门式起重机电气系统设计

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重庆交通大学二OO八届机电一体化专业毕业设计（论文）

前 言

第二次世界大战以后，在运输业发生了一场技术革命——集装箱运输。六十年代

中期集装箱运输受到世界各国的普遍重视，从而得到了迅速发展，以形成一个完整的

体系。国际标准化组织为集装箱规定了统一的规格、重量。为发展集装箱运输，又出

现了许多种类的装卸机械，集装箱龙门起重机就是其中的一种。

集装箱龙门起重机由普通龙门起重机发展而来，是专门用来装卸集装箱的一种起

重机，被广泛的用于码头、车站、货场等。集装箱龙门起重机最早出现于1958年。1965

年以后轨道式集装箱龙门起重机有了很大的发展，随后在1971~1972年轮胎式集装箱

龙门起重机又有显著的增多。

目前，国内外集装箱龙门起重机正朝着装卸自动化的方向发展，为了提高装卸效

率，采用计算机控制起重机的各种动作，它可以安全、准确的将集装箱搬运到指定的

位置。

随着社会生产力的发展，起重机械在不断地发展和完善。这是因为．起重机械是

物流机械化系统中的重要设备。社会化大生产愈发展，人民生活水平愈提高，物料搬

运和人员的输送量就愈大，起重机械的应用范围也就愈广泛。根据人类生产和生活的

需要．许多具有持殊用途的新型设备不断出现。

门式起重机(也称门吊)是属于桥式类型起重机的一种，由于它的金属结构象门形框

架，承载主梁下安装两条文腿，可以直接在地面的轨道上走行，并且主梁两端具有悬

臂梁(主梁的延长)，相似“龙门”故称为龙门起重机。悬臂梁的作用可使起重小车在主

梁上的走行距离延长，扩大作业范围。

门式起重机也是由机械传动、金属结构和电气设备三大部分组成。机械传动部分

又由起升机构、起重小车走行机构、大车走行机构等构成。即为门式起重机的三大工

作机构，它们分别实现吊装货物的上下升降，左右(横向)搬移和前后(纵向)搬运三个动

作，构成一个作业区域。

任何生产机械都由原动机、传动装置、工作机构和操纵控制设备等组成。如果以

电动机作为原动机来拖动生产机械的工作机构，则它的驱动、传动装置通常称为电力

拖动系统。该系统中的电动机、控制操纵部分，电气电路和电气器件等等习惯统称电

气设备。

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李江华：集装箱龙门起重机设计（电气控制部分）

电气设备部分主要由电动机、电器元件和电气线路等组成。它将电力网中的电能

转变为机械能，实现起重机工作的目的，同时控制各工作机构按照工作要求进行作业。

电气设备的功用主要在于：由电动机将电能转变成机械能，通过传动装置拖动工

作机构；控制设备通过各种控制器件和电器元件用来控制电动机按工作机构的要求完

成各种动作。

起重机的电气设备主要有动力设备——电动机，操作电器——磁力起动器、凸轮

控制器、主令控制器、变频器、接触器、电阻器、继电器等，电气保护装置——保护

箱、过电流继电器、熔断器、行程限位开关、安全保护开关等；导电装置以及电气电

路——工作电路(主回路)和控制电路等组成。

集装箱门式起重机门式起重机的一种，是专门用来装卸和堆码集装箱的一种高效

率装卸设备。由于它的金属结构(骨架)也象“龙门”， 与前面所介绍的普通用途的门式

起重机类似，所以称为集装箱门式起重机。

集装箱门起重机根据用途的不同，有铁路货场用的，有港口码头用的。根据结构

的不同，有起升机构带刚性吊杆的和带挠性悬挂吊具；根据集装箱载重量大小可分为5

吨、10吨、20吨和30.5吨几种；还有根据走行机构的不同，有轮胎式和轨道式。

谈到起重机的电气设备，必涉及起重机的电气控制的设计问题。任何生产机械电

气控制系统的设计，都包括两个方面：一是满足生产机械和工艺的各种控制要求，另

一个是满足电气控制系统本身的制造、使用及维修的需要。因此，电气控制系统设计

包括原理设计和工艺设计两方面。前者决定起重机的使用效能和自动化程度，即决定

起重机设备的先进性、合理性。后者决定电气设备生产可行性、经济性、外观等性能。

本次设计的起重机为重庆寸滩港的轨道式集装箱门式起重机，该起重机采用双主

梁，跨距40.5t-40m，两端有效悬臂10m，可进行20'到40'国际标准集装箱的装卸、

转运及堆放等作业，进行集装箱门式起重机电气控制部分和小车机器房部分的设计，

电气控制部分采用三菱可编程控制器(PLC)控制，需画出电气原理图和电气布置，编写

PLC梯形图程序，说明工作原理。设计起重机的机器房结构，并构建实体模型，编写设

计说明书。

说明书介绍了起重机的三大工作机构、常用电气设备和其电气控制部分的设计，

主要内容是起重机的电气设备和电气控制系统的设计。

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第1章 轨道式集装箱门式起重机

1.1 概述

起重机械是一种对重物能同时完成垂直升降和水平移动的机械。在工业和民用建

筑工程中，起重机械作为主要施工机械用于建筑构件和材料在运输过程的装卸，并将

构件吊到设计位置进行安装等，不仅解决了人力无法胜任的作业，而且能保证工程质

量，缩短工期，降低成本，成为极其重要的建筑施工机械。

起重机械的分类：起重机械的种类很多，按使用的动力设备可分为内燃机作动力

和电动机作动力两种；按起重机载荷率可分为轻型、中型、重型、特重型四类；按起

重结构可分为龙门式和臂架式两类；按回转台的角度可分为全回转式和非全回转式；

按行走机构的构造可分为固定式和移动式两类。建筑施工中常用的为移动式起重机，

包括：塔式起重机、汽车式起重机、轮胎式起重机、履带式起重机，以及最基本的起

重机械———卷扬机等。随着高层建筑中作为垂直运输机械而迅速发展的施工升降机

也已纳入起重机械范围。

起重机械的主要性能参数包括：起重量、工作幅度、起重力矩、起升高度以及工

作速度等。

一、起重量

起重量是指起重机能吊起重物的质量，其中应包括吊索和铁扁担或容器的质量，

它是衡量起重机工作能力的一个重要参数。通常称为额定起重量，用“Q”表示。起重

量的单位过去惯用“t”表示，现都用“KN”表示（10KN约等于1t）。起重机随着工

作幅度的变化，其起重量也随之变化。因此，额定起重量有最大起重量和最大幅度起

重量之分。最大起重量是指基本起重臂处于最小幅度时所允许起吊的最大起重量；最

大幅度起重量是指基本起重臂处于最大幅度时所允许起吊的最大起重量。一般起重机

的额定起重量是指基本起重臂处于最小幅度时允许起吊的最大起重量，也就是起重机

铭牌上标定的起重量。

二、工作幅度

工作幅度是指在额定起重量下，起重机回转中心轴线到吊钩中心线的水平距离，

通常称为回转半径或工作半径，用“R”表示，单位为“m”。工作幅度表示起重机不

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移位时的工作范围，它包括最大幅度(Rmax)和最小幅度(Rmin)两个参数。对于俯仰变

幅的起重臂，当处于接近水平的水平夹角为13°时，从起重机回转中心轴线到吊钩中

心线的水平距离最大，为最大幅度；当起重臂仰到最大角度（一般水平夹角为78°）

时，回转中心轴线到吊钩中心线距离最小，为最小幅度。对于小车变幅的起重臂，当

小车行到臂架头部端点位置时，为最大幅度；当小车处于臂架根部端点位置时，为最

小幅度。起重机的起重量，随幅度变化而变化，同一台起重机，幅度不同，其起重量

也不同。对于有支腿装置的轮式起重机，还应以有效幅度A表示，即用支腿侧向工作

时，在额定起重量下，吊钩中心垂线到该侧支腿中心线的水平距离。有效幅度反映起

重机的实际工作能力；没有使用支腿侧向工作时，则工作幅度用A1（ 单胎）或A2（双

胎）表示。

三、起重力矩

起重力矩是指起重机的起重量与相应幅度的乘积，以M表示，M=RQ。起重力矩

的单位过去惯用tm表示，现都用KN m 表示，它是起重机的综合起重能力参数，能

全面和确切地反映起重机的起重能力。塔式起重机需要经常在大幅度情况下工作，故

以起重力矩作为表示型号的主参数。塔式起重机的起重力矩，通常是指最大幅度时的

起重力矩。起重机的起重特性曲线是表示起重机的起重量与幅度关系的曲线，不同幅

度有不同的额定起重量，将不同幅度和相应的额定起重量以线连接起来，可以绘制成

起重特性曲线。所有起重机的操纵台旁都有这种曲线图，使操作人员能很快地查出起

重机在某一幅度时的最大起重量。

对于能配用几种不同臂长的起重机，对应每一种长度的起重臂都有其起重特性曲

线。

四、起升高度

起升高度是指自地面到吊钩钩口中心的距离，用“H”表示，单位“m”，它的参

数标定值通常以额定起升高度表示。额定起升高度是指满载时吊钩上升到最高极限，

自吊钩中心到地面的距离。当吊钩需要放到地面以下吊取重物时，则地面以下深度叫

下放深度，总起升高度为起升高度和下放深度的和。对于动臂式起重机，当起重臂长

度一定时，起升高度随着幅度的减少而增加，这一特性可以用起升高度曲线表示，它

和起重特性曲线相对应。

五、工作速度

起重机的工作速度包括起升、变幅、回转和行走等速度。

1、起升速度 起升速度是指起重吊钩上升或下降的速度，单位为“m/min”。起

重机的起升速度和起升机构的卷扬牵引速度有关，而且和吊钩滑轮组的倍率有关。2

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绳比4绳快一倍；单绳双比双绳快一倍。一般表示起升速度参数，应注明绳数。

2、变幅速度 变幅速度是指吊钩从最大幅度到最小幅度的平均线速度，单位为

“m/min”。

俯仰变幅起重臂的变幅速度也就是起重臂升起和降落的速度，一般落臂速度要快

于升臂速度。

3、回转速度 回转速度是指起重机在空载情况下，其回转台每分钟的转数，单

位为“r/min”。

4、行走速度 行走速度是指起重机在空载情况下，行走时最大的速度，单位为

“m/min”。

六、自重及质量指标

1、自重 起重机的自重是指起重机处于工作状态时起重机本身的总重，以“G”

表示，单位为“t”或“KN”。

2、质量指标 质量指标是指起重机在单位自重下有多大的起重能力，通常用质量

利用系数K表示，它反映了起重机设计、制造和材料的技术水平，K值越大越先进。

起重机质量利用系数（KN m2/KN ）的表示形式是以起重力矩和与此相对应的起升高度来表示，如下式：K QRH。 G

目前集装箱堆场机械的种类很多，主要有轮胎式集装箱门式起重机、轨道式集装

箱门式起重机、集装箱跨运车、集装箱正面吊运机、集装箱叉车等。其中以轮胎式集

装箱门式起重机和轨道式集装箱门式起重机为主，这两种机型可以更有效地利用场地

空间。

轨道式集装箱门式起重机是最近几年才被大量应用于港口集装箱码头和集装箱货

场的，但其发展迅速，已成为许多码头和货场的首选机型。综述：

(1)、轨道式集装箱门式起重机的结构形式很多。结构形式的选择与轨道式集装箱

门式起重机的工作场地和工作性能关系密切。在大中型集装箱码头，多采用不带悬臂

的机型，这种结构形式可以获得更高的装卸效率和工作可靠性，白重更轻。在许多中

小港口、内河码头以及铁路货场等，对作业效率的要求不是很高，所以更多地选用带

悬臂的机型，以提高场地利用率。甚至选用简易集装箱吊具或可更换吊钩作业的机型，

实现一机多用，降低设备投资。

(2)、轨道式集装箱门式起重机可以最大限度地实现堆场作业的自动化，也可以实

现无人驾驶，而这是一般轮胎式集装箱门式起重机所不具备的。

(3)、轨道式集装箱门式起重机以电力为动力，环保性能良好，而且受日益上涨的

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燃油价格的影响很小。

(4)、目前英国泰晤士港集装箱码头和MorrisAutomation公司已完成了世界上第1

个双提升吊具在无人驾驶全自动轨道式集装箱门式起重机上应用的试验，可同时吊运2

个20ft集装箱，额定起吊能力为50t。这是该机型向更高效率发展的一个有益探索。

1.2 轨道式集装箱门式起重机的特点

轨道式集装箱门式起重机在我国铁路系统的应用较早，而在港口的应用只是最近

十几年的事情，且先主要用于内河小型集装箱码头。近年来，轨道式集装箱门式起重

机技术发展很快，随着国际燃油价格的不断上涨，许多集装箱码头正在考虑放弃原定

的轮胎式集装箱门式起重机堆场方案而改用轨道式集装箱门式起重机方案。与轮胎式

集装箱门式起重机相比，轨道式集装箱门式起重机具有以下优点：

(1)、场地利用率更高，跨中一般可堆放8一l5列集装箱加1个或多个车道，而标准

的轮胎式集装箱门式起重机跨中只能堆放6列集装箱加1个车道。

(2)、定位能力好，且可以提供最迅速和最有效的集装箱存储和检索系统，易于实

现堆场自动化，如果和自动搬运车或移箱输送机等配合作业，可以达到很高的作业效

率。

(3)、各机构的运行速度更高，作业效率更高。

(4)、以电力为动力，无废气排放，噪声低，环保性能好。但是，轨道式集装箱门

式起重机也有许多不足，比如地面轨道安装要求较高，起重机转场困难，对于周转时

间较长的堆场，设备利用率较低。另外，起重机运行轨道的存在，使路面不再平整。

有的轨道式集装箱门式起重机还带有吊钩横梁，可以与集装箱吊具实现快速互换，以

实现重大件杂货的吊装作业。还有的轨道式集装箱门式起重机可以横跨港池或利用长

悬臂装卸船舶，这在中小港口可以实现一机多用，降低设备投资。

目前，轮胎式集装箱门式起重机有一些行业性标准，国家标准正在制定过程中。

轨道式集装箱门式起重机还没有像轮胎式集装箱门式起重机那样形成完善的参数系

列，轨距和外伸距等更多的是依据集装箱堆场的场地条件来确定，而这也正是轨道式

集装箱门式起重机得以推广的一大优势。

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1.3 轨道式集装箱门式起重机的分类

轨道式集装箱门式起重机的结构形式很多，早期有桁架结构和L型箱形单梁结构

等，但目前基本上都采用箱形双梁结构形式。轨道式集装箱门式起重机可分为不带悬

臂、单悬臂和双悬臂3大类。其中单悬臂结构形式的轨道式集装箱门式起重机主要受

使用场地的限制，从结构受力角度讲并不是一种好的结构形式，使用较少。对于带悬

臂结构形式的轨道式集装箱门式起重机，又可分为门腿只需要通过20ft集装箱和门腿

需要通过40ft集装箱2大类。对于悬臂结构形式的轨道式集装箱门式起重机，根据门

架是否配有马鞍架和斜拉杆，又可分为3大类，即不带马鞍架和斜拉杆；配有马鞍架

和斜拉杆。

本设计轨道式集装箱门式起重机采用箱形双梁结构形式，带双悬臂。

1.4 主要技术性能参数

轨道式集装箱门式起重机的主要技术参数有起重量、起升高度、跨距和伸距、工

作速度以及工作类型等。

一、 起重量

轨道式集装箱门式起重机的起重量有3个指标，即额定起重量、吊具下起重量、吊

钩下起重量。目前吊具下最大起重量超过50t，但大多为30.5～42t。

本设计轨道式集装箱门式起重机的起重量为40.5t。

二、 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和堆箱高度。起重机

的起升高度大多在15 m上下，目前最大的已超过20m。从堆箱高度上讲，大多为堆3过4、

堆4过5和堆5过6，目前最大的达到堆8过9。

本设计轨道式集装箱门式起重机的起升高度为20米。

三、跨距和伸距

轨道式集装箱门式起重机的跨距目前最小为15m，最大超过60m，大多在25～35m之

间；起重机的工作伸距一般不超过10m。在国外，轨道式集装箱门式起重机广泛用于内

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河港口，兼做装卸和堆场。在莱茵河两岸的集装箱码头广泛采用这种机型，如曼海姆

集装箱码头，装备有2台轨道式集装箱门式起重机，其中l台跨距为65m，外伸距为13m；

另1台跨距为65．5m，外伸距为14.5m，起重量均为35t。

本设计轨道式集装箱门式起重机的跨距为40m,两端悬臂均长10m。

四、工作速度

起重机的速度参数包括起升速度、小车运行速度和大车运行速度。随着经济的不

断发展和技术水平的不断提高，对起重机的速度要求也越来越高。起升速度：Kunz公

司为汉堡港制造的6台轨道式集装箱门式起重机，起升速度达到80 m/min；ZPMC等生产

的轨道式集装箱门式起重机起升速度满载为40 m/min，空载为80 m/min。小车运行速

度：Noell、Kunz、ZPMC、交通部水运所等单位研制的起重机小车运行速度都达到了

120m/min；国外目前最大已达到240 m/min。大车运行速度：Kunz生产的轨道式集装箱

门式起重机大车运行速度为l80 m/min。

门吊的工作速度有三种，根据起重机用途和起重量的不同而不同。

(1)、起升机构的起升速度V起，它与超重量和生产率有关，通常起重量大而起升

速度低生产率高，速度可以大些；一般不超过20米/分；

(2)、起重小车走行速度V小车，—般不超过50米/分；

(3)、起重机大车走行速度V大车。—般不超过120米/分。

本设计轨道式集装箱门式起重机：大车运行速度是30米/分 ，小车运行速度是60

米/分 ，起升速度是20米/分。

五、工作类型

起重机工作类型是表明起重机工作的载荷变化和忙闲程度的参数。载荷变化程度

是起重机的实际超重量与额定起重量之间的变化关系。有的起重机额定起重量很大，

如几十吨。但只是偶然起吊这样重的货物，经常起吊的货物重量仅是额定起重量的1/2

或1/3。忙闲程度是指超重机工作时的长短。如有的一年内要工作7000小时，有的工

作4000小时，还有2000小时、1000小时不等。根据载荷变化程度和忙闲程度把超

重机的工作类型分为四种类型：(1)轻型(JC＝15％)；(2)中型(JC＝25％)；(3)重型(JC

＝40％)；(4)特重型(JC＝60％)。

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1.5 轨道式集装箱门式起重机的机构

一、门架结构

轨道式集装箱门式起重机的门架结构一般采用箱形双主梁对称结构，不带悬臂的

大多采用中轨梁，带悬臂的大多采用偏轨梁。近几年，不带悬臂的轨道式集装箱门式

起重机在一些大中型港口得到推广应用，其主要特点是由于不需要集装箱通过门腿，

所以门腿大多为梯形结构形式，两主梁中心距(小车轨距)很小，小车运行机构大多采

用集中驱动，一般不存在跑偏问题，自重也较轻。一般跨距小于或等于35 m 的轨道式

集装箱门式起重机，两侧门腿都采用刚性门腿；当起重机的跨距大于35 m时，则一侧

采用刚性门腿，另一侧采用柔性门腿，用以补偿吊重和温度所引成的结构变形。本设

计轨道式集装箱门式起重机正是如此。

二、 起升机构

目前轨道式集装箱门式起重机大多采用专用的集装箱吊具，起升机构采用4根钢丝

绳。所以在起升机构的设计中，必须考虑吊具的同步升降问题。为实现吊具的同步升

降，很多机型采用1套驱动机构驱动1个四联卷筒；或采用1个双出轴电机分别驱动2个

减速机，每个减速机各驱动1个双联卷筒；也有的轨道式集装箱门式起重机采用2套独

立的驱动机构，卷筒采用双联卷筒，为实现同步升降，将2个高速轴通过联轴器连起来。

近几年，采用卓轮行星减速机驱动的四联卷筒起升机构在许多码头、货场得到应用，

通过合理设置钢丝绳缠绕系统，可以使起升机构既能保证同步升降，同时又具有一定

的防摇效果。起升机构的整体布局非常紧凑，但价格较高。本设计中，轨道式集装箱

门式起重机的起升机构有主副起升机构。

三、回转机构

在港口，根据用户要求，有的轨道式集装箱门式起重机上利用电动推杆等装置可

以使吊具实现3～5O的小角度周转，便于吊具对箱；当然也有很多机型根本不考虑回转

问题；还有的机型采用带翻板的集装箱吊具，也可以实现吊具小角度回转，以方便吊

具对箱。前在铁路货场使用的轨道式集装箱门式起重机起重小车大多具有完善的回转

机构，其起重小车分为上下两层，上下车之间设回转支承。回转支承一般采用4个沿环

形轨道的行走滚轮或回转大轴承。回转驱动机构大多采用1套或2套三合一的立式行星

减速机。

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四、小车运行机构

根据小车轨距大小，轨道式集装箱门式起重机的小车运行机构可选用集中驱动或

分别驱动。

(1)、对于不带悬臂的轨道式集装箱门式起重机，小车轨距约为6～7m，几乎全部

采用集中驱动。

(2)、对于带悬臂但只允许20ft集装箱通过门腿的轨道式集装箱门式起重机，小车

轨距约为8～9m，此时小车运行机构有的采用集中驱动，有的要用分别驱动。

(3)、对于带悬臂的需要40ft集装箱通过门腿的轨道式集装箱门式起重机，小车轨

距约为16m，此时小车运行机构全部采用2套或4套独立的驱动机构分别驱动。小车采用

分别驱动时，越来越多地选用三合一驱动机构。另外，小车采用分别驱动时必须考虑

小车行走时两侧车轮的同步运行问题。

五、大车运行机构

轨道式集装箱门式起重机的大车运行机构一般采用4套或8套独立的驱动机构。减

速器采用轴装式或卧式，前者目前在高效率起重机上应用普遍，而且经常选用三合一

驱动装置，工作可靠，但价格较高。而后者属于比较传统的做法，由于技术上非常成

熟，尤其成本比较低，所以在新研制的机型仍应用得非常普遍。起升机构和小车运行

机构大多选用盘式制动器，而大车运行机构可选用块式制动器、盘式制动器、液压轮

边制动器，近年来防风惯性制动器也有较多应用。

本设计中，大车运行机构：采用轴装式减速器，选用的是三合一驱动装置。

六、电气传动与控制系统

近几年，随着交流调速控制技术的不断完善，绝大部分起重机采用交流驱动，直

流驱动系统越来越少。原来所谓调速性能好的直流驱动系统已经被交流变频调速系统

所代替。目前的轨道式集装箱门式起重机几乎全部采用交流变频调速系统，起升机构

具有恒功率调速功能，以实现满载低速、空载高速的起升要求，提高起重机的作业效

率。

PLC控制技术已经成为目前轨道式集装箱门式起重机的基本配置。PLC系统可以与

工控机相连，与上位监控软件进行数据交换；还可以与司机室触摸屏相连，将有关数

据传送到触摸屏监控软件，极大地方便了起重机的使用与维护。完善的电气保护系统

和故障自动检测系统是现代起重机控制技术的一个重要特点，触摸屏成为轨道龙门吊

司机室的必要配置。另外，直观的动画显示、中文显示、存储、打印功能等也得到广

泛应用。

本设计轨道式集装箱门式起重机的电气控制采用三菱可编程控制器(PLC)控制。

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第2章 门式起重机的三大工作机构

2.1 概述

门式起重机的三大工作机构（机械传动部分）由起升机构、起重小车走行机构、

大车走行机构等构成，它们分别实现吊装货物的上下升降，左右(横向)搬移和前后(纵

向)搬运三个动作，构成一个作业区域。

2.2 起升机构

起升机构的主要形式：1、吊钩门式起重机的起升机构2、抓斗门式起重机的起升

机构3、电磁门式起重机的起升机构和三用门式起重机的起升机构 4、两用门式起重机

的起升机构

门吊的起升机构根据起起重机用途的不同具有不同的形式，若起升重量在16吨以

上者，一般具有两套起升机构，即简称主钩和副钩。

门吊起升机构安装在起重小车上，构造如图a、b所示。一般由电动机、联轴器、

传动(补偿)轴、制动器、减速器、卷简、滑轮组、钢丝绳和吊钩组等组成。

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它的传动过程和工作原理如下： 电动机

卷简 钢丝绳 定滑轮组 吊钩组。

当起动起升机构接通电源，制动器松闸。随着电动机的正转或反转，动力(转矩)

通过联轴器、传动轴、带制动轮联轴器传递给减速器，它将电动机输出的高转速低转

矩减速后，输出低转速大转矩，然而拖动卷简转动。整条钢丝绳的两端穿绕吊钩定滑

轮组后，分别固结在卷筒的两端部，由于卷筒的正、反转动，吊钩组上下升降，从而

实现货物的上下起落。如果在中途切断电路，电动机被切断动力，制动器(常闭式)立即

抱闸制动，使货物悬吊在空中位置。电动机与制动器实行电气联锁，只要电动机一断

电源，制动器依靠弹簧张力发生制动作用，保证了工作要求和安全作业。

2.3 小车走行机构

门式起重机的小车运行机构，分为双梁小车运行机构和单主梁小车运行机构两种。

本设计起重机的小车运行机构属于双梁型。

门吊起重小车常见的形式有：

1、双梁门架用的起重小车，小车架下面有两对(四个)走行轮，其中两个为驱动轮，

其余两个为从动轮，其构造如图所示。

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双梁门架用的起重小车，一般由小车架(钢板和型钢焊接而成)、起升机构和小车走

行机构等组成。起升机构安装在小车架平台上。小车走行机构又由电动机、带制动轮

齿轮联轴器、减速器、传动轴和轮对等组成。小车走行行机构传动形式一般为集中驱

动，即采用一台电动机、一台制动器、一台减速器驱动一对走行轮。 齿轮联轴器(或带制动轮联锁器齿轮联轴

器

工作原理是：起动起重小车走行机构，电动机通电，制动器松闸。动力通过联轴

器将动力(转矩)输入减速器，它将电动机的高转速低转矩变成低转速大转矩，所以减速

器不仅能起减速作用，而且能起到增大转矩(扭矩)的作用。减速器低速轴输出的转矩经

过传动轴，驱动走行轮对在轨道上滚动，从而实现起重小车、吊重(货物)横向移动于小

车轨道上。

2、单主梁箱形桥架用的起重小车传动过程和工作原理基本上与双梁结构用的起

重小车相同。

2.4 大车走行机构

一、大车运行机构的车轮布置

一般的门式起重机的大车运行机构车轮为四个，布置在下横梁的四个角上。同一

轨道上两轮中心距称为轮距，一般说轮距与跨度之比为1/4～1/6之间。当车轮轮压大

时，可采取增加四个角上车轮数量的形式，两个车轮组成一个平衡台车，与下横梁绞

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接。如果四个车轮同在一个角，可由两个平衡台车组成一个大的平衡台车与下横梁铰

接。

车轮的布置形式很多，应由设计者根据整机轮压计算情况并考虑使用单位对基础

的要求来确定。本设计的大车运行机构共有12个轮子。

二、大车运行机构的驱动形式

门吊大车走行机构是为了完成吊重沿轨道方向移动，它亦有集中驱动和分别驱动

两种形式，但集中驱动只适用于小跨度、起重量很小的门吊上。因此，目前很少采用

集中驱动，极大多数采用分别驱动。本设计的集装箱门式起重机采用的是分别驱动。

门吊大车走行机构分别驱动是指起重机两边支腿下面的驱动轮(主动轮)分别由两

套(对称安装，图中画了一套)独立的驱动装置来驱动。为了保证左右两个车轮同步，两

套驱动装置由电气控制线路实行集中控制。

分别驱动装置由电动机、减速装置、制动器、联轴器和车轮等组成。按照减速方

式和安装布置的不同可分为以下几种形式：

1 标准立式减速器的驱动装置：这种驱动方式的特点是立式减速器的输出轴(低速

轴)通过联轴器与车轮轴联接，如图（a）所示。它具有结构简单、紧凑，使用寿命长的

优点。

2 车轮轴套装于立式减速器输出轴中的驱动装置：如图（b）所示。

3 卧式减速器的驱动装置。

4 减速器链条驱动装置。

本设计采用的是形式（a）。

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第3章 门式起重机的电气设备及选用

3.1 概 述

起重机的电气部分是起重机必不可少的重要组成部分。电气设备工作的好坏将直

接影响起重机的性能。也就是说：一台好的起重机必须要有好的电气设备。为此，要

求设计、制造部门能精心设计、认真制造，才能造出好的电气设备、造出好的起重机。

但是，仅仅这样还不够，更重要的还要求我们能够正确、合理地使用起重机和它的电

气设备，注意日常的维护保养，执行计划预修制度，经常保持设备完好，才能保证正

常运行，以满足日益发展的生产需要。

断续周期性工作类型：

生产机械的工作类型有连续、短时和断续周期性三种。

断续周期性工作类型的特点是：有一系列相似的工作周期。在每个工作周期中，

机构的工作是短时的，间断的，其中有工作时间，也有休息时间。这些工作周期又是

持续的、频繁的、重复的进行。

起重机吊运重物的过程是：首先将大车和小车开至吊运物的上空，放下吊钩，升

起重物，将大车和小车开至安放重物位置的上空，放下重物，升起吊钩，以上是一个

工作周期。再将大车和小车开至另一重物的上空，进入下一个工作周期，如此不断的

重复运行。在某一工作周期中，无论是大车，小车还是吊钩，就一个机构而言，都不

是连续工作的，而是短时工作，其中有工作时间（本机构工作时），也有休息时间（其

他机构工作时）。这些都符合断续周期性工作类型的特点，所以说起重机的主要工作机

构是断续周期性类型运行的。与之相适应，起重机的主要电控设备（电动机、控制器、

控制屏、电阻器、继电器等）也是按断续周期性工作类型运行的。

断续周期性运行时，在一个工作周期中，有工作时间，也有休息时间。对电动机

或电器元件的温升来说，开始工作时，不能达到其稳定值，停止时，也不能冷却到周

围介质的温度，如此重复多次之后，温度便逐渐升高，最后在某两个固定的温度值间

变化，温度基本稳定。按规定每一周期持续时间不超过10min，超过10min的应按短

时工作类型考虑。

断续周期性运行时，各工作周期不断重复进行，要求电动机经常起动和制动，电

器元件经常接通和分断，接电次数多，工作频繁。

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断续运行（既有工作时间又有休息时间）和不断重复（接电次数多，工作繁重）

是起重机电器设备的两个主要特点。所以起重机用的电动机和主要电器元件（控制器、

变频器、接触器、电阻器、继电器等）都是专门设计的，并自成系列。

一、接电持续率、接电次数和起动次数

在起重机的一个工作周期中，电器设备有接电工作时间，也有断电停止工作时间。

其工作时间与周期时间（工作时间加停止工作时间）的比值称之为接电持续率，通常

用JC%来表示。（也有称负载持续率的，用FC%表示）

JC% t1t 100% 1 100% t1 t2T

式中：t1————工作时间；

t2————停止时间；

T————周期时间；

常用的接电持续率JC值有15%、25%、40%、60%和100%5种。

选择电动机或电器元件时，接电持续率是一个重要的因素。当电动机或电器元件

使用在不同的接电持续率时，其输出功率或允许电流是不同的。接电持续率低，说明

在一个工作周期中工作时间短。从热容量观点看，电动机可有较大的输出功率，电器

元件可有较大的允许电流。电动机或电器制造厂在铭牌和产品样本上已经给出了在额

定接电持续率下的额定输出功率或额定电流值。其他常用接电持续率下的输出功率或

允许电流值一般也在产品样本上给出。如没有给出，则可以按下列公式近似地折算。

P P

I I式中：JCe————额定接电持续率；

Pe————额定接电持续率时的输出功率；

Ie————额定接电持续率时的允许电流；

JC————实际接电持续率；

P————接电持续率为JC时的输出功率；

I————接电持续率为JC时的允许电流；

按规定，断续周期性工作类型的一个工作周期时间最大不超过10min，也就是说每

小时至少要工作6次。对起重机来说，每小时的工作次数远远超过6次，一般为每小

时工作150~300次，较繁忙的每小时工作300~600次，某些起重机的个别机构每小时

工作可达1200次。工作一次也就是接电一次，故用接电次数表示其工作的繁忙程度。

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接电次数是选择电器元件的重要参数，电器元件的接电次数增多，将使触头电磨

损加大，直接影响其电寿命。当接电次数超过每小时600次时，其影响更为显著。如

欲保持电寿命不变，必须降低其允许电流值。考虑这一因素，在接电次数高时，适当

降低允许电流值。在国际上，电器制造厂的产品样本中已提供电器元件在各种接电次

数时的允许电流值。

电动机在起动和制动过程中，由于电流较大，所损耗的功率比在额定转速工作时

大，发热量也大，同时由于转速较低，散热条件恶化，故温升较高。频繁的起、制动

将影响电动机的输出功率。在考虑起、制动的影响时，我们采用起动次数的概念。起

动是指电动机转速从零起动到额定转速，又叫全起动。起重机在实际使用中，电动机

不是每次都起动到额定转速的，而是有很大一部分是起动到较低转速时就被制动，通

常称为“点车”。点车的功率损耗低于全起动。点车一次虽然也是起动一次，但从功率

损耗上讲不能算全起动一次。一般折算方法是4次点车算一次全起动。同样的道理，

由额定转速用电气的制动方法制动到零，一次相当于0.8次全起动。由正向额定转速反

接制动并反向起动到额定转速，一次相当于1.8次全起动。把这些全起动的次数加起来，

即成为在功率损耗上相当的全起动次数，简称起动次数。

启动次数是检验电动机发热、确定输出功率的重要参数。电动机的起动次数增加

后，起动损耗增加，冷却条件恶化，容许的输出功率必须相应降低。起重机各机构的

电动机的起动次数与接电次数一样也是比较高的，但两者在数值上并不一样，因接电

一次不一定是一次全起动，其中有点车甚至还有电制动。起动次数对电动机的合理选

择与使用有很大的影响，必须引起注意。

以往选择和使用电动机或电器元件时，一般都以热容量为主，认为断续周期性工

作类型的工作周期中有停止时间，可以提高电动机的输出功率或电器元件的允许电流

值，这是不合理的。因为忽略了电动机起动次数增加而影响输出功率和电器元件接电

次数而影响电寿命的因素，使在频繁操作场合下使用的电动机和电器元件损坏率很高。

所以在选择和使用的电动机或电器元件时，既要考虑断续工作的特点，又要考虑频繁

操作的特点。

二、起重机负载的特点

轨道式集装箱龙门起重机的机构一般可分为运行和升降两种，这两种机构的负载

性质是不同的。

运行机构的正、反两个方向均属阻力负载，对电动机来说在两个方向都是电动状

态，需要发出驱动力矩来拖动机构运转。

升降机构两方向的负载性质不一样。上升时为阻力负载。下降时有两种情况：当

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负载很轻，其重量克服不了机构的摩擦阻力时，也是阻力负载；当负载较大时则为动

力负载。对电动机来说，上升和轻负载下降时是电动状态，产生驱动力矩来拖动机构

运转；重负载下降时，由重物拖动机构向下运转，电动机处于制动状态，产生制动力

矩来平衡由负载产生的驱动力矩，使重物以稳定的速度下降。类似升降机构的负载称

“位能负载”。上升时由电动机驱动，将动能变为位能；下降时由重物驱动，将位能变

为动能。

在室外工作的起重机，由于风力的存在，当顺风运行时，有可能把运行机构的阻

力负载变成动力负载，此时由风力驱动机构运行，电动机处于制动状态。

三、起重机常用的下降制动方法

为了使下降的重物能获得稳定的运行速度，需要使电动机在制动状态下运行。异

步电动机常见的制动方法有再生发电制动、反接制动和单相制动三种。

1、再生发电制动

再生发电制动发生在由于外力的作用使异步电动机的转速超过其同步转速时，此

时电动机的运行状态象一个与电网并联的异步发电机，将电能反馈给电网。这种制动

方法常用于起升机构下降重物时，其特点是转速较快，且必须超过同步转速。绕线型

异步电动机应用再生发电制动时，不能在转子电路中串接电阻器，因串接电阻后，转

速将更快，过快的转速将引起机构的损坏。

2、反接制动

电动机被过重的负载倒拉，就会出现反接制动状态。此时，电动机的转子被迫逆

着旋转磁场的方向旋转，转速是负值，转子中将产生比静止时更高的感应电动势。为

了限制转子电流不致过大，需在转子电路中串接足够的电阻。反接制动时，电动机把

下降负载的位能变换成电能，并于从电网吸取的电能一起变成热能，消耗在转子电阻

里。这种制动方法常用于起升机构下降较重负载时，其特点是机械特性较软。

3、单相制动

把三相异步电动机的定子绕组接在单相电源上或把三相电源中的任何一相断开，

并在转子电路中串接适当的电阻，如此时电动机由下降的重物带动旋转，则电动机便

进入单相制动状态运行。

在电动机的定子绕组中，通过单相交流电时，可以看作是在三相绕组上加了一个

三相不对称的电压，不对称的电压可以分解成正序和负序两个对称的电压分量。正序

电压在定子绕组中产生正序电流，而负序电压产生负序电流。正序电流建立正旋转磁

场，负序电流建立负旋转磁场。两个旋转磁场分别在转子绕组中感应出正序电动势和

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