（机械工程专业论文）大型铸造起重机主起升布局研究.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 随着社会的发展对钢材需求的增加，对冶金行业生产能力的要求也越来越高。由 社会需求的增加推动和促进了冶金企业的技术改造和技术进步，大型转炉、连铸、连 技术的应用，对冶金起重机的大型化和高速度提出了更高的要求，冶金起重机是冶金 业安全、正常生产必不可少的关键和重要设备。激烈的国际市场竞争也越来越依赖于 术的竞争。这些都促使起重机的技术性能进入崭新的发展阶段。 本文在总结现有大型铸造起重机的结构型式的基础上，对4 5 0 8 0 t 铸造起重机主 车进行了设计。研究的内容主要有： 1 大型铸造起重机的现状。对大型铸造起重机的结构型式进行了分类，分别论 了各种结构类型的特点。重点研究了大型铸造起重机主起升机构几种结构形式的布局 各自的优点与不足。为大型铸造起重机的设计提供参考。 2 根据给定的起重机主参数，对起重机的主起升机构进行合理布局设计。充分 用国内专为铸造起重机研制的新产品，设计出一种有别于现有结构的起升机构设计 案。文中详细介绍了该设计方案与现有布局方式的共性与不同，指出了它所存在的优 性。从而为大型铸造起重机主起升机构的结构型式提出了一种更为理想的布置方式。 3 利用现代力学分析理论有限元法对起重机下小车架进行了强度和刚度计霉 并对计算结果进行了分析。对这种由上、下两层三个子小车组成的铸造起重机主小车 在设计下小车架时，在对其各梁的计算部分提出了一些建议。 本文在总结现有设计成果和有限元分析的基础上，通过归纳、总结、比较，设计 4 5 0 8 0 t 铸造起重机的主起升机构，同时对下小车架的设计、计算提出了一些切实可 的建议。为工程设计人员进行大型冶金铸造起重机设计提供有益的参考。 关键词：大型铸造起重机；结构型式；结构特点；主起升机构；有限元法 大型铸造起重机主起升布局研究 t h e s t u d yo fl a r g ec a s t i n gc r a n em a i nl i f t i n gl a y o u t a b s t r a c t w i t ht h es o c i a ld e v e l o p m e n ta n da ni n c r e a s i n gn u m b e ro ft h ed e m a n df o rs t e e l i t r e q u e s t sam o r ea n dm o r es t r o n ga b i l i t yt ot h ep r o d u c t i o no fm e t a l l u r g i c a li n d u s t r y t h e t e c h n o l o g i c a lt r a n s f o r m a t i o na n da d v a n c e sh a db e e np r o m o t e db e c a u s eo ft h ei n c r e a s i n g s o c i a ld e m a n d ，a n dah i g h e rr e q u i r e m e n th a db e e nr a i s e df o rt h el a r g e - s c a l ea n dh i g hs p e e do f t h em e t a l l u r g i c a lc r a n ef o rt h ea p p l i c a t i o no ft h et e c h n o l o g yo ft h el a r g ec o n v e r t e r 、c a s t i n g a n dr o l l i n g m e t a l l u r g i c a lc r a n ei st h ei n d i s p e n s a b l ea n di m p o r t a n te q u i p m e n ti nn o r m a l p r o d u c t i o n ，a n dt h ef i e r c ec o m p e t i t i o ni nt h ei n t e r n a t i o n a lm a r k e td e p e n d sm o r ea n dm o r eo n t h et e c h n o l o g i c a lc o m p e t i t i o n t h et e c h n o l o g yo ft h ec a m ew i l le n t e ran e wd e v e l o p m e n t s t a g ep r o m o t e db yt h e s ef a c t o r s t h i sp a p e rh a ds u m m e du pt h es t r u c t u r eo ft h ee x i s t i n gl a r g ec a s t i n gc r a n e ，a n dd e s i g n e d t h em a i nt r o l l e yo f t h e4 5 0 8 0 tc a s t i n gc r a n e t h e s ea r et h ec o n t e n to f t h es t u d y ： 1t h es t a t u sq u oo ft h el a r g ec a s t i n gc r a n e t h es t r u c t u r eo ft h el a r g ec a s t i n gc r a n eh a d b e e nc l a s s e da n dt h e f e a t u r e so fa l lt h es t r u c t u r e sh a db e e ne x p o s i t e d t h em a i nl i f t i n g l a y o u ts t r u c t u r et y p eo ft h ec r a n ea n dt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sh a db e e nm a i n l y s t u d i e d i tc a np r o v i d es o m er e f e r e n c ef o rt h ec a s t i n gc r a n ed e s i g n 2r e f e r r i n gt ot h eg i v e nc r a n ep a r a m e t e r s ，ar e a s o n a b l el a y o u td e s i g nh a db e e ng i v e nf o r t h em a i nl i f t i n gm e c h a n i s mo ft h ec r a n e an e wd e s i g np r o g r a mf o rl i f t i n gm e c h a n i s mh a d b e e ng i v e nb a s e do nt h ed o m e s t i cm e t h o d t h i sp a p e ra l s og i v e nad e t a i l e di n t r o d u c ef o rt h e d i f f e r e n c e sa n dt h es u p e r i o r i t yb e t w e e nt h i sa n do t h e re x i s t i n gd e s i g np r o g r a m s oam o r e i d e a ll a y o u tm a n n e rh a db e e nr a i s e df o rt h em a i nl i f t i n gm e c h a n i s mo fl a r g ec a s t i n gc r a n e 3 t h es m a l lf r a m eo ft h ec r a n eh a db e e ng i v e nas t r e n g t hs t i f f n e s sa n a l y s i su s i n gm o d e r n m e c h a n i c sa n a l y s i st h e o r y f e m ，a n dt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sh a db e e ng i v e na na n a l y s i s a g a i n s tt h i sm a i nt r o l l e yo ft h ec r a n et h a th a st h r e es u b s i d i a r yt r o l l e y su pa n dd o w n ，s o m e r e c o m m e n d a t i o n sh a db e e nr a i s e df o rt h eb e a mc a l c u l a t i o nw h e nd e s i g n i n gt h eu n d e rf r a m e t h r o u g hs u m m a r i z i n g 、s u m m i n gu pa n dc o m p a r i n g ，t h i sp a p e rd e s i g n e dam a i nl i f t i n g m e c h a n i s mo f4 5 0 8 0c a s t i n gc r a n eb a s e do nt h ee x i s t i n gr e s u l t sa n df e m ，s o m ef e a s i b l e r e c o m m e n d a t i o n sh a db e e nr a i s e df o rt h eu n d e rf l a m ed e s i g nb yt h et i m e i tc a np r o v i d es o m e u s e f u lr e f e r e n c ef o rd e s i g n e r sw h e nd e s i g n i n gl a r g ec a s t i n gc r a n e k e yw o r d s ：l a r g ec a s t i n gc r a n e ；s t r u c t u r et y p e ；s t r u c t u r ef e a t u r e ；m a i nl i f t i n gm e c h a n i s m ； f i l l i t ee l e m e n tm e t h o d 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特另j d l ：l 以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：左团翌日期：趁旦笸：3 大连理工大学专业学位硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名： 了姜j 三啤艺一厶鲻鱼碰筮盈 | | ：i 人连理1 = 大学专业学位硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究课题和来源 论文题目：大型铸造起重机主起升布局研究。 课题来源：本溪钢铁( 集团) 起重机制造有限公司4 5 0 8 0 t 桥式铸造起重机新产品开发。 1 2 课题研究目的和意义 进入2 1 世纪，科学技术的飞速发展，推动了现代设计和制造能力的提高。作为物 料搬运重要设备的起重机在现代化生产过程中应用越来越广，作用愈来愈大，对起重机 的要求也越来越高。随着社会的发展对冶金企业的要求也在逐步提高，这不仅表现在对 冶金产品的数量要求上，更重要的是表现在对冶金产品的质量和品种方面，由于社会需 求的增加推动和促进了冶金企业的技术改造和技术进步，大型转炉、连铸、连轧技术的 应用，对冶金起重机的大型化和高速度提出了更高的要求，冶金起重机是冶金行业安全、 正常生产必不可少的关键和重要设备。激烈的国际市场竞争也越来越依赖于技术的竞 争。这些都促使起重机的技术性能进入崭新的发展阶段，起重机正经历着一场巨大的变 革。 2 0 0 3 年太原重型机械集团有限公司( 以下简称太重) 设计、制造的4 5 0 8 0 t 桥式铸造 起重机顺利通过联检，它的研制成功结束了我国大型铸造起重机主要依赖国外进口的历 史，也标志着我国大型铸造起重机设计、制造能力达到国际先进水平。 本溪钢铁( 集团) 起重机制造有限公司是本溪市唯一的起重机设计、制造、安装、 检修单位，多年来集团公司钢产量逐年增长对起重设备的要求也越来越高。到目前为止 已成功设计开发了2 6 0 6 5 1 5 t 铸造桥式起重机，用于本钢第二炼钢厂连铸车间。企业 基于自身发展的需要，也决定开发属于自己知识产权的4 5 0 8 0 t 铸造桥式起重机，以提 高其竞争力和市场占有率。 目前我国对重型冶金设备的研究做了大量的工作，但大型铸造起重机的形式构造还 很单一，尤其是主起升的形式构造随着集成部件的发展还有待于做进一步研究，如何实 现对主起升的合理布局是设计大型铸造起重机的关键。 1 3 与课题研究相关的国内外动态 1 3 1 现代冶金起重机发展趋势 冶金起重机作为冶金行业安全、正常生产必不可少的关键和重要设备，其工作的可 靠性、安全性、先进性一直受到人们的高度重视，但受传统冶金工艺的制约，改革开放 人型铸造起重机主起升布局研究 前的三十年国内冶金起重机基本是在原苏联的模式下做一些小型的改进和发展。随着改 革开放的不断深入，大量国外先进技术的引入，现代冶金起重机也发生了较大的变化。 冶金起重机一般人们主要指服务于冶金企业的铸造起重机、料箱加料起重机、板坯 搬运起重机、钢卷夹钳起重机、磁盘起重机和服务于冶金厂工作级别较高的其它桥式起 重机。由于冶金企业炼钢、铸坯( 铸锭) 、轧钢工艺的改变，脱锭起重机、均热炉夹钳起 重机、刚性料耙起重机、平炉桥式加料起重机、均热炉揭盖起重机等传统冶会起重机已 逐步趋于淘汰，这里不做进一步的分析。仅就前面几种现在冶金企业大量使用的起重机 其发展趋向做一些初步的分析探讨h 1 。 1 3 1 1 发展总趋势 ( 1 ) 起重量大型化，工作速度高速化 现代冶金起重机发展的主要趋势之一，是起重量大型化，工作速度高速化，随着社 会的发展对冶金企业的要求也在逐步提高，这不仅表现在对冶金产品的数量要求上，更 重要的是表现在对冶金产品的质量和品种方面，由于社会需求的增加推动和促进了冶金 企业的技术改造和技术进步，大型转炉、连铸、连轧技术的应用，对冶金起重机的大型 化和高速度提出了更高的要求，现就国内主要冶金起重机生产企业铸造起重机的发展情 况做一简单的统计： 表1 1国内主要冶金起重机生产企业铸造起重机的发展情况 t a b 1 1t h ec a s t i n gc r a n ed e v e l o p m e n to f d o m e s t i cm a i nm e t a l l u r g i c a lc r a n e m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e s 年代 5 0 7 0 年代 8 0 年代 9 0 年代 主钩起重量 ( t ) 2 0 0 2 8 0 4 5 0 主钩起升速度 ( m m i n ) 2 5 1 0 1 2 大车运行速度 ( m m i n ) 7 0 8 0 8 0 小车运行速度 ( m m i n ) 4 0 4 0 4 0 从上表可以看出，五十年来主钩起升速度和起重量均有较大幅度的提高。 ( 2 ) 起升、运行机构均采用调速系统 早在7 0 - - - 8 0 年代，随着交流调速技术的发展和成熟，国外各著名起重机制造厂纷 纷推出各机构调速的承诺。 调速范围因采用的调速方式不同而不同见表1 2 。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 调速方式 调速范围 说明 表1 2 调速范围统计表 t a b 1 1g o v e r n o ro ft h et a b l e s ， 涡流制定子调压变频调速 i 5i 1 0l 1 0 1 2 0 l 2 0 能量损耗、不宣长时连能量损耗、调速性能较调速性能好、可实现能 续使用，趋于淘汰好，大部分在用量再生，正在发展中 现在设计大量使用的是定子调压和变频系统，起升机构以定子调压为多，运行机构 以变频调速为多。机构采用调速以后具有以下明显优点： a ) 机构起、制动平稳当机构起、制动时仅以正常速度的1 1 0 或l 2 0 微速起动或 制动时，被吊物体平稳运行，对起吊钢水包的铸造起重机特别有利； b ) 可有效减少制动器闸块的磨损； c ) 被吊物体能准确定位； d ) 减少对金属结构( 桥架或小车架) 和传动系统的冲击，延长使用寿命； e ) 可有效改善操作工人的工作环境； f ) 减少起动对电网的冲击。 使用调速系统后也带来如下问题： a ) 起重机的造价提高； b ) 对维修电工的技术水平要求较高。 虽然采用调速系统后会增加设备成本，加大维修难度，但随着技术的进步，调速系 统的造价也在逐步降低，而其优越性却越加明显。系统调速以后，其工作情况的改变为 其发展奠定了坚实的基础。 ( 3 ) 监测传感控制技术广泛应用，使用性能和可靠度大大提高 随着科学技术的进步，各种监测、传感控制技术在冶金起重机上得到了广泛的应用， 从而使起重机的使用性能得到很大的提高，使冶金起重机从以前简单意义上物料搬运工 具变成目前的物流、信息流综合传送设备。 a ) 秤量装置： 在铸造起重机上设置数字式秤量装置，小显示屏放在司机室内，大显示屏设在主端 梁下，朝向地面，使盛钢桶内的钢水重量随时显示，该数据联到计算机房内，一方面可 累计每目的产量，另一方面可根据连续板坯的大小、块数来决定盛钢桶应盛放的钢水量， 减少浪费。随着各种大型高精度电子秤的应用，冶金起重机在搬运物品的同时，还可完 成产量的统计、超载断电和报警等功能。 大型铸造起重机主起升布局研究 b ) 故障显示、记录、打印装置 在连续生产的钢铁企业里，时间就是金钱。在起重机出了故障后，希望维修时间减 至最短。故障显示装置可将正发生故障的部、零件名称在司机室内的显示屏上显示出来， 维修人员立即知道故障发生的部位，可大大缩短维修时间。 易出故障的电气和机械的零部件，由业主列出清单，起重机制造厂按业主要求设置故障 显示点，一旦被监测零部件出现故障，就会在屏幕上显示出来，避免更大故障的发生。 该装置除具有显示功能外，还具备记录、打印功能，以备查找故障原因，落实核对责任 的需要。 c )二、三维定位装置 吊具在空间的位置可通过本装置在司机室内的显示屏上显示，定位精度可控制在 l o m m 以下，可满足各类自动作业线的工艺要求。司机可通过显示屏上显示的数字直观地 确定吊具或物体是否已到达该物体应到达的位置，大大缩短起吊时间，也避免物体的晃 动，可有效提高生产效率。 d ) 防碰撞装置 过去为防止两台起重机碰撞，仅安装限位开关和缓冲器，现有激光式或雷达式防碰 撞装置。在一台起重机设发射装置，在另一台起重机设接受或反射装置，达到预先设定 的间距时，就发出报警，避免发生相撞。 e ) 安全制动器 在吊运重要物体，如：核原料、液态金属、大水电站的发电机转子等时，起重机的 主起升机构的卷筒上设置安全制动器。在该卷筒一侧法兰的轮缘上根据制动力矩的需要 可设置一对、二对甚至三对瓦块，由专设的液压站进行控制。起动时，安全制动器先打 开，设在高速轴上的工作制动器后打开。制动时，工作制动器先制动，安全制动器滞后 几秒再制动。安全制动器的作用是保证工作制动器与安全制动器之间所有传动链环节中 任一传动件损坏或断裂时，被吊物件均可以被安全制动，不致坠落。 把各种监测、传感技术适当地应用在起重机上，实现对冶金起重机的有线或无线控 制，既是现代冶金起重机发展的方向，同时也应成为个设计工作者应该努力的目标。 ( 4 ) 控制技术程序化，遥控技术在特殊环境中使用 随着计算机软、硬件技术的发展和r 臻完善，实现程序化控制的起重机也已成为可 能，且其控制范围变得日益广泛，控制功能变得同益完善，各种冶金起重机按照人们事 先约定的模式执行一定的工作任务己成为现实。为了更准确、即时的完成各种工作任务， 各种冶金起重机通过有线或无线与主控设备联动。在主控室控制已成为可能，遥控冶金 起重机和程控冶金起重机已在部分冶金企业中使用。遥控冶金起重机一般用在一些高粉 大连理工大学专业学位硕士学位论文 尘、高污染的危险作业区，如武钢一炼钢出渣跨、珠江钢厂、八一钢厂等都有遥控起重 机在用。而程控冶金起重机一般用在一些作业效率较高的场合。为提高起重机的使用寿 命，减小冲击、提高操作的准确性、运行效率和改善司机的操作环境，宝钢三期工程中 的1 5 8 0 、干熄焦提升机等都有一定范围的使用，程控起重机和遥控起重机将得到一定的 发展，并逐步被冶金企业所采用。 ( 5 ) 结构型式标准化、生产模式国际化 我们之所以把“结构型式标准化，生产模式国际化”作为现代冶金起重机的主要发 展趋势提出，主要出于以下两方面的考虑： a ) 市场经济对冶金起重机的客观要求 由于经济运行体制已由计划转向了市场，这样为设备采购单位在短时间内利用招投 标形式选择质优、价低产品提供了有力和有利的条件，设备生产厂没有结构型式的标准 化和生产模式的国际化就很难达到用户的要求； b ) 信息、通信技术的发展为实现产品结构型式标准化、生产模式国际化提供了充分的 物质和技术支持。实现结构型式的标准化还可以把经过实践检验成熟可靠的结构型式应 用于新的产品中，避免结构型式的不合理产生的技术质量问题，从而提高产品的质量。 ( 6 )吊车型式普通化、吊具型式专用化 把“吊车型式普通化、吊具型式专用化”作为现代冶金起重机的一个发展趋势提出， 主要是出于冶金企业铸坯轧制技术的更新，即由传统的铸锭一脱锭一钢锭加热一初轧一 热轧，到现在的连铸一连轧。配合传统工艺时，冶金企业需要有：桥式加料起重机、料 箱加料起重机、铸造起重机、脱锭起重机、均热炉钳式起重机、均热炉揭盖起重机、板 坯夹钳起重机、刚性料耙起重机、( 含磁盘) 钢卷夹钳起重机等多种起重机来完成其工艺 过程，而采用连铸一连轧工艺时，冶金厂只要有料箱加料、铸造、板坯夹钳、钢卷夹钳 等几种起重机即可完成全部工艺过程中的物料搬运，使吊车型式得到极大的简化。由于 冶金产品品种需求的多样性，各种专用吊具也应用而生，如配合精整跨的卧卷吊具、立 卷吊具、自对中立卷吊具、揭盖吊具、l 型钩钢板吊具、c 型钩，与可人控旋转的吊钩 配合使用，可实现多种操作功能。 ( 7 ) 人机工程合理化、操作环境舒适化 随着社会的进步，环保意识和劳动保护意识的提高，冶金起重机设计过程中把人机 工程及操作环境舒适要求提到了较高的要求，如：司机室加装冷、暖空调、隔热保护、 地面无线遥控、车上有线和无线通讯、航空座椅、司机休息室，上、下吊车全部采用斜 梯、电气室加装隔热防护和冷风机，较窄的人行通道采取防滑措施，经常检修部分加装 吊笼等都为操作维护人员提供了较好的工作环境和条件。特别是双层壁、双层玻璃的司 大型铸造起重机主起升布局研究 机室与可躺式航空座椅、冷暖空调、有线、无线通讯配合使用。为改善司机的工作条件、 提高工作效率、减少工作失误起到了很好的作用。人机工程合理化正逐步成为现代冶金 起重机发展的主要趋势之一，越来越引起人们的重视。 1 3 1 2 典型结构和传动型式的分析和认识 ( 1 ) 铸造起重机主起升机构的发展趋势 铸造起重机主传动采用行星减速机应成为现代铸造起重机发展的趋势。现在在用的 铸造起重机大部分是采用棘轮棘爪传动，之所以采用棘轮棘爪的传动有两个原因，一是 棘轮棘爪对保证铸造起重机的安全运行确有其优点。二是行星减速机最初在铸造起重机 上使用时连续出过几次问题，冶金部专门下文对行星传动予以停用。经过几十年的反思， 以及行星减速机在进口铸造起重机上使用验证的良好业绩和控制监测技术的发展，我们 认为行星传动在铸造起重机上的应用将逐步扩大，原因有二，其一，行星传动基本具备 原棘轮棘爪传动的优点，还可实现单电机长时间连续安全运行；其二，对以前行星传动 造成事故的原因的认识逐步趋于一致，即结构性问题而非原理性问题，只要通过改进和 完善设计就可以避免，加之电气控制监测技术的进步，行星传动的安全运行已经可以得 到有效的保证。 ( 2 ) 板坯夹钳起重机的夹钳装置 重力夹钳、电动开闭的重力夹钳、动力夹钳三种夹钳装置中，动力夹钳因其成本较 高，扩大推广受到一定的影响，但由于其优越的工作性能，特别是钳口可实现准确的三 维跟踪、可靠夹起梯形坯、较高的工作效率和不损失起升高度，为实现冶金企业的自动 化具有无可比拟的优点。因而我们认为动力式板坯夹钳起重机在现代冶金起重机发展上 将占越来越重要的作用。 ( 3 ) 桥架、小车架整体加工： 桥架、小车架包括一些大型结构件整体加工是保证冶金起重机产品质量的一项重要 措施和有效途径。由于冶金起重机工作的特殊性，对质量提出了较高的要求，小车架整 体加工指焊在小车架上的电动机底座，制动器底座，减速器支承座，卷筒支承座，和小 车车轮支承座等机座一次性地划线加工而成，相互间的形位、尺寸公差由机床保证，因 此装配工作变得特别简单。只要把电动机、制动器、减速器、卷筒、车轮就位即可，不 像旧的办法，它们间的形位、尺寸误差靠塞挚片来调节。 简而言之，这些部件间的形位公差由机床精度保证，与装配工人的技术等级无关，排除 了人为因素，因而大大提高了装配精度和使用性能，同时也大大缩短了用户的维修时间。 。( 4 ) 基础传动与控制 一6 一 人连理工大学专业学位硕士学位论文 随着冶金工业的连续化生产，要求冶金起重机具有可靠性高，调试及定位性能好， 具有故障自诊断，操作平稳舒适等功能，其控制结构为：工业p c 机+ p l c + 基础传动。基 础传动采用变频调速。运行过程由传统的人为速度控制将逐步过渡到准确的p l c 位置控 制，工作信息将自动传给上位机( 工业p c ) ，最终与整个工厂的管理和控制系统相联是冶 金起重机基础传动与控制发展的主要趋势。 a ) 基础传动 基础传动将以全数字式可控硅定子调压调速，变频调速为主导。起升机构将采用调 压调速或无逆变失败的可逆变式变频调速( 例如西门子a f e ) ，运行将以变频调速为主。 b ) 自动控制： p l c 将完成所有自动控制的功能，通过现场总线( 如p r o f i b u s ) 实现对各机构调速装 置的速度及定位控制，该方式通讯信息量大，连线简单，可靠性高。对于板坯连铸使用 的板坯夹钳连续自动堆垛，连轧后的钢卷连续自动堆垛，p l c 将根据设定，自动完成定 时、定位自动夹坯，自动定位堆垛，整个过程将自动完成，重复循环，系统将具有自诊 断功能，以确保运行可靠性。故障时，可切换到司机人工操作，并随时从任一工艺流程 点切入自动过程，这将使效率更高，设备运行更合理。 c ) 故障监测与控制； 装在司机室的p c 机或触摸屏人机界面，将能够显示各机构运行状态故障信息，并 可在p c 机上设置工艺要求指令，下载至p l c 。启动自动控制功能，实现工艺要求的自动 控制过程。工业p c 机还可通过通讯实现与工厂管理网的联网，从而实现生产管理自动 化。 1 3 2 力学理论基础 随着现代科学技术飞速的发展，工业生产规模的扩大和自动化程度的提高，起重机 在现代工业生产中应用越来越广，作用越来越大，对起重机的要求也越来越高。现代起 重机的特征和发展趋势主要表现在以下几方面瞳1 ：重点产品大型化；系列产品模块化； 通用产品小型化；产品性能自动化；产品组合成套化；产品设计微机化；产品构造新型 化；产品制造柔性化。可靠性设计，优化设计，有限元法和c a d 技术是国内外广泛采用 的现代设计理论方法，是提高产品设计质量、降低成本、缩短设计周期和提高生产力的 有力工具，更是企业提高应变能力，参与国际际争的必要手段。它们的主要应用情况介 绍如下引： ( 1 ) 有限元法 有限元法7 0 年代初诞生于美国波音公司，它以连续介质力学为基础，将物体视为 边界限连续的有限个单元的集合，由本构方程、平衡方程和变形协调关系建立起单元的 大型铸造起重机土起升布局研究 力学方程组h ，。由边界协调与平衡条件将各单元组装，借助计算机求解方程组。解出物 体在外力、内力作用下的应力、应变行为。物理概念和求解方法明确，计算精度也较高， 适用于各种复杂结构的力学分析。是力学计算方法的一次伟大变革。 有限元法较早地开发了适用于起重运输机械金属结构分析的通用有限元程序。采用 引进的大型程序和自编程序，对汽车起重机车架、转台、伸缩吊臂及驱动桥壳进行有限 元分析，验证了强度和刚度，为结构的方案比较和几何参数改进提供了有力的依据。同 时还将有限元法应用于带式输送机传动滚筒等产品的强度和刚度分析中。 ( 2 ) c a d 技术 c a d 即计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 。它借助计算机快速准确的计算功 能和数据处理能力及绘图功能，配以打印、绘图设备，通过人机对话实现产品设计过程 的自动化。它是提高产品设计质量，降低设计成本，缩短设计周期和提高生产效率的有 力途径。优化设计和有限元分析等现代设计都要借助计算机来实现或提高计算速度。因 此，c a d 技术是现代工程设计不可缺少的手段。 c a d 技术在国外出现于6 0 年代，作为电子信息技术的一个重要组成部分，c a d 技 术是促进科研成果的开发和转化，实现设计自动化，增强企业创新能力和竞争能力的关 键高新技术：也是进一步向现代集成制造系统发展的重要技术基础。c a d 技术将计算机 高速的数据处理和海量存储能力与人的逻辑判断、综合分析和创造性思维能力结合起 来，对加速新产品开发，缩短设计制造周期，提高产品质量，节约成本，增强市场竞争 能力和企业创新能力发挥了重要作用。现在越来越多的行业都离不开c a d 技术。 我国的c a d 技术始于6 0 年代末，8 0 年代初进入全面推广应用时期。己广泛地应用 在机械、电子、航天、化工、建筑等行业。应用c a d 技术起到了提高企业的设计效率、 优化设计方案、减轻技术人员的劳动强度、缩短设计周期、加强设计的标准化等作用目 前，c a d 技术在企业中的应用可以分为二维绘图、三维造型、零件设计、有限元分析和 专用计算等。 c a d 技术在起重运输机械产品设计中的应用情况有：应用计算机，实现了主型产品 主要零部件的优化设计和有限元分析。探索了汽车起重机电气制图、零部件的参数化绘 图、方案分析及其集成化的c a d 技术。探索了桥式起重机运行机构、金属结构设计与绘 图c a d 技术。探索了门座起重机电力传动系统、起升机构的c a d 技术，探索了塔式起重 机塔身、吊臂的c a d 技术并开发了整机结构c a d 系统。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 3 3 课题研究内容 本文以太重4 5 0 8 0 t 铸造起重机主参数为设计依据，探讨了大型铸造起重机的几种 不同的结构型式，利用有限元法对大型铸造起重机的主起升架结构进行了有限元分析。 具体研究内容如下： ( 1 ) 对目前大型铸造起重机的主要结构型式进行了归纳，重点研究了大型铸造起 重机主起升机构不同布局情况下的优缺点。提出了一种适合于本钢起重机公司自身生产 条件的结构型式及合理的主起升布局。 ( 2 ) 用s o l i d w o r k 生成三维主小车架，实现主起升的三维布局。 ( 3 ) 利用有限元分析软件a n s y s 对主下小车架进行可视化应力分析。 大型铸造起重机主起升布局研究 2 大型铸造起重机的结构型式和性能特点 在1 9 9 5 年以前我国起重量大于4 0 0 t 的铸造起重机全部依靠进口，其中宝钢六台4 4 0 8 0 t 铸造起重机从日本三菱公司整机进口，武钢三炼钢两台4 5 0 8 0 t 铸造起重机从西 班牙d f 公司整机进口。整机进口的8 台大型铸造起重机均为四梁四轨桥架、整体式主小 车、一个长条型整体减速机的主起升机构结构( 以下简称四梁四轨、整体式减速机结构) 。 1 9 9 6 年太重与德国m a n 公司联合设计、合作制造了四台4 5 0 8 0 t 铸造起重机，其中宝钢 两台，武钢两台。结构形式为四梁六轨铰接端梁桥架、上下双层主小车、行星减速机主 起升机构结构( 以下简称四梁六轨、行星减速机结构) 。下面对这两种大型铸造起重机作 以简单介绍崎一。 从武钢三炼钢、宝钢的3 0 0 t 转炉开始，国内铸造起重机的起重量增大至w j 4 5 0 t ，随着 炼钢炉容量的不断加大，铸造的起重能力也在不断加大。因为铸造起重机吊运的是高温 液体金属，事故后果不堪设想，另外当起重机出现故障不能继续工作后，整个炼钢生产 线都将处于瘫痪状态，因此对铸造起重机的安全性、可靠性、使用性能要求很高。 2 1 主要技术参数和控制系统 大型铸造起重机的主要技术参数一般由炼钢厂的工艺确定，根据一个工作循环所 需要的时间来确定各机构的工作速度。起升机构的起升速度一般设置在8 1 2 m m i n 之 间，大车运行机构的运行速度一般为8 0 m m i n ，主、副小车的运行速度一般为4 0 m m i n 。 大型铸造起重机因为使用频繁、载荷率高，起重机的工作级别一般定为a 7 或a 8 级，主起 升机构和大车运行机构的工作级别为m 8 或m 7 级，主、副小车运行机构和副起升机构的工 作级别为m 7 或m 6 级。为了改善铸造起重机的使用性能，增加机构起、制动的平稳性，减 小冲击载荷，延长设备使用寿命，各机构均采用调速控制。虽然起升机构采用调压调速、 运行机构采用变频调速就目前情况来看，因其具有既经济又实用的特点，而深受用户青 睐。但各机构全部采用能量回馈式变频调速系统将以其良好的调速性能、因不需要电阻 器而节省了大量的安装空间以及节省能耗，必将成为今后发展的主导潮流。 2 2 四梁六轨、行星减速机大型铸造起重机的结构型式和特点 四梁六轨铰接端梁桥架、行星减速机主起升机构的大型铸造起重机总体布置简图见 图2 1 。它的主要特点从桥架、主小车及主起升机构三方面简要概括如下： 大连理工大学专业学位硕士学位论文 、， l 曰。l 十 7 一帅啦 ，乓 、一 | r 1 n - q 一 8 蘸 一l 二一 叫& 佣 、 h9 j 一沙蕊 j n 同l l 一 i ： 门 翻 l 一卜 硝 6 l_ j i 甲 - 蜘p 咄一且 i 嗣t 1 主小车2 副小车3 大车运行机构4 吊钩梁装配5 桥架 6 主梁7 主小车轨道8 副主梁9 副小车轨道 图2 1四梁人轨大型铸造起重机简图 f i g 2 1 f o u r b e a ms i x t r a c k1 a r g eb e a mc a s t i n gc r a n es k e t c h 大型铸造起重机主起升布局研究 2 2 1 桥架 采用四梁六轨铰接端梁桥架，它不同于一般中小型铸造起重机的桥架，在起重机的 四根主梁上铺设六根轨道。副小车占用两根轨道，在两根内主梁内侧腹板上方铺设的轨 道上运行。主小车占用四根轨道，在外主梁内侧腹板上方和内主梁外腹板上方铺设的轨 道上运行。内外主梁之间用铰轴连接，两根内主梁之间用连杆连接。主要特点是： ( 1 ) 由四梁四轨桥架的两根主梁承受主小车的载荷变为四根主梁承受主小车的载 荷，外主梁截面尺寸小、重量轻，降低了制造、运输、安装的难度。 ( 2 ) 铰接式端梁桥架，解除了结构中的多余约束，变刚性端梁桥架的超静定结构 为铰接端梁桥架的静定结构，使桥架的端梁和主梁头部不承受水平弯曲应力，避免了结 构过早出现疲劳裂纹的可能性。同时主要承载梁由两根变为4 根后，主小车承载车轮数 量也相应增多，集中轮压减小，这样又减小了因集中轮压产生的局部挤压应力。端梁主 梁头部水平弯曲应力的消除和小车车轮集中轮压产生的局部挤压应力的减小，可以延长 桥架的使用寿命。 ( 3 ) 铰接端梁一是使车轮之问的距离拉大，改善了厂房集中受力状况；二是使大 车运行机构避免使用多重平衡臂的结构形式。与四梁四轨式相比自重轻、轮压小、并且 轮距大，可以减少厂房造价和设备投资。 2 2 主小车架 因为主小车占用四根轨道，为了保证主小车车轮的受力均衡，主小车由三个子小车 组成，也就是由一个上层小车和两个下层小车组成。上、下层小车之间通过四个球铰连 接成一体。上层小车上面装有起升机构的驱动部分和卷简装置，下层小车上面装有定滑 轮组、钢丝绳平衡杠杆以及主小车运行机构。虽然上层小车跨度大，面积大，但受力小； 下层小车虽然受力大，但跨度小。因为这种组合结构受力合理，所以上、下层小车的高 度尺寸和自重都不大，使制造、运输、安装都很方便。 2 2 3 主起升机构 主起升机构由四个电动机或者两个电动机驱动一个中央行星齿轮减速器，行星减速 器低速轴用浮动轴或万向联轴器与两个齿轮减速机相连，两个齿轮减速机通过卷筒联轴 器分别驱动两个双联卷筒。从小车架的中心线向两侧依次是：中央行星减速机、卷筒， 上滑轮组放在最外侧。其主要特点如下： ( 1 ) 主起升机构由两台电动机或四台电动机驱动一个行星减速机。这两台电动机 或四台电动机由两套装置控制，当其中一台电动机或同轴线两台电动机或一组控制装置 大连理工大学专业学位硕士学位论文 出现故障时，该侧的制动器抱闸，另一侧电动机可以单独运行，并保证能以1 2 倍的额 定速度连续长时间工作，此时传动链上任何一个零件都不过载，只是承受额定载荷。 ( 2 ) 减速机与小车架之间采用底座式联接或三支点支撑，小车架受力变形对减速 机箱体内部齿轮的传动精度影响不大。减速机与小车架相对独立，不需要两者一同整体 热处理、一同整体加工，工艺是成熟可靠的，不承担任何制造质量的风险。 ( 3 ) 主起升机构每个减速机的规格尺寸都在标准范围之内，既便于制造和安装， 又便于维修和更换。 ( 4 ) 主起升机构每组电动机的容量都是按照0 5 倍的总功率选取，电动机总功率小， 电控装置的容量也可相应减小，成本低、使用能耗小。 ( 5 ) 主起升机构部件多，环节多，安全隐患相应多一些。一般情况下除了在高速 轴上安装四个工作制动器外，在驱动系统传动链的最末端卷筒法兰上设置安全制动 器，同时有一套检测系统进行监控，当检测系统检测到下列情况之一时：两个卷筒转 速不一致时、电动机轴或卷筒轴超速时，控制系统立即控制安全制动器抱闸。在故 障状态下，从检测到信号到制动器完全把重物支持住，重物下滑距离一般控制在3 0 0 , - - - 5 0 0 m m 。另外在司机室内设置了一个紧急按钮，当司机发现紧急情况时，可立即按动紧 急按钮，使全车断电，安全制动器立即抱闸。并不是说使用行星减速机主起升机构必须 装设安全制动器，也可以通过完善传动链上零部件结构、提高安全系数提高它的可靠性。 但是安全制动器毕竟是这种起升机构传动链上的最后一道安全环节，如果整机高度尺寸 允许、费用又能承受，最好安装上。 2 3 四梁四轨、整体式减速机大型铸造起重机的结构型式和特点 四梁四轨刚性端梁桥架、整体式减速机主起升机构的大型铸造起重机结构简图见图 2 2 。主要结构型式和性能特点如下： 2 3 1 桥架 四梁四轨刚性端梁桥架的结构和组成与一般铸造起重机的桥架基本相同，它由两根 主梁、两根副主梁和刚性端梁组成。主梁和副主梁为宽翼缘箱型结构，端梁为元宝型结 构。这种结构的桥架具有下列特点： ( 1 ) 桥架为整体刚性框架，加上主梁的截面由于受疲劳强度控制，具有很好的垂 直刚性和水平刚性，因此在大、小车运行时非常平稳，给人一种安全感。 ( 2 ) 主小车的载荷只是由两根主梁承受，主梁截面尺寸大，可以充分保证大车运 行机构的驱动装置和电控设备的安装空间及检修维护人员的操作空间。 大型铸造起重机主起升布局研究 三黜蕞赢煽j _ 茸 塾i i 3 i 笪 匪f ! 极j 晒逝蚴品橱j 刍 巨 l ，脚曼i 暑斟、 r 目 x 工_ l j 工z 营萤 口柙，1 1 ，- 嗡j 础髯呼厂ll 1 ，掣量；瓦型器磷q 亡一七一是夸曲胡 ii 阽参由 专母- - 唾点 幽i 一，rt l ：叫； l l 捆 、气0 蛩；借p i亓前i i i l一jl j h 三 宦 iii i i ii i i i l 。i i i ii i i i 田叩一j j ， 一一 一 。 。 一_ ， 川| l 1 阡 7 l 一 ；： ! ：般ii：。 y 恤 气型 1 ： 、 l i 广一 8u1 一 “l _ _ ， - _ 。 一 l lil l 一半i 等、一 1 i i 1ir 黼i i - l j 酪! 阿 、k9 i 一 l l 一1 j i 奄孽ie l 蔓b 气ll 一 j 3 l l i 。 - 一i - r 一- 1 _ 一_ j - r 1 一 炉 b 一肝b 士i ll ii1 只 西 i ： 一 二二- _ 1 卜上气卜呻； 凰 厂 i il | l l i | i | | i l1 i 1 主小车2 副小车3 大车运行机构4 吊钩梁装配5 桥架 6 主梁7 主小车轨道8 副主梁9 副小车轨道 图2 2 ：四梁