建设速度，实现工程施工机械化起着十分重要的作用。针对这一需求，本设计以立柱式旋臂起重机的设计计算、三维建模和有限元仿真为主要内容。
第1章 起重机设计总则
1.1 我国起重机械行业
起重机与工程机械一样，是真正具有中国特色的名称与概念。我国起重机主要包括塔式起重机、汽车起重机、履带式起重机、施工升降机、门式起重机、门座起重机、轮胎起重机、桅杆式起重机和揽索式起重机等。
我国工程机械行业已经发展成机械工业10大行业之一，我国也进入了工程机械生产大国之列。工程起重机械用途广泛，市场遍布国民经济各个部门，其中主要有交通运输、能源、 原材料、农林水利、城乡发展以及现代化国防六大领域。工程起重机械是保证各种工程建设实现高速度、高质量和低成本的重要手段。
随着我国深化改革，扩大开放和发展社会主义市场经济等一系列重大政策的贯彻实施，
起重机械行业在技术水平、科研条件、品种数量、产品质量、专业化生产程度、生产规模、出口创汇、用户服务、企业组织结构优化、高等教育及人才培养诸方面，均获得了很大进步，在国民经济各领域和国防现代化建设中正发挥着举足轻重的作用。我国已经成为世界贸易组织正式成员国，这也为起重机械的更大发展提供了新的机遇。
1.2 国际起重机械行业
欧洲作为工程起重机的发源地，也是经济非常发达的地区，代表轮式起重机的最高水平，最负盛名的生产企业有利勃海尔、德马克，同时还有森内博根、德国格鲁夫、多田野·法恩、波塔恩、奥米格、里格、PPM等著名企业，该地区主要现状为：主要生产全地面起重机、履带式起重机，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，产品遍布全球。美国工程起重机相对落后于欧洲水平。近年来，通过收购和合并的手段，先是格鲁夫收购了欧洲老牌起重机企业克虏伯公司，然后特雷克斯收购了德国德马克；随后，马尼托瓦克兼并了包括美国格鲁夫公司在内的国内大部分工程起重机企业，使美国工程起重机行业得以蓬勃发展。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，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，产品主要销往美州地区和亚太地 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），但发展很快，很受亚太市场的欢迎；同时，日本通过收购的手段来更新技术，加快发展速度，如日本多田野收购德国法恩底盘公司来发展其全路面技术。日本主要生产汽车起重机、履带起重机、越野轮胎起重机、全路面起重机，其中越野轮胎起重机产量最大，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，主要生产企业为多田野、加藤、神钢、日立、小松等。产品特点是技术水平、性能、可靠性落后于欧美水平，40%的产品用于出口。
1.3 起重机的作用、作业特点
起重机械作用主要表现在减轻工人的繁重体力劳动，加快施工与作业进度，
提高劳动生产率，降低施工与作业成本、提高质量等方面。
起重机是以反复的循环方式完成货物装卸或设备安装作业的。一个工作循环包括：取物、货物上升、水平运动、下降、卸载，然后空吊具返回原地。一个工作循环时间一般从几分钟到二三十分钟，其间各机构在不同时刻有短暂的停歇时间。这一特点决定了电动机的选择和发热计算方法；由于反复起动和制动，各机构和结构将受到强烈的震动和冲击，载荷是正反向交替作用的。许多重要构件承受不稳定变幅应力的作用，这些都对构件的强度产生较大的影响。
起重机属于危险性作业的设备，它发生事故造成的损失将是巨大的。所以起重机设计和制造一定要严格按照国家标准和有关规定进行。
1.4 起重机的组成
起重机由产生运动的机构、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指示装置等四大部分组成。
起重机机构有四类，即：使货物升降的起升机构；做平面运动的运行机构；使起重机旋转的回转机构；改变回转半径的变幅机构。每一机构均由电动机、减速传动系统及执行装置等组成。
1.5 起重机的类型
可根据使用要求，设计任何合适的起重机形式。但从构造特征来看，种类繁多的起重设备可归纳为三大类。
1. 单动作起重设备
这类起重设备是使货物作升降运动的起升机构。常见有下列几种：
1、千斤顶 一种升降行程很小，举升能力较大的小型起重设备。螺旋千斤顶或齿条千斤顶可用于汽车维修；液压千斤顶可将大型起重机顶起以跟换车轮。
2、滑车（俗称葫芦） 一种用链条或钢丝绳与滑轮构成的省力滑轮组，结构紧凑，质量轻，是一种可携带的起重工具，有手动和电动两种。电动葫芦则是一种电动起升机构，配有运行小车后可在空间布置的工字钢轨上运行，构成单轨架空道，是一种生产流水线上空的自动运货车。电动葫芦可作为梁式起重机的起升机构。
3、绞车 由电动机经减速器、卷筒、驱动钢丝绳滑轮组成的起重设备，用以起吊重物或产生牵引力。在矿山、建筑工地及舰船等处应用。各类起重机的起升机构都是一种绞车。绞车也有液压或内燃机驱动的。
4、升降机 一种由绞车拖动吊箱，吊箱延轨道升降的起重设备。在建筑工地上应用的建筑升降机是一种典型的形式。在高层建筑中应用的电梯是供人员上下楼梯使用的，是一种安全信号设备齐全，自动控制的、且制造很精良的载人升降机。矿山使用的矿井提升机与电梯类似，单更加大型化。
2. 桥式类型起重机
依靠运行机构和运行小车运行机构组成，使起重的货物做平面运动，再加上置于小车上的起升机构，作业的范围是长方形空间。根据结构形式不同有下列几种：
1、桥式起重机。
2、门式起重机，包括装卸桥，岸边集装箱起重机。
3、缆索起重机 缆索起重机是一种特殊类型的桥式类型起重机，它的小车在特制的承载钢索上运行，承载钢索支承于两个塔架的顶端，跨度在100m以上，通常在大型建设工程中使用，如大型水电工程的大坝施工等。岸边集装箱起重机
也是门式类型起重机，它的特点是有很长的伸臂，可以跨越大型船舶进行集装箱装卸，门架的跨度不大，但可以通过集装箱汽车。其他起重机特点将在下详述。
3.回转类型起重机
依靠起重机的回转和变幅机构运动的组合，使起吊的货物作水平运动，作业范围是圆柱形空间，由于起重机整体还可以延一定轨道运行，所以，这类起重机的作业范围是比较大的，它又可分为如下几种：
1、塔式起重机。
2、门座起重机。
3、流动起重机。
4、浮式起重机。
浮式起重机是以自行船舶为行驶装置的起重机，设计时要时要考虑起重机在水上会摇摆的特点。
1.6旋臂起重机介绍
1.悬臂起重机是近年发展起来的中小型起重装备，结构独特，安全可靠，具备高效、节能、省时省力、灵活等特点，三维空得内随意操作，在段距、密集性调运的场合，比其它常规性吊运设备更显示其优越性。本产品广泛用于各种行业的不同场所。悬臂起重机工作强度为轻型，起重机由立柱，回转臂回转驱动装置及电动葫芦组成，立柱下端通过地脚螺栓固定在混凝土基础上，由摆线针轮减速装置来驱动旋臂回转，电动葫芦在旋臂工字钢上作左右直线运行，并起吊重物。起重机旋臂为空心型钢结构，自重轻，跨度大，起重量大，经济耐用。内置式行 旋臂吊MODE型走机构，采用带滚动轴承的特种工程塑料走轮，摩擦力小，行走轻快；结构尺寸小，特别有利于提高吊钩行程。
悬臂起重机系列可分为：
1、定柱式悬臂起重机；
2、JKBK定柱式悬臂起重机；
3、移动式悬臂起重机；
4、墙壁式悬臂起重机；
5、臂行式悬臂起重机；
6、轻型龙门式悬臂起重机；
7、曲臂式悬臂起重机；
8、双臂式悬臂起重机。
2.定柱式旋臂起重机
定柱式悬臂起重机又称立柱式悬臂起重机，起重量在125Kg-5000Kg，是凯力起重自行研制的产品，可以根据客户需求设计定制的专用起重设备。
立柱式旋臂吊具有结构新颖、合理、简单、操作方便、回转灵活、作业空间大等优点，是节能高效的物料吊运设备，可广泛适用于厂矿、车间的生产线、装配线和机床的上、下工作及仓库、码头等场合的重物吊运。定柱式旋臂吊根据其旋臂所使用型钢的不同可以分为：BZD型和BZD-JKBK型。
本机由立柱、回转旋臂及电动葫芦等组成。立柱下端固定于混泥土基础上，旋臂回转，可根据用户需求进行回转。回转部分分为手动和电动回转（摆线针轮减速剂安装与上托板或者下托板上带动转管旋臂回转）。电动葫芦安装在旋臂轨道上，用于起吊重物。
第2章 起升机构的设计
2.1 确定起升机构的传动方案
起升机构包括：取物装置，钢丝绳卷绕系统及驱动装置等部分，用来实现物品的上升与下降动作。
根据设计要求所给参数，起重量Q=2t,属于小起重量旋臂起重机。主要技术要求参数如下：
表2-1 起重机主要技术参数
起重量Q 起升高度H 跨度L 起升速度V 回转速度 转角范围 2t 10m 6m 8m/min 1rad/min 280
传动装置中广泛采用减速器，它是原动机和工作机之间独立的闭合传动装置，用来降低转速和增大转矩以满足各种工作机的需要。根据设计要求及分析，直接选用电动葫芦为起升机构。
2.2 电动葫芦的选择
由额定起重量为2t,起升高度为10米，通过查阅《CD1型电动葫芦主要技术参数》，选择电动葫芦的型号为CD12-12，其技术性能为下表所示：
表2 CD12-12电动葫芦技术参数
技术性能 单位 参数
起重量 吨 2
起升高度 米 12
起重速度 米/分 8
运行速度 米/分 20
钢丝绳直径 毫米 11
钢丝绳规格（GB1102-74） 6*37-11
钢丝绳长度 米 28
工字梁轨道型号（GB706-88） 20a-32c
环形轨道最小曲率半径 米 2.0
工作级别 M3
结合次数 120/min 起重电机型号 ZDY31-4
额定功率 千瓦 3
额定转速 转/分 1380
额定电流 安培 7.6
运行电动机型号 ZDY12-4
额定功率 千瓦 0.4
额定转速 转/分 1380
技术性能 单位 参数
电流 安培 1.25
基本尺寸（电动小车式）
L1 毫米 205
L2 毫米 290
f 毫米 956
Bmax 毫米 935
电动小车型总重 千克 265
2.3 钢丝绳的选择与使用
钢丝绳是起重机机械的重要零件之一，它是一种易于弯曲的挠性件。具有强度高、挠型好、自重轻、运行平稳，极少突然断裂等特点，因而广泛用于起重机的起升机构、变幅机构、运行机构，也可用于旋转机构。它还用作捆绑物件的绳索、桅杆起重机的张紧绳、缆索起重机和空气索道的牵引绳、承载绳等。
钢丝绳受力复杂，受载时，钢丝绳中有拉升应力、弯曲应力、挤压应力及钢丝绳捻制下的残余应力。当钢丝绳绕过滑轮时，受到变应力作用使材料产生疲劳，最终由于钢丝绳与绳槽、钢丝绳之间磨损而破断。
因为在起升过程中，钢丝绳的安全至关重要，所以要保证钢丝绳的使用寿命，为此我们采用一下措施：
1）尽量减少钢丝绳的弯曲次数；
2）高安全系数，即降低钢丝绳的应力；
3）选用较大的滑轮与卷筒直径。
滑轮槽的尺寸与材料对钢丝绳的寿命有很大的关系，其太大会使钢丝绳与滑轮接触面积减小，太小会使钢丝绳与槽壁间的摩擦剧烈，甚至会卡死。
1. 钢丝绳破断拉力计算
由《起重吊装简易计算》可知，钢丝绳破断拉力计算公式如下：
sb=πdi2
4nδϕ=nFiδbϕ （2-1）
式中 sb—钢丝绳的破断拉力（N）
di—钢丝绳中每一根钢丝的直径
n—钢丝绳中每一根钢丝的总根数
δb—钢丝绳中钢丝的抗拉强度（Pa)
Fi—钢丝绳中钢丝的总断面面积mm2
ϕ—钢丝绳中的搓捻不均匀引起的受载不均匀系数
（当钢丝绳为6×37+1时，ϕ=0.82；当钢丝绳为6×19+1时，ϕ=0.85）
本设计选用6×37+1型钢丝绳，与以同径者6×19+1型相比较，钢丝多且细，则绳的挠性好，而耐磨性稍差，在此基础上还能满足我们的需求。所以我们选用6×37+1型钢丝绳（GB1102-74）。
验算6×37+1型 3.14⨯(0.15⨯10-3)2⨯222⨯1700⨯103⨯0.82 smax= =60.73KN (2-2）4
验算6×19+1型 3.14⨯(0.7⨯10-3)2114⨯1700⨯103⨯0.85=60.36KN （2-3） smax= 4
2. 钢丝绳允许拉力的计算
通过查阅《起重吊装简易计算》，用于机动起重设备的安全系数K为5～6，我们选用较大的安全系数K=6，滑轮组倍率m=2，则可以的钢丝绳的允许拉力为： S60.73p=b==10.12KN （2-4） K6
2.4 确定滑轮的参数
1.滑轮
滑轮是是起重机的承载零件，可以引导和改变绳索拉力方向，用以支承钢丝绳，平衡钢丝绳分支的拉力，组成滑轮组，达到胜利和增速的作用。滑轮绳槽尺寸应保证钢丝绳顺利绕过且接触面积应尽可能大，以避免产生钢丝绳与滑轮轮缘的摩擦甚至是跳槽。滑轮由轮缘、轮辐和轮毂三部分组成的。滑轮的具体尺寸，可按钢丝绳直径由起重机设计手册查得。
钢丝绳绕过滑轮尺寸时要产生横向变形，故滑轮槽底半径应稍大于钢丝绳半径，钢丝绳直径小时R大些，钢丝绳直径大时R取小些。
2.滑轮的尺寸
滑轮的主要尺寸是换轮直径D，轮毂宽度B和绳槽尺寸，起重机常用铸造滑轮已标准化（ZBJ8006.3—87）。滑轮结构尺寸可按钢丝绳直径进行选定。
1）工作滑轮直径
D0≥e2d （2-5） 式中 D0—按钢丝绳中心计算的滑轮直径（钢丝绳卷绕直径）mm;
d—钢丝绳直径，mm;
e2—轮绳直径比。
查《机械设计手册》，根据机构工作级别，取绳经比系数e=16,则可得
D0min≥11⨯16=176
查《机械设计手册》选用滑轮直径D=280，由附表选用钢丝绳直径为d=11mm,滑轮直径D=280，滑轮轴直径为D5为80mm的E1滑轮，滑轮标记为ZBJ8006.3—87—11×280-80。
2.5 确定卷筒尺寸并验算其强度 1.卷筒类型及构造
卷筒是起升机构和牵引机构中卷绕钢丝绳的部件。起升机构的卷筒是用来卷绕并储存钢丝绳的，卷筒大多用铸铁铸造：大卷筒和单件生产的卷筒，用钢板焊接。卷筒承受起升载荷的作用，应有做狗刚性的底座予以支承，而卷筒的轴应该是静定支承。
根据钢丝绳在卷筒卷绕层数分为单层卷筒和多层卷筒，卷筒材料采用不低于HT20—40的铸铁，特殊是可采用ZG25II、ZG35II铸钢或3号钢板焊成。
2.卷筒直径
卷筒直径的大小直接影响钢丝绳的弯曲程度，为保证钢丝绳寿命，卷筒直径不能太小，卷筒直径必须大于钢丝绳直径的一点倍数，卷筒直径一般为：
D0≥e1d （2-6）
式中 D0—卷筒卷绕直径（钢丝绳中心所在直径），mm； e1—与机构工作级别和钢丝有关的系数； d—钢丝绳直径，mm。
带入数字得 D0≥11⨯18=198mm
为了适当的减少卷筒的长度，则应该选用较大直径的卷筒，根据《起重机设计手册》[7]表14—1，选用直径D=300mm的卷筒，卷筒槽尺寸由表14—3得t1=14,槽底半径R=6.7（标准槽）。
3.卷筒长度
图2—3是卷筒的大体形状及尺寸。
图2—3 单层绕卷筒长度
L=L0+2L1+L2 （2-7）
式中 L0—卷筒上车螺旋槽部分的长度，mm； L1—无绳槽卷筒端部尺寸，根据构造需要选定，mm； L2—固定钢丝绳所需要的查长度，L2≈3p，mm。 L0=(
Hmax⋅m
+Z1)p （2-8） πD0
式中 Hmax—最大起升高度，mm； m—滑轮组倍率；
D0—卷绕计算直径，由钢丝绳中心算起的直径，mm； Z1—为固定钢丝绳的安全圈数，Z1≥1.5； p—绳槽节距—p=(2~4)mm。
综上，带入数得：
10000⨯2
+2)⨯14=315mm L0=(
3.14⨯311 L1=3⨯14=42mm L2=3⨯14=42mm L=L0+2L1+L2=315+84+42=441mm 取L=500mm。 4. 卷筒壁厚δ
δ=0.02D+(6~10)=12~16mm （ 2-9） 取δ=14
5.强度计算
卷筒壁中承受复杂的应力，包括起升钢丝绳拉力缠绕而产生的压应力，钢丝绳拉力产生的扭转和弯曲应力，根据分析扭转产生的应力非常小，可忽略不计，卷筒壁中的应力主要是钢丝绳在卷筒壁上产生的压缩应力。而当卷筒的长度小于或等于3倍卷筒直径，即当L≤3D时，主要计算压应力，弯曲和扭转的合成应力一般不大于压应力的10%~15%，所以只计算压应力是合理的，此时卷筒内表面上的最大压应力为
δ压=A1A2
Smax
δt
≤[δ压](pa) （2-10）
式中 A1—多层卷绕系数，该值与钢丝绳卷绕层数有关；
A2—应力减小系数，考虑绳圈绕入时对筒壁有减小作用，一般可取
A2=0.75；
smax—钢丝绳中最大静拉力； δ—卷筒壁厚，可按下列初选： 铸钢卷筒 δ≈d
铸铁卷筒 δ≈0.02D+(0.6~1.0) t—卷筒绳槽节距； [δ压]—许用压应力 对 钢 [δ压]= 对铸铁 [δ压]=所以
δs
2
（δs—屈服强度） （δy—抗压强度）
δy
5
δ压=A1A2
Smax
δt
=0.75⨯
10120
=38724489.9pa=38.72Mpa （2-11）
0.014⨯0.014
选用灰铸铁HT200.最小抗拉强度sb=200MPa，许用压应力为 [δ压]=
200
=40MPa 5
因为δ压
2.6 电动机的选择 1.电动静功率的计算
Q起V2000⨯8
N静===3.27KW (2-12）
6120⨯η06120⨯0.8
式中 Q起—起升载荷重量，Kg； V—物品上升速度（米/分）； η0—机构总效率，一般取0.8～0.9。
为了满足电动机起动时间不过热要求，对起升机构，可按下式初选相应于机构的jc%值的电动机功率：
Njc≥k电N静 （2-13） （千瓦）
式中 k电—系数。
由《起重机设计手册》，取k电=1，则
Njc≥1⨯3.27=3.27KW 查《机械设计基础》选择电动机型号，选用电动机为YZ系列冶金及起重三相异步电动机。电动机型号为YZ132M2—6，电动机工作制为S2（短时工作制），工作定额为30分，额定功率为4KW，额定转速为915r/min。 2.电动机发热验算
电动机工作因为温升而发热，过高的温升会使绕组的绝缘材料加速老化，故需要对按静功率选择的电动机进行发热验算，以控制电动机温升在容许的范围内。
按照工作类型系数法，由《起重机设计与实例》[9]表2—9可知jc25%的等效功率为
N等效=γ⋅N静 （2-14）
γ的值结合《起重机设计手册》[7]表8—14和图8—37得γ=0.87，则 N等效≥0.87⨯3.27=2.75kw 综合以上的计算结果，N等效
2.7 验算起升速度和实际所需功率
驱动装置总传动比
i=
n
（2-15） n筒
式中 n—电动机额定转速（转/分） n筒—稳定时卷筒的转速 n筒=
mv2⨯8
=r/min=16.39r/min （2-16） πD03.14⨯0.311
式中 m—滑轮组倍率；
v—物品上升速度（米/分）；
915
所以 i=
16.39
实际起升速度：
3.14⨯0.311⨯915
=8.0037m/s v'=
55.82⨯2
误差：
v'-v8.0037-8
=⨯100%=0.046%
所以速度与传动比符合要求。 实际所需等效功率：
v'
=3.26kw Nx'=Nx=3.27⨯8.0037（2-17） v
ε=
NX'
2.8卷筒心轴的设计及强度计算
由于卷筒轴的可靠性对起重机的安全、可靠的工作非常重要，因此应十分重视卷筒轴的结构设计和强度、刚度计算。卷筒轴的结构，应尽可能简单、合理，应力集中应尽可能小。卷筒轴不仅要计算疲劳强度，而且还要计算静强度；此外，对较长的轴还需校核轴的刚度。
由前面的设计可知：卷筒的名义D=300mm，取卷筒长度L=700，卷筒槽形槽底半径r=6.7mm，绳槽尺寸t=14mm，钢丝绳允许拉力为p=10.12KN。其它参数有P卷=2.82KW，T卷=1642.13⨯103N⋅mm，n卷=16.4r/min。 选取轴的材料为45刚，调制处理。 1. 初算卷筒心轴最小直径 dmin=AP2.82
（2-18） ==62.18mm
n16.4
取轴的最小直径圆整为d=63mm。
图2-10 卷筒心轴结构图
2.确定各段轴的直径、长度
1-2段和6-7段为轴承的位置，直径d1-2=d6-7=63mm，其它各部分直径按照结构来取，d2-3=70mm，d3-4=80mm，d4-5=75mm，d5-6=70mm。确定卷
L1-2=36mm, 筒心轴各段长度时，应根据轴承宽度、卷筒长度和端盖长度来确定。
L2-3=105mm,L3-4=495mm,L4-5=105mm,6-7段为套筒长度,取L6-7=120mm.
3.计算支座反力
10120⨯(130+325+150)+10120⨯(325+130)=13409N RA=
500
N RB=2⨯10120-13409=6831
心轴右轮毂支承处最大弯矩：
Mw=RB⋅130=6831⨯130=88803N⋅mm 4. 疲劳计算
对于疲劳计算采用等效弯矩，查《起重机设计手册》得知等效系数 j=1.1 等效弯矩：
Md=ϕ⋅Mw=1.1⨯88803=97683.3N⋅mm 弯曲应力：
Md97683.3
==58.71MPa33
0.1⨯d0.1⨯5.5
心轴的载荷变化为对称循环。由上式知许用弯曲应力：轴材料用45号钢，其中
σw=
δb=600MPa，δr=300MPa；δ-1w=0.43。 [σ-1]w=
σ-1w1
k⋅n
=
2581
⨯=93.48MPa 1.7251.6
式中 n=1.6—安全系数 K—应力集中系数
Kx—与零件几何形状有关的应力集中系数，当零件表面形状剧烈过渡和 零件上开有沟槽时，以及紧配合区段Kx=1.5~2.5，本处取Kx=1.5
Km—与零件表面加工粗糙度有关的应力集中系数，Km=1.10~1.15，本处 取Km=1.15。
σw
5. 静强度计算
卷筒轴属于起升机构低速轴零件，其动力系数可由表查得，ϕc∏=1.2。 Mwmax=ϕc∏Mw=1.2⨯88803=106563.6N⋅mm 许用应力：
σmax=
Mwmax106563.6
==64.05MPa33
0.1d0.1⨯5.5
σmax[σ]w
[σ]w=σr
n
=
300
=187.5MPa1.6
故卷筒轴的疲劳和静强度计算通过
2.9 取物装置计算
取物装置能使起重机顺利安全和高效率的工作，应尽可能构造简单，质量轻。由搬运物品形状不同，取物装置分为通用专用两类。通用取无装置有吊钩、吊环；专用取物装置由抓斗、电磁吸盘、夹钳等。对于本设计，我们选择吊钩作取无装置。
吊钩是起重机上极其重要的零件。吊钩的突然断裂将造成人身及设备事故，因此对吊钩的材料和加工，国家有严格规定，吊钩按制造方法分锻造吊钩和片式吊钩，中小起重量的吊钩一般用优质碳素钢锻造而成，大型起重量的吊钩一般用片式吊钩。吊钩的专用材料有：20、20Mn、34CrMo、34CrNiMo等。锻造吊钩必须经过热处理。以达到规定的机械性能。片式吊钩要求钢板轧制方向与吊钩受力方向一致，片式吊钩比锻造吊钩可靠，一般不会不会产生突然断裂。因强度和材料引起的断裂只限于起重个别钢板，因此易发现并跟换，也同样由于强度和材料不确定性的吊钩不允许铸造、焊接制造和修复。吊钩的型号可查相应国家标准。
吊钩的主要尺寸
图2-10是吊钩钩身主要尺寸图
图2-10 吊钩钩深主要尺寸
吊钩的主要尺寸是由勾孔直径D来决定的。 勾孔直径 D≈(30~35p(mm)
式中 Cp—额定起重量，t。 带入数据得
D≈(30~35)⨯2=42.42~49.49mm （2-19） 取D=45mm。 其它尺寸
≈1.0~1.2S≈0.75D≈0.75⨯45≈33.75mm
l1≈(2~2.25)h=(2~2.25)⨯45=90~112.5
l2≈0.5h=22.5mm
2.10 钢丝绳在卷筒上的固定及计算
钢丝绳在使用时必须与其他零件连接才能传递载荷，钢丝绳应可靠的固定于卷筒上并易于跟换，其方法有：用压板固定，用长板条固定；用楔子固定。用压板滚钉构造简单，钢丝绳更换方便，且安全可靠，目前用得最广。
1.钢丝绳进出卷筒或滑轮的允许偏角 当钢丝绳在卷筒上卷绕时，其中心线与卷筒径向剖面存在偏角，随绕着卷绕的进程，偏角从正到零，再从零到负。好的卷筒配置是使最大的正负角相等。为了防止钢丝绳脱槽的过度磨损，必须限制最大偏角，建议最大偏角不大于如下值：
对光滑卷筒：2 ； 对螺旋槽卷筒：5 ； 对利巴斯卷筒：1.5 。 2.钢丝绳固定处的拉力 S固=
Smax
(kg) μae
式中 Smax—钢丝绳最大允许静拉力，N；
μ—钢丝绳与卷筒表面的摩擦系数，μ=1.6； e—自然对数的底数，e=2.718。
a=3π时，S固=0.22Smax a=4π ，S固=0.134Smax S固=0.134⨯10120=1356.08N 3.螺栓扣紧力
按压板槽为梯形时计算 N=
S固
（2-20） N）
μ+μ1
式中 μ1=
μ
为压板与钢丝绳的换算摩擦系数；
sinβ+μcosβ
β—压半槽的斜面角，β=45
故 N=2.8S固=2.8⨯1356.08=3797N 2.螺栓合成应力
钢丝绳滚钉螺栓的拉力包括下面两部分：由扣紧力N引起的拉力及由垫圈与压板之间的摩擦力Nu'使螺栓弯曲引起的拉力，故
NNμ'l
δ拉=+≤[δ拉](N⋅cm) 23
πd内0.1Zd内Z4
式中 Z—固定钢丝绳用得螺栓数量； d固—螺栓螺纹内径(cm);
μ'—垫圈与钢丝绳压板之间的摩擦系数，可取u'≈0.16； l—Nμ'力作用的力臂(cm) [δ拉]—螺栓许用压应力。
由《机械设计课程设计手册》选取螺栓内径d=14mm，本固定装置用两个螺栓，材料选用Q235，其许用应力
0.8δs0.8⨯240
==128MPa [δ拉]=1.51.5
带入上面数字得
δ拉=
37973797⨯0.16⨯19
+=3337.20N⋅cm=33.37MPa≤[δ拉]=128MPa22
3.14⨯1.40.1⨯2⨯1.42⨯
4
所以选用螺栓合格。
2.11验算启动、制动时间
起升机构的工作为周期性的，工作时分启动、稳定运行和制动三个阶段。由于机构在启动和制动时会产生加速度和惯性力，若启动和制动时间过长，加速度小，将影响起重机的生产率，反之，加速度太大，又会给金属结构和传动部件施加很大的动载荷，并使零部件的受力增大，因此，必须把启动时间与制动时间控制在一定范围内。
1.启动时间验算
起升机构在启动阶段，要使原来静止的质量开始运动。这时电动机的启动转矩除了要克服启动力矩Tq除了要克服静阻力矩Tj外，还有运动质量的一部分用来克服运动质量的惯性阻力矩Tg，即
Tq=Tj+Tg(N⋅m) （2-21）
将阻力矩按下式计算
Tj=
FQD12aiη
(N⋅m)
式中 FQ—额定起升载荷，N； D1—卷筒计算直径； a—滑轮组倍率；
i—卷筒至电动机传动比； η—机构总传动效率。 带入数字得： Tj=转动惯量
J=0.339+2⨯0.053+0.15kg⋅m2=0.595kg⋅m2 Tq=(1.6~1.8)T25=1.8⨯9550⨯所以
tq=
4
=75.15N⋅m 915
2000⨯0.311
=3.48N⋅m
2⨯2⨯55.83⨯0.8
9.55Tq-Ti[J]nm
=
0.595⨯915
=0.795s
9.55⨯71,.69
[]
式中 nm—电动机额定转速，r/min；
[Jm]—机构运动质量换算到电动机轴上的转动惯量，kg⋅m2； Tq—电动机平均启动力矩，N⋅m；
[tq]—推荐启动时间，s,一般为[tq]=1~5s，起重量大时，取大值。 通常起升机构启动时间为1～5s，此处tq
2.制动时间验算
满载下降的制动时间为 tz=
[J]n
'
'm
9.55(Tz-Tj')
=
0.509⨯1006.5
=0.41s
9.55⨯(135-3.48)
当起升高度小于12m/s时，tZ