摘 要

起重机是一种搬运物料的机械，随着科学技术的发展以及工业生产规模的不断扩大，起重机开始朝着大型化的方向发展，起重量和起升高度等也随之不断增大，因此有必要对大起升高度起重机进行设计。本课题的主要任务是完成超大起升高度固定式卷扬起重机的设计及仿真。本文主要对30t/300m超大起升高度固定式卷扬起重机进行了总体设计计算；确定了大容绳量卷绕卷筒的结构型式以及主要设计参数；并在ADAMS中对起重机进行了运动学仿真。本文主要内容有：

（1）确定了30t/300m超大起升高度固定式卷扬起重机的总体结构型式，完成了总体设计计算；

（2）将多层卷绕卷筒确定为折线绳槽卷筒并计算了其主要参数；

（3）对起重机的起升动态特性进行了分析，并根据三种不同的工况分别建立起了它们的动力学模型；

（4）利用solidworks完成固定式卷扬起重机的各零部件的三维建模及装配，并导入到ADAMS中完成了运动学仿真；

（5）对固定式卷扬起重机的经济性与环保性进行了分析。

关键词：固定式卷扬起重机；起升机构；总体设计；折线绳槽卷筒；ADAMS

Abstract

The crane is a kind of machinery that transports materials. With the development of science and technology and the continuous expansion of industrial production, cranes have begun to develop in the direction of large scale, and the lifting weight and lifting height have also increased. Therefore, it is necessary to Designing cranes with large lifting heights. The main task of this project is to complete the design and simulation of a fixed hoisting crane with superlarge lifting height. In this paper, the overall design and calculation of the 30t/300m fixed hoisting crane with superlarge lifting height is carried out; the structural type and main design parameters of the large-capacity winding reel are determined; and the kinematics simulation of the crane is performed in ADAMS . The main contents of this article are:

(1) The overall structure type of the 30t/300m fixed hoisting crane with superlarge lifting height was determined, and the overall design calculations were completed.

(2) The multi-layer winding drum is determined as a fold line rope drum and its main parameters are calculated.

(3) The lifting dynamic characteristics of cranes are analyzed in three types of working conditions and their dynamic models are established.

(4) Using solidworks to complete the three-dimensional modeling and assembly of the components of the fixed hoisting crane, and imported into ADAMS to complete the kinematics simulation.

(5) The economy and environmental protection of the fixed hoist crane are analyzed.

Key Words: fixed hoisting cranes; lifting mechanisms; overall design; folded line rope reels; ADAMS

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 超大起重机发展现状 1

1.2.2 起升卷绕系统研究现状 1

1.2.3 卷扬起重机优化设计现状 2

1.2.4 软件辅助设计现状 2

1.3 设计概述 3

1.3.1 设计基本内容 3

1.3.2 设计任务 3

1.4 目的和意义 4

第2章 固定式卷扬起重机设计计算 5

2.1 钢平台底座设计 6

2.1.1 梁截面所需抗弯模量 6

2.1.2 梁截面所需惯性矩 7

2.1.3 确定型钢的型号 7

2.1.4 梁截面的验算 7

2.2 起升机构设计 9

2.2.1 确定驱动装置布置以及滑轮组的形式和倍率 9

2.2.2 钢丝绳的选择 10

2.2.3 确定滑轮尺寸以及卷筒转速 10

2.2.4 电动机的选择 12

2.2.5 减速器的选择 14

2.2.6 选择联轴器 16

2.2.7 选择制动器 17

2.2.8 机构启动、制动时间校验 18

2.3 本章小结 20

第3章 多层卷绕卷筒及其设计计算 21

3.1 折线绳槽卷筒 21

3.2 折线绳槽卷筒的设计计算 22

3.3 本章小结 24

第4章 固定式卷扬起重机起升动态特性分析 25

4.1 起升起动（下降制动）动力学模型 25

4.2 起升制动 （下降起动）动力学模型 27

4.3 货物离地起升 27

4.4 本章小结 28

第5章 固定卷扬起重机三维建模及运动学仿真 29

5.1 固定卷扬起重机solidworks三维建模 29

5.2 ADAMS运动学仿真分析 31

5.2.1 固定式卷扬起重机ADAMS运动学模型 31

5.2.2 固定式卷扬起重机运动学仿真结果及分析 32

5.3 本章小结 33

第6章 经济性与环保性分析 34

第7章 全文总结及展望 35

7.1 全文总结 35

7.2 全文展望 35

参考文献 36

致谢 37

第1章 绪论

1.1 课题背景

卷扬起重机是一种用于提升货物的起重机械，它主要由驱动电机、联轴器、滚动卷筒、制动器、减速箱、钢丝绳滑轮组卷绕系统、取物装置等构成。卷扬起重机的驱动电机输出轴通过联轴器与减速箱的高速轴相连，带动与减速箱低速轴相连的卷筒，利用卷筒的旋转运动卷入或放出钢丝绳，使得固定在取物装置上的重物能够上升或下降。制动器的作用是将货物保持在某一起升高度，方便对货物进行作业。钢丝绳滑轮组卷绕系统的布置方式不仅可以改变取物装置作业位置，还能改变钢丝绳的受力状况以及货物起升速度。

卷扬起重机在现代工业生产中应用越来越广泛，影响我们生产生活的各个方面，人们越来越离不开卷扬起重机。作为起重机械设备中较为常见的一种，卷扬起重机在起重行业中有着举足轻重的地位。它不仅大大减轻了人类的工作负担，而且大幅度提高了劳动生产率，实现了生产过程机械化，为国民经济建设创造了巨大的经济效益。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 超大起重机发展现状

随着现代工业的发展，为了满足生产需要，起重机开始朝着大型化的方向发展，起重机的起重量以及起升高度不断增加，因而对起重机设计的要求也越来越高。目前，国内外对超大吨位起重机的研究设计取得了丰硕的成果，相继制造出了各式各样的超大吨位起重机，如800t吊钩门式起重机、1200t全地面起重机、超大吨位履带起重机ZCC3200NP等等。但超大起升高度起重机的研究设计则相对较少，在这方面的文献也并不多。为了设计出能满足生产要求的起重设备，我们需要加大对大型起重机械的研究步伐，使起重机械能服务于经济发展。

1.2.2 起升卷绕系统研究现状

起升卷绕系统的设计是卷扬起重机的设计的主要部分，相关人员在这方面做了大量的研究工作并取得了丰硕的成果。原韶坤等^[1]研究了卷扬系统的单联卷筒部分，在详细分析单联卷筒的受力情况后,建立了该卷扬系统的数学模型和系统状态方程。这些理论依据对起重机起升机构的分析与研究有重要的参考价值。

卷筒的设计在起升机构的设计中相当重要，为了解决超大起升高度起升机构的卷筒设计问题，设计人员进行了大量相关的研究。郭献等^[2]对双折线卷筒的绳槽、使用要求、设计要点以及应用和加工制造等进行了详细的介绍。孙彩虹等^[3]则研究了几种卷筒的多层卷绕现象以及导向环的设计。梁平祥^[4]提出了一种大扬高多层缠绕起升卷筒的新结构，不仅减轻了起重机重量，还延长了钢丝绳的使用寿命。胡勇等^[5]研究了多层卷绕钢丝绳卷筒的工作原理及特点，并介绍了三种主要制造工艺以及其在实际工作过程时的使用条件。

在多层卷绕系统中，钢丝绳磨损情况严重。针对这一现象，胡志辉等^[6-9]不仅分析了双折线式多层卷绕钢丝绳的失效机理，还研究了其卷绕过程中的受力情况和磨损损伤情况并得出了重要结论。此外，他们以起升、变幅多层卷绕系统为原型研制了一套多层卷绕钢丝绳疲劳磨损试验装置，这套设备能够真实反应钢丝绳的实际作业工况，这有利于多层卷绕钢丝绳损伤与失效行为的研究。雷宽成^[10]研究了多层卷绕钢丝绳的主要失效形式及其原因，并分析了钢丝绳的摩擦机理。国外同样也有很多对钢丝绳的研究，比如利用金相测量、机械测试等对起重钢丝绳进行失效分析^[11]，研究钢丝绳在冲击载荷作用下自身滑动时的摩擦磨损性能^[12]等等。

1.2.3 卷扬起重机优化设计现状

近些年国内外在卷扬机的优化方面做了大量的工作，对许多常见的问题都提出了有效的解决措施，不仅使工业生产更加方便，而且保护了环境，因此卷扬机在其他领域的运用也越来越广泛。陈霖等^[13]在介绍卷扬机主要结构和工作原理的基础上，详细分析了卷扬机在工作时所遇到的缠绳问题和噪声问题及其原因，之后为解决出现的排绳问题和噪声问题，有针对性地提出了几种的优化方案。

为了实现起升机构的超高扬程，李翔等^[14]详细分析了卷筒排绳问题、吊具水平方向旋转问题、卷筒容绳量问题、PLC控制系统安全问题以及起升机构机械传动的安全监测及部件失效后的安全问题，并给出了有效可行的解决措施，为超高扬程起升机构的设计提供了理论依据和现实方案。

为了优化卷筒结构，改进传统的设计方法，王小明^[15]利用SolidWorks三维建模软件建立了卷筒模型，之后利用ANSYS软件进行卷筒模型的有限元分析，得到了卷筒模型的应力及应变情况。在保证卷筒的强度及稳定性条件的前提下，可根据ANSYS分析结果对卷筒进行优化设计，这样不仅可降低卷筒的制造成本，还可减轻卷筒的重量。

1.2.4 软件辅助设计现状

随着计算机技术的快速发展，计算机的硬件设备性能不断提高，这为软件开发提供了坚实的基础，同时这也使得利用计算机来辅助起重机的设计及研究成为了现实。如今在我们的生活中出现了越来越多的工程软件，比如ANSYS，ADAMS，AutoCAD，UG以及SolidWorks等等。工程设计人员可利用这些工程软件进行起重机的设计及研究，为起重机提供一定理论依据，这不仅可以减少设计工作计算量，提高工作效率，还可以对起重机零部件设计进行优化处理。

刘世杰等^[16]在桥式起重机起升机构的动力学模型和振动微分方程的基础上，得到了离地起升工况下的起升动载系数。在ADAMS中完成了柔性体钢丝绳的建模，并对起升机构的动力学模型进行了仿真分析，通过ADAMS仿真得到的起升动载系数与实际结果基本相符。这为分析起重机起升机构的受力情况提供了一定的理论依据。

针对双折线式多层卷绕系统，严芃芃等^[17]通过VB对SolidWorks和ANSYS软件进行了软件开发，得到了该系统的参数化设计系统，因而双折线式多层卷绕系统设计的参数化得以实现。这次软件开发对减少设计的计算量和时间、提高工作效率以及实现卷筒的有限元分析具有重大意义。

范晶晶等^[18]通过UG软件建立了多层缠绕卷筒的三维模型，并创建了该零件的有限元模型，在对该有限元模型进行分析求解之后，得到了三维模型的应变和应力分布仿真结果。利用得出的仿真结果对卷筒进行优化设计，使其在满足设计要求的前提下，降低卷筒的成本，减小其体积。

A.Arena等^[19]在考虑典型的风载荷影响的前提下，提出了集装箱起重机的三维模型。此外，通过计算机收集信息并利用软件进行数据的处理分析后，他们发现该模型的预测结果和实际结果相吻合，验证了该力学模型的正确性。

程力等^[20]建立了起升机构的动力学模型，并利用ADAMS软件对该模型进行动力学仿真分析，之后在实验平台对动力学模型进行了校验。实验得到的数据说明，该动力学模型仿真的结果与实验测试结果大致相同，这为起升机构的设计提供了一定的理论依据。

1.3 设计概述

1.3.1 设计基本内容

本次设计的选题名称是超大起升高度固定式卷扬起重机设计及仿真。设计的主要内容包括：完成30t/300m超大起升高度固定式卷扬起重机总体设计计算、大容绳量多层卷绕卷筒设计计算及三维仿真建模。

1.3.2 设计任务

（1）确定30t/300m超大起升高度固定式卷扬起重机总体结构型式及主尺寸，完成总体设计计算，确定固定式卷扬起重机的钢平台底座尺寸；

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