通用式5T门座式起重机回转机构及蜗杆减速器设计开题报告

三、文献综述

1．起重机

起重机是指在一定范围内垂直提升和水平搬运重物的多动作起重机械。又称吊车。通常起重机械由起升机构(使物品上下运动)、运行机构(使起重机械移动)、变幅机构和回转机构(使物品作水平移 动)，再加上金属机构，动力装置，操纵控制及必要的辅助装置组合而成。在建桥工程中所用的起重机械，根据其构造和性能的不同，一般可分为轻小型起重设备、桥式类型起重机械和臂架类型起重机三大类。门座起重机（Gantry Crane），又叫龙门吊，是桥式起重机的一种变形，主要用于室外的货场、料场货、散货的装卸作业。其金属结构像门形框架，承载主梁下安装两条支脚，可以直接在地面的轨道上行走，主梁两端可以具有外伸悬臂梁，具有场地利用率高、作业范围大、适应面广、通用性强等特点。

轻小型起重设备如：千斤顶、气动葫芦、电动葫芦、平衡葫芦（又名平衡吊）、卷扬机等。桥架类型起重机械如梁式起重机、龙门起重机等。臂架类型起重机如固定式回转起重机、塔式起重机、汽车起重机、轮胎起重机、履带起重机等。在一定范围内垂直提升和水平搬运重物的多动作起重机械。又称吊车。属于物料搬运机械。起重机的工作特点是做间歇性运动，即在一个工作循环中取料、运移、卸载等动作的相应机构是交替工作的。

1.1 主要分类

（1）按驱动方式分：一类为集中驱动，即用一台电动机带动长传动轴驱动两边的主动车轮；另一类为分别驱动、即两边的主动车轮各用一台电动机驱动。中、小型桥式起重机较多采用制动器、减速器和电动机组合成一体的“三合一”驱动方式，大起重量的普通桥式起重机为便于安装和调整，驱动装置常采用万向联轴器。

（2）按结构形式，起重机主要分为桥架式（桥式、门式起重机）；臂架式（自行式、塔式、门座式、铁路式、浮船式、桅杆式起重机）；缆索式。

（3）按起重性质分：流动式起重机、塔式起重机、桅杆式起重机。

1.2 部分不同类型起重机实物图

图1.2.1 龙门吊 图1.2.2 车载起重机

图1.2.3 悬浮式可移动起重机 图1.2.4 门座式起重机

图1.2.5 塔式起重机

2. 门座式起重机

门座式起重机(Portal Slewing Crane)，简称门机，是一种典型的旋回转臂架类型有轨运行式起重机。门座起重机外形像一座门，所以称门座式起重机，如图所示。

图2.1 门座式起重机

桥架通过两侧支腿支承在地面轨道或地基上的桥架型起重机。具有沿地面轨道运行，下方可通过铁路车辆或其他地面车辆。可转动的起重装置装在门形座架上的一种臂架型起重机。门形座架的 4 条 腿构成 4 个“门洞”，可供铁路车辆和其他车辆通过。门座起重机大多沿地面或建筑物上的起重机轨道运行，进行起重装卸作业。门座呈“人”字形的起重机称半门座起重机，其运行轨道的一侧设在地面上，另一侧设在高于地面的建筑物上。

门座起重机是随着港口事业的发展而发展起来的 1890 年,第一次将幅度不可变的固定式可旋转臂架型起重机装在横跨于窄码头上方的运行式半门座上，成为早期的港用半门座起重机随着码头宽度的加大,门座和半门座起重机并列发展，并普遍采用俯仰臂架和水平变幅系统。第二次世界大战后，港用门座起重机迅速发展为便于多台起重机对同一条船进行并列工作,普遍采用了转动部分与立柱体相连的转柱式门座起重机,或转动部分通过大轴承与门座相连的滚动轴承式支承回转装置,以减小转动部分的尾径,并采用了减小码头掩盖面（门座主体对地面的投影）的门座结构。在发展过程中，门座起重机还逐步推广应用到作业条件与港口相近的船台和水电站工地等处。

门座起重机广泛用于港口，码头的货物装卸，造船厂的施工和安装及大型水电站的建设工程中。在门重起重机的机座上，装有起重机的旋转机构，门形机座实际上是起重机的承重部分。门形机座的下面有运行机构，可在地面设置的轨道上行走。在旋转机构的上面还装有起升机构的臂架和变幅机构。四个机构协同工作，可完成设备或船体分段的安装，或者进行货物的装卸作业。

2.1 门座式起重机类型分类

（1）普通门式起重机：这种起重机多采用箱型和桁架式结构，应用最为广泛。可运载各种件和散料，起重量100吨以下，跨度4-39米。

（2）水电站门式起重机：主要用于闸门的升降和启闭，也可用于安装。

（3）造船门式起重机：用于组装船台船体，总有两台起重小车:一台有两个主钩，在桥上法兰的轨道上运行；另一个有一个主钩和一个副钩，在桥下翼缘的轨道上运行，以便翻转和提升大型船体分段。

（4）集装箱龙门起重机：用于集装箱码头。拖车将码头集装箱装卸桥卸下的集装箱拖运至堆场或后方，再由集装箱龙门起重机堆码或直接装车，可以加快集装箱装卸桥或其他起重机的周转。

2.2 门座式起重机的特点

（1）工作机构具有较高的运动速度。起升速度可达 70 米／分(m／min)，变幅速度可达 55 米／分。

（2）额定起重能力范围很宽。一般在 5—100 吨(t)，造船用门座起重机的，起重量范围则更大，现 已达到 150～250 吨(t)。

（3）使用效率高。每昼夜可工作 22 小时(h)，台时效率也很高。一般每小时可达 100 吨以上。

（4）结构是立体的。不多占用码头、货场的面积，具有高大的门架和较长距离的伸臂，因而具有较大的起升高度和工作幅度，能满足港口码头船舶和车辆的机械化装卸、转载以及充分使用场地的要求。

（5）造价高。需用的钢材多，需要较大的电力供给，一般轮压较大，需要坚固的地基，附属设备也比较多，如变电所、电缆等。

2.3 组成

大体上由以下几部分组成：

（1）结构部分

包括臂架系统、人字架、旋转平台、司机室、门架等。

（2）机构部分

包括起升机构、变幅机构、旋转机构、运行机构。

（3）电气部分

起重机一般通过电缆卷筒或地沟滑线供电，采用电力直接驱动。只有当电力供应无法解决时，才考虑采用蒸汽发电或柴油发电等复合驱动装置。电气部分一般包括电线电缆、中心集电器、电动机、变压器、电阻器、控制柜、操纵台、照明等。

（4）安全装置部分

包括减速器、限位装置、超载限制器、缓冲器、防风抗滑装置等。司机室、机房平台的高度超过 20m 的大型门座起重机则应当考虑安装附属的简易电梯。

3.回转机构

回转机构是使起重机或其他机械的回转部分绕其回转中心线，实现回转运动的机构。配合其他机构完成货物的空间运输任务或其他工作循环。由驱动装置、传动装置和回转支承组成。驱动装置的动力经传动装置的输出小齿轮传至固定在车架上的大齿圈，实现转台绕其回转中心线转动。按传动方式不同分为机械传动、电传动和液压传动。

回转机构是使起重机的回转部分在水平面内绕回转中心线转动的机构，它是回转类型起重机的主要工作机构之一。回转机构的作用是实现货物的水平移动。通过起升、变幅和回转三个机构的配合动作，可以将货物运送到起重机工作幅度范围内的任意位置。

3.1 回转机构组成

回转机构通常由回转支承装置和回转驱动装置两部分组成。回转支承装置用来连接起重机的回转部分与非回转部分，并提供回转运动所要求的约束以保证回转部分具有确定的运动，同时为回转部分提供稳固的支承，承受来自回转部分的垂直载荷、水平载荷以及倾覆力矩；回转驱动装置则用来驱动回转部分相对于非回转部分实现回转运动。

支承装置

回转支承装置主要分为柱式和转盘式两大类。选用何种回转支承应根据具体的使用要求、起重机制造厂的加工条件并结合各种回转支承的特点合理地确定。

柱式回转支承装置主要由立柱和上下两个支承所组成。根据立柱是属于回转部分还是属于非回转部分，又可分为转柱式回转支承装置和定柱式回转支承装置两种形式。

（1）转柱式回转支承装置

转柱式回转支承装置中，立柱与回转部分连接成一体一起回转，成为转柱；转柱依靠上、下支座支承，并通过驱动装置来实现回转运动。

在转柱式起重机中，上支承的作用相当于一个径向轴承（承受水平载荷），下支承的作用相当一个径向止推轴承（主要承受垂直载荷，同时也能承受水平载荷）。回转部分（包括货物）的全部垂直载荷通过转柱传给下支承，水平载荷由上、下支承承受，而回转部分的倾覆力矩则由上、下支承处水平反力所形成的力矩来平衡。

上支承由于其直径较大，不适宜采用径向轴承，通常通过装设水平滚轮和滚道来替代。一般形式是在转柱上装设水平滚轮，而在非回转部分的结构件上装设滚道，有时也可以采用在非回转部分装设水平滚

（2）定柱式回转支承装置

定柱式回转支承装置中，市柱固定在基础结构上。在立柱的上下端部分别装有上支承和下支承。形似“钟罩”的同转部分通过上下支承套装在立柱上，驱动装置转动“钟罩”来实现回转运动。定柱式回转支承装置常用于浮式起重机，有时也用于固定式起重机。

转盘式回转支承装置多用于轮胎式或履带式起重机上，一般也可分为支承滚轮式和滚动轴承式两种。支承滚轮式已逐渐淡出市场，主要采用滚动轴承式。内、外滚圈各有高强度螺栓分别固定在回转平台或底盘车架上。

转盘式回转支承装置又分为滚子夹套式和滚动轴承式两种回转支承装置。

滚子夹套式回转支承装置由转盘、锥形或圆柱形滚子、轨道及中心轴等组成。将圆锥或圆柱滚子装在上下两个环形轨道之间，滚子通过心轴组装在隔离夹套的内外环之间。夹套借助辐射状布置的拉杆与中心轴枢的套环相连接。

滚动轴承式回转支承装置，由球形滚动体、回转座圈和固定座圈组成。该装置中的滚球或滚柱可以选用一般滚动轴承中标准规格和尺寸的滚动体。起重机的旋转部分固定在大轴承的旋转座圈上，而大轴承的固定座圈则与门架顶面固定连接。

驱动装置

一般来说，驱动装置主要由以下三部分组成：

（1）主动机，如电力驱动中的电动机，液压驱动中的液压马达（包括液压动力源），内燃机驱动中的内燃机等。

（2）传动装置主要包括减速、换向和制动装置等。

（3）回转小齿轮与回转支承装置上的大齿圈啮合传动，以实现回转部分作回转运动。

为了保证回转机械可靠工作和防止过载，在传动系统中一般还需装设极限力矩限制器。主动机大多采用电动机，但移动式回转起重机则多数采用内燃机。回转驱动元件大多采用齿轮（或针轮），也有个别起重机采用驱动滚轮或采用绳索牵引。

根据起重机的用途和构造，回转驱动装置可以按两种方案布置：

驱动部分装在起重机回转部分上，最后一级大齿圈（或针轮）安装在不回转部分的机架上，在港口起重机的回转机构中，绝大多数采用这种形式。

驱动部分装在起重机非回转部分上，最后一级大齿圈（或针轮）则安装在起重机回转部分上，在一些大型的定柱式起重机、塔式起重机中有时采用这种形式。

3.2 设计要素

设计回转机构需要给定的主要参数有:起重量、工作级别、回转半径和回转速度。 起重量对回转机构的组成形式、传动部件、电动机的驱动功率有重要影响。在起重机系列设计中，合理选择起重量是重要的环节。回转速度的选择与驱动装置的功率和回转机构的制造精度有关，中、小起重量的起重机选用高以提高生产率，大起重量的起重机选用低速以降低驱动功率，提高工作的平稳性和安全性。

参考文献

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四、方案（设计方案、研制方案、研究方案）设计及论证

1.设计回转机构方案

本次设计的回转机构形式和构造，主要根据起重机的用途，工作环境特点，起重量的大小来进行确定的，有多种方案的配合。其主要的形式主要分两种驱动配合回转支承装置，本文设计选择的回转支承装置为转盘式回转支承装置，在不同排列的回转轴承之间，考虑到设计为大型场所所使用的门座式起重机，结合起重重量5T以及成本问题，通过分析设计经济高效的回转方案。回转机构转盘轴承主要由内圈、外圈、单排钢球、保持架（或隔离块）、密封装置等零件组成。整体式套圈的刚性相对较强，分体式调整方便，四点接触球转盘轴承通常有保持架（或隔离块），只有在载荷较大时采用满装球式结构，满装球式四点接触球轴承承载能力大，故选择单排四点接触转盘轴承（外齿形）作为回转支承装置。

结合设计需要，回转机构的驱动方式整体分为两种，机械驱动和液压驱动。

机械驱动：机械驱动是应用最广的驱动方式,大部分臂架型回转起重机采用了各种形式的机械驱动装置,它由原动机(通常是电动机)、联轴器、制动器、减速器和最后一级大齿轮(或针轮)传动机构组成。 为了保证回转机构的可靠工作和速度的精确可控，在传动系统中一般还装设蜗杆减速器。蜗杆减速器能够使转动更加平稳，速度可控，是现代机械回转机构减速器中较理想的配置方案。

液压驱动：传动是利用液体压力能进行能量转换的传动方式。在机械上采用液压传动技术，可以简化机器的结构，减轻机器质量，减少材料消耗，降低制造成本，减轻劳动强度，提高工作效率和工作的可靠性。用液压马达替代电动机作为原动机，就得到液压驱动的回转驱动方案。液压驱动还能够实现无级调速，其传动比可高达1:1 000，且调速性能不受功率大小的限制。易于实现载荷控制、速度控制和方向控制，可以进行集中控制、遥控和实现自动控制。液压传动可以实现无间隙传动，因此传动平稳，操作省力，反应快，并能高速启动和频繁换向。这对于起重机的使用而言是非常可行的。同样采用蜗杆减速器，能够实现大传动比，机械结构能够紧凑，回转过程中能够平稳。

2.设计蜗杆减速器方案

蜗轮蜗杆减速机通常用于低转速大扭矩的传动设备，它的原理是把电动机、内燃机、马达或其它高速运转的动力，通过蜗轮减速机的输入轴上齿数少的齿轮啮合输出轴上的大齿轮，以达到减速的目的；大小齿轮的齿数之比，就是传动比。蜗轮蜗杆减速机是一种由封闭在刚性壳体内的齿轮传动、蜗杆传动、齿轮-蜗杆传动所组成的独立部件，常用作原动件与工作机之间的减速传动装置。在原动机和工作机或执行机构之间起匹配转速和传递转矩的作用，在现代机械中应用极为广泛。

图2.1 蜗杆减速器模型示意图