1 概述

1 概述

1.1 机械设计的发展

为了适应现代科学技术的迅速发展，机械设计在近30年来发生了相当大的变化。设计方法更趋于科学、完善，计算精度更高，计算速度更快。主要有以下几个方面：一、基础理论不断深化和扩展。例如摩擦学研究摩擦表面间的物理和化学性质，进一步探索薄层摩擦副的机理和计算问题；弹性流体动力润滑研究计算重载点、线接触的最小油膜厚度、摩擦力和摩擦温度等问题，以提高齿轮传动、滚动轴承等的寿命和可靠性等。疲劳断裂从无限寿命设计发展到有限行命设计；从常规疲劳强度设计发展到用特环弹塑性解的局部应力-应变法估算裂纹形成寿命，用裂纹扩展原理估算裂纹扩展寿命；并进一步发展微裂纹、短裂纹、长裂纹用微观-宏观结合的寿命估算理论等。二、传统的机械设计偏重于零件、部件的静态设计，现正向以局部或整个机械系统为对象的动态设计方法扩展。研究机械系统的动力学问题对发展高速机械具有重要意义。三、为使产品设计更科学、更完善、更有市场竞争能力，新的设计方法不断出现，如优化设计、可靠性设计、系统设计、模块化设计、价值工程、造型设计、疲劳强度设计、蠕变设计、摩擦学设计、计算机辅助设计等。四、由于电子计算机具有运转速度快、计算精度高、有记忆和逻辑判断功能等特点，在机械设计的各个领域中，正在得到越来越广的应用。

1.2 龙门吊的应用与改进 1.2.1 龙门吊的作用

龙门吊是一种提高劳动生产率，改善劳动条件的大型装卸机械，被广泛应用于工业生产，一般应用在造船厂基地大型钢结构船段的吊装、铁路货场、港口码头、工矿料场、机械加工车间、仓库机械制造、装配工厂、水电站车间厂矿、企业中广泛使用。随着全球经济一体化，近几年机械制造业务逐渐增加，对于工厂中生产的大批材料，如钢材、（成捆）木材等的搬运用人力非常困难，为此龙门吊的设计与研究迫在眉睫，把小型龙门吊的设计工作提高到一个新的台阶，使之更加科学合理以减轻了工人的体力劳动，提高劳动生产率。要保证生产的顺利进行，机械设备是关键，而龙门吊是其中创造财

富所必不可少的工具，它对生产起着举足轻重的作用。

1.2.2 龙门吊的改进

中国工程起重机（龙门吊）行业在经历了2003年的高速发展后，虽然在2004年起重机市场经历了上半年的大起、下半年的大落，但是各项经济指标仍创历史新高，故2004年又称为超高速发展的一年。从2005年1-10月情况分析，应当说中国工程起重机行业已进入了平稳、可持续发展阶段。据工程起重机分会对23个主机生产企业的统计，2005年1-10月，产品销售收入55.7亿元，同比增长-4.8%; 利润总额2.83亿元，同比增长-32.7%; 工业增加值8.8亿元，同比增长-17.8%。销售各类起重机和其他工程机械11368台，同比增长-15%。

1.3 龙门吊的类型

LDA型电动单梁 LX型电动单梁悬挂式 LP型电动单梁式 DZ12A型单梁抓斗式 LH型电动葫芦双梁桥式 QD型电动双梁桥式 QZ型电动双梁抓斗桥式 MH型电动葫芦单梁门式 MHD型电动双梁门式 手动单梁、双梁 BBD、BBS型旋臂

GMH型固定式、YMH型移动式葫芦门式

2 龙门吊总体结构设计

2.1 总体设计步骤

⑴合理选型 根据使用要求、合理选择零件的类型及相应结构 ⑵载荷分析 分析计算零件和受的载荷

⑶选 材 概括工作条件、使用要求、选择适当的材料分析失效的形

式、确定计算准则、判定主要失效形式、确定计算准则

⑷计 算 确定零件的基本尺寸、参数、尺寸数目多于计算准则数目、

有些参数是选定的。

2.2 龙门吊总体结构方案

龙门吊的龙门架是由四条龙门腿组成，两根纵梁和两根横梁组成龙门支腿,龙门腿是一箱形结构,其外部为走行系统之链条传动箱,横梁亦是箱形结构,为走行系统的安装基础.纵梁是组焊接工字型梁,为便于公路,铁路运输,采用螺栓连接,纵梁为动力传动系统和液压系统安装基础。

龙门吊总体结构如图1所示。

图1 龙门吊总体结构图

2.3 龙门吊主要技术参数

此次设计的龙门吊主要技术参数如下表所示。

表1 龙门吊主要技术参数

起重量 跨度 提升高度 工作级别 速 主钩提升速度 度 天车运行速度 大车运行速度 副钩提升速度 副钩运行速度 电 动 机 功 率 副钩提升 副钩运行 天车运行 天车运行 起重机总重 整机总功率 最大轮压 荐用钢轨 电源 7.5～13kw 0.8kw 6～18kw 6～36kw 8T～200T 10kw～130kw 5KN～500KN P50/P43/P38 三相交流电50Hz 380V 3-phase 主钩提升 11～32kw 主提升重量 副提升重量 6米 8米 A4 A3 0.5m～5m/min 6m～15m/min 3m～30m/min 8m/min 20m/min 1～5T 5～10T 3 龙门吊关键部件的设计与校核

3.1 电动葫芦的选择

电动葫芦简称电葫芦，由电动机，传动机构和卷筒或链轮组成。分钢丝绳电动葫芦和环链电动葫芦两种。通常用自带制动器的鼠笼型锥形转子电动机或另配电磁制动器的圆柱形转子电动机驱动，起重量一般为0.1~80吨，

起升高度为3~30米，多数电动葫芦由人用按钮跟随操作，也可在司机室内操作或采用有（无）线远程距离控制，电动葫芦除可单独使用外还同手动，车动或电动小车装配在一起悬挂在建筑物的顶棚或起重机的梁上使用。

LDA型电动单梁起重机与CDI，MDI型电动葫芦配套使用。它可起升重物并沿主梁纵向移动。选用CDI型的电动葫芦即可

3.2 主梁的设计与校核 3.2.1 龙门吊载荷的确定

贝雷片材料为6Mn钢，其拉、压、弯容许应力为[σ]=1.3×210.0=273.0 MPa，容许剪应力[τ] = 1.3×160.0 = 208.0 MPa，弦杆截面积A0= 25.48 cm2,惯性矩I0= 396.6 cm4，每片重270 kg。销子为30CrMnTi钢，直径5cm，容许剪应力[τ] =0.45×1300=585.MPa，每个重3 kg。加强弦杆材料同贝雷片，每根重80kg。由贝雷片拼装的龙门吊均为多次超静定结构,计算非常繁杂。由于其为临时结构，故一般都把它简化为静定结构计算。

图2 龙门吊载荷示意图

龙门吊的载荷包括下面三种：

(1)横梁均布荷载q1经计算为3kN/m。包括桁架片、桁架支撑片。加强弦杆、平车走行线等均近似均布,按均布荷载考虑。(2)风荷载q2经计算为0.4 kN/m。风荷载一般只考虑在支腿上。(3)集中荷载p经计算为200 kN/m。集中力即为小车轮作用于钢轨上的力，严格讲，小车有2排轮子,应为2个集中力，因其间距很小，为安全与方便起按1个集中力考虑。集中荷载包括T梁、小车、滑轮组、卷扬机、钢丝绳等重量。

弯矩Ⅰ-Ⅰ截面跨中弯矩MⅠ-Ⅰ如图3所示，CD杆为现场加工杆件，精度不高，加工时孔偏大，所以CD杆对横梁上弦杆约束不是十分有力。严格讲,横梁与支腿之间是介于简支与刚构之间的一种结构,计算Ⅰ-Ⅰ弯矩时把它当成简支处理。这样偏于安全,经计算为1215 kN·m。

图3 龙门吊应力计算示意图

如上所述,CD杆对横梁上弦杆有一定的约束，所以在计算Ⅱ-Ⅱ截面负弯矩时把它当成“Ⅰ”形刚构处理。这样,如集中荷载在跨中时，加上风荷载

作用则在Ⅱ-Ⅱ截面产生最大负弯矩.经计算，均布荷载q1对Ⅱ-Ⅱ截面产生的负弯矩M1为-51.45 kN·m；集中荷载在-245kN·m；风荷载q2对Ⅱ-Ⅱ截面产生的负弯矩M3为-49.98 kN·m；则Ⅱ-Ⅱ截面负弯矩MⅡ=M1+M2+M3=- 366.4。

主梁的设计计算涉及到：自重载荷、起升载荷、水平载荷、附加载荷的计算；不同点的剪切力、应力，弯矩；支反力、侧向力、约束弯曲、约束扭转、刚度计算；截面的惯性矩、断面模量、静矩和弯心的计算；计算结果 再经主梁的限制条件（正应力、剪应力、水平和垂直静刚度刚度、动刚度、腹板的高度比值、翼缘板的宽厚比值、主梁的跨高比值和跨宽比值、设计变量的边界约束条件进行优化）。一般来说,根据桥机生产厂家的规范，端梁不进行强度、刚度等计算，端梁计算只是为了确定端梁形式及与主梁的连接方式（铰接还是刚性连接），根据主梁参数从端梁系列库中选择端梁型号,确定端梁 的主要参数。首先根据任务书要求,选择主、副小车的起重量4吨和跨度7.5米。3.2.2 主梁设计指标

刚度条件：容许挠度见ＧＢ3811 85起重机械设计规范 ｙｍａｘ≤[1/750]。

强度条件：容许强度见ＢJ1788钢结构设计规范 σ≤[σ]=215Ｎ/ｍｍ2=2194ｋｇ/ｃｍ2。

主梁的强度与刚度校核：刚度不足说明其主梁截面尺寸比较小，同时也反映其强度富裕量比较小，使用一段时间后，主梁原有的上拱会逐步消失，这时加载以后，主梁下挠就发生在水平线以下1‰L(L为跨度)。主梁刚度校核条件包括静刚度和动刚度，静刚度以静态弹性变形量表述。静刚度的校核即验算

额定载荷和小车自重在大跨度中引起的静挠度，经验算得： 静挠度 f=0.89‰

动刚度以满载自振频率表征或验算空载自振周期。按照规定，一般起重机不用校核动刚度。

主梁的Mmax、Qmax、Fmax,代入下列公式进行强度和刚度验算 弯曲正应力强度条件

σmax=Mmax/Wx≤[σw]

弯曲剪应力强度条件

τmax=Qmax/Ixδ≤[τ] 弯曲刚度条件：fmax≤[f]

式中符号均为通号，其意义不在赘述，其中主梁的最大挠度（Fmax)发生在最大受力的跨中截面，由结构位移计算的常用方法可导出其计算式为

Fmax=99/384EF(8-4a/

式中 E—主梁所用材料的弹性模量 I—钢梁横截面对其中性轴的惯性矩

3.2.3 主梁结构设计

最大剪应力τmax所有销子受剪均为双剪状态,τmax=Q中/2A= 109.2 MPa(< [τ] = 585.0 MPa)。跨中挠度fmax按计算MⅠ-Ⅰ进行简化,则fmax=f集中+f均= 38 mm(< [f] =L/500 = 42 mm)。 主要计算准则：

（1）强度――抵抗塑变、整体断裂、表层断裂的能力

σ≤[σ]

（2）刚度――抵抗弹性变形的能力 δ≤[δ]

（3）耐磨性――足够的寿命 条件性计算：p≤[p]、PV≤[PV］ （4）温升计算――正常工作 Δt≤[Δt] 主梁截面 由:

ｙｘ=∑ｙｉＡｉ/∑Ａｉ=(ｙ1×Ａ1+2ｙ2×Ａ2+ｙ3×Ａ3)/(Ａ1+2Ａ2+Ａ3) =(79.2×54.4+2×65.9×15+20×94.1)/(54.4+2×15+94.1)

=45.756ｃｍ。

得:ｙ1=79.2-45.756=33.444ｃｍ, ｙ2=65.9-45.756=20.144ｃｍ, ｙ3=20-45.756=-25.756ｃｍ。

由:∑Ｉ=∑Ｉｉ+∑ｙｉ2Ａｉ。

得:∑Ｉ=Ｉ1+2Ｉ2+Ｉ3+ｙ12×54.4+2ｙ22×15+ｙ32×94.1=159817ｃｍ4。 由:Ｗｘ=Ｉ/ｙｍａｘ

得:Ｗｘ=159817/45.756=3493。

主梁受力图(以下由主梁最大受力点分析) 刚度校核

由:ｙ′ｍａｘ=ｐｌ/48ＥＩ=0.65。

考虑主梁动载系数为1.1,则ｙｍａｘ=ｙ′ｍａｘ×1.1=0.72。 结论:ｙｍａｘ<ｌ/750=1.27。 强度校核

由:σ=Ｍ/Ｗｘ=(ｐｌ/4)/Ｗｘ=(12000×950/4)/3493=816

ｋｇ/ｃｍ2。

结论:σ<[σ]=2194。 挠度计算：

跨中和有效悬臂点的挠度，分别等于该测点空载和重载时对应的拱度和翘度的数值之差，用公式可表示为：

跨中：F3＝f3空－f3重 悬臂：F1＝f1空－f1重 F5＝f5空－f5重 几点说明：

以上所有公式中“l”均是按两端有效悬臂相等计算的，若两端有效悬臂长度不等时，则各式f1，f5中的“l”分别由对应的l1，l５代替进行计算即可。

4 龙门吊使用说明

4.1 小型龙门吊的特点

(1)结构简单，制造成本低，安装容易。 (2)操作简单，工人不必经过专门训练。 (3)维护简单，不必制定严格的维护保养制度。 (4)安全性高，可以遥控远距离操作。

4.2 注意事项

(1)龙门吊应有专人开车，司机应经过专业培训，熟悉本机的结构特点和操作方法，并经考试合格后发给合格证书，才允许开车。

(2)严禁非司机开车。

(3)司机工作时，只听地面上专门人员指挥（并且只能有1 人指挥），但是无论什么人发出停车信号时均应停车，查明情况再开车。

(4)每日每次开车前，必须检查所有机械和电器设备是否良好，操作系统是否灵活，并按规定对设备进行保养和润滑。

(5)每班第一次吊运物品以使吊运接近额定负荷的物品时，司机应先将重物起重至不超过0.5m高度，然后下降到接近地面时制动。

(6)禁止超负荷使用。 (7)禁止倾斜吊运物品。

(8)龙门吊吊运物品时，应鸣铃让人躲开或绕开，禁止从人头顶通过，开车前必须发出开车警告信号。

(9)禁止人随物品一起升降。

(10)不允许长时间吊重于空中停留，龙门吊吊装重物时，司机和地面指挥人员不得离开。

(11)检查时应切断电源，且挂“有人检修”的牌子，以免误开车造成重大事故。

结束语

随着科学技术的发展，工业生产中的机械化程度会越来越高。早期生产中的人拉肩扛也将不复存在。龙门吊作为一种简单实用的起重机械，其在生产活动中的地位也将变得无法代替。

起重机的制造一直是工程机械中的一个亮点。龙门吊作为起重机的一种，它们用于不同的工种和作业中，在某些车间或小型行业应用极为普遍。本篇通过对龙门吊的受力与承载情况方面进行了全面的分析，利用平衡方程对其梁进行强度的校核，结构的的设计以及许可载荷的确定，这样又进一步论证了它的使用与安全性能，加上一些保护装置后，可以应用到现实中。

设计制作简单，使用方便。由于考虑到不同的应用场合，因此对它的控

制进行了多方面的规划，分为有（无）线摇控控制，直接操纵室操作，因此特别实用。

无论社会如何进步，龙门吊将应用越来越广泛，相信它会在结构和性能上更进一步的完善和发展。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/um17.html