起重設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)前言起重設(shè)備作為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的關(guān)鍵裝備，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電力、港口、建筑、交通運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)領(lǐng)域。其設(shè)計(jì)質(zhì)量直接關(guān)系到生產(chǎn)安全、作業(yè)效率和經(jīng)濟(jì)效益。本手冊(cè)旨在為從事起重設(shè)備設(shè)計(jì)的工程技術(shù)人員提供一套系統(tǒng)、全面、實(shí)用的技術(shù)指導(dǎo)，涵蓋從設(shè)計(jì)基本規(guī)定、原始數(shù)據(jù)收集到總體方案設(shè)計(jì)、零部件計(jì)算、性能驗(yàn)證及安全防護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)。本手冊(cè)的編寫基于當(dāng)前國(guó)內(nèi)外起重設(shè)備設(shè)計(jì)的先進(jìn)理念、成熟技術(shù)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，注重理論與實(shí)踐的結(jié)合，強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性和先進(jìn)性。期望通過本手冊(cè)的內(nèi)容，能夠幫助設(shè)計(jì)人員提升專業(yè)素養(yǎng)，規(guī)范設(shè)計(jì)流程，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，從而研制出滿足市場(chǎng)需求、性能優(yōu)良的起重設(shè)備。由于起重設(shè)備種類繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及知識(shí)面廣，本手冊(cè)力求內(nèi)容精煉、重點(diǎn)突出，同時(shí)兼顧不同類型起重設(shè)備設(shè)計(jì)的共性與特性。在實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員尚需結(jié)合具體項(xiàng)目的要求和特點(diǎn)，進(jìn)行深入細(xì)致的分析與計(jì)算。一、設(shè)計(jì)基本規(guī)定與原始數(shù)據(jù)1.1設(shè)計(jì)基本規(guī)定起重設(shè)備的設(shè)計(jì)必須嚴(yán)格遵守國(guó)家及行業(yè)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和法規(guī)。這些標(biāo)準(zhǔn)是保障設(shè)備安全運(yùn)行、統(tǒng)一技術(shù)要求的重要依據(jù)。設(shè)計(jì)人員應(yīng)熟悉并掌握最新版本的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（如GB系列）、機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（如JB系列）以及必要的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（如ISO、FEM、ASME等）。設(shè)計(jì)工作應(yīng)遵循以下基本原則：1.安全性原則：安全是起重設(shè)備設(shè)計(jì)的首要原則。必須確保設(shè)備在規(guī)定的工作條件下，能夠承受各種預(yù)期的載荷，不會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞、機(jī)構(gòu)失效或其他危及人身和設(shè)備安全的事故。應(yīng)設(shè)置完善的安全防護(hù)裝置。2.可靠性原則：設(shè)備應(yīng)具有足夠的可靠性，在使用壽命內(nèi)，其零部件應(yīng)能正常工作，減少故障發(fā)生的概率，降低維護(hù)成本。3.經(jīng)濟(jì)性原則：在滿足安全和使用性能的前提下，應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，合理選用材料和元器件，降低制造成本和運(yùn)行能耗。4.適用性原則：設(shè)備的性能參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式應(yīng)滿足用戶的實(shí)際使用需求，操作方便，維修便捷。5.先進(jìn)性原則：在條件允許的情況下，應(yīng)積極采用新技術(shù)、新工藝、新材料，提升設(shè)備的技術(shù)水平和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。1.2原始數(shù)據(jù)收集與分析原始數(shù)據(jù)是設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，必須全面、準(zhǔn)確地收集和分析。主要包括以下內(nèi)容：1.2.1起重能力參數(shù)*額定起重量：指起重機(jī)允許吊起的重物連同可分吊具或?qū)倬撸ㄈ绲蹉^、抓斗、電磁吸盤等）質(zhì)量的總和，單位為噸(t)。需明確是否包含副鉤（若有）的起重量。*起升高度：指從起重機(jī)運(yùn)行軌道頂面（或地面）到取物裝置上極限位置的垂直距離，單位為米(m)。需明確主、副鉤（若有）的起升高度。*跨度/幅度：*對(duì)于橋式、門式起重機(jī)，跨度指運(yùn)行軌道中心線之間的水平距離，單位為米(m)。*對(duì)于臂架式起重機(jī)，幅度指起重機(jī)回轉(zhuǎn)中心軸線至取物裝置中心線之間的水平距離，單位為米(m)。需明確最大幅度、最小幅度。*工作速度：包括起升速度、運(yùn)行速度（大車、小車）、回轉(zhuǎn)速度（若有）、變幅速度（若有）等，單位為米/分鐘(m/min)或轉(zhuǎn)/分鐘(r/min)。應(yīng)明確各機(jī)構(gòu)的工作速度，必要時(shí)需考慮不同工況下的速度要求。1.2.2工作級(jí)別起重機(jī)的工作級(jí)別是表征其工作繁忙程度和載荷狀態(tài)的重要參數(shù)，是設(shè)計(jì)計(jì)算和選擇零部件的關(guān)鍵依據(jù)。工作級(jí)別通常由起重機(jī)的利用等級(jí)（表征工作時(shí)間的繁忙程度）和載荷狀態(tài)（表征受載的輕重程度）共同確定。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)起重機(jī)的預(yù)期使用情況，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)劃分其工作級(jí)別（如GB/T3811中的規(guī)定）。1.2.3工作環(huán)境條件*環(huán)境溫度：設(shè)備工作場(chǎng)所的最高、最低氣溫及溫度變化范圍。*環(huán)境濕度：工作場(chǎng)所的相對(duì)濕度。*海拔高度：對(duì)于高原地區(qū)，需考慮氣壓對(duì)電機(jī)等電氣設(shè)備性能的影響。*介質(zhì)：是否存在腐蝕性氣體、粉塵、易燃易爆物質(zhì)等。*其他：如是否有強(qiáng)風(fēng)、地震、日照等特殊環(huán)境因素。1.2.4安裝場(chǎng)地與使用條件*安裝場(chǎng)地：廠房結(jié)構(gòu)、車間跨度、高度、地面承載能力、基礎(chǔ)條件、通道尺寸等。*電源條件：供電電源的種類（交流、直流）、電壓等級(jí)、頻率、容量等。*操作方式：手動(dòng)操作、地面操縱、司機(jī)室操縱、遙控操作等。*工作制：連續(xù)工作制、斷續(xù)周期工作制等。1.2.5其他特殊要求用戶提出的其他特殊要求，如防爆、絕緣、防塵、防水、特殊涂裝、與其他設(shè)備的聯(lián)動(dòng)等。二、總體方案設(shè)計(jì)總體方案設(shè)計(jì)是在明確設(shè)計(jì)任務(wù)和原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)起重設(shè)備進(jìn)行的宏觀規(guī)劃和構(gòu)思，是設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其主要任務(wù)是確定起重機(jī)的總體布局、主要結(jié)構(gòu)形式、機(jī)構(gòu)組成及驅(qū)動(dòng)方式等，為后續(xù)的詳細(xì)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。2.1起重機(jī)類型選擇根據(jù)起重能力、工作級(jí)別、作業(yè)環(huán)境、場(chǎng)地條件及工藝流程等因素，合理選擇起重機(jī)的類型。常見的起重設(shè)備類型包括：橋式起重機(jī)、門式起重機(jī)、塔式起重機(jī)、流動(dòng)式起重機(jī)（汽車起重機(jī)、輪胎起重機(jī)、履帶起重機(jī)）、門座起重機(jī)、懸臂起重機(jī)、升降機(jī)等。選擇時(shí)應(yīng)綜合考慮以下因素：*滿足作業(yè)范圍和起升高度的要求。*適應(yīng)場(chǎng)地條件和安裝空間。*與被吊物品的特性和搬運(yùn)工藝相匹配。*工作級(jí)別和使用頻率。*操作的便利性和安全性。*設(shè)備的初期投資和運(yùn)行維護(hù)成本。2.2總體布局設(shè)計(jì)總體布局設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)選定的起重機(jī)類型，合理布置各主要部件的相對(duì)位置，如金屬結(jié)構(gòu)（主梁、端梁、門架、臂架等）、起升機(jī)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（若有）、操縱室、電氣系統(tǒng)等。布局設(shè)計(jì)的基本原則：*受力合理：各部件受力明確，傳力路徑簡(jiǎn)捷，避免產(chǎn)生過大的附加應(yīng)力。*操作方便：保證司機(jī)有良好的視野，操作裝置布置合理，便于操作和觀察。*維護(hù)便捷：預(yù)留足夠的維修空間，便于零部件的安裝、拆卸和維護(hù)保養(yǎng)。*結(jié)構(gòu)緊湊：在滿足使用要求的前提下，力求結(jié)構(gòu)緊湊，減少占地面積和空間占有。*安全可靠：各運(yùn)動(dòng)部件之間、與固定設(shè)施之間應(yīng)保持足夠的安全距離，設(shè)置必要的安全防護(hù)裝置。*造型美觀：在保證功能的前提下，注意結(jié)構(gòu)的造型設(shè)計(jì)，使其協(xié)調(diào)美觀。2.3主要參數(shù)確定在總體布局的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步細(xì)化和確定起重機(jī)的各項(xiàng)主要技術(shù)參數(shù)，包括但不限于：*起重能力（主鉤、副鉤）*跨度/幅度*起升高度（主鉤、副鉤）*各機(jī)構(gòu)工作速度*整機(jī)質(zhì)量（自重估算）*輪壓（對(duì)運(yùn)行軌道或地面的壓力）*最大輪距、最小軸距等。這些參數(shù)的確定需要進(jìn)行必要的估算和初步校核，并與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、場(chǎng)地條件及用戶要求進(jìn)行協(xié)調(diào)。2.4機(jī)構(gòu)配置與驅(qū)動(dòng)方式選擇根據(jù)起重機(jī)的類型和工作要求，確定所需機(jī)構(gòu)的數(shù)量和配置。典型的起重機(jī)機(jī)構(gòu)包括起升機(jī)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)構(gòu)（大車運(yùn)行、小車運(yùn)行）、變幅機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等。驅(qū)動(dòng)方式的選擇應(yīng)考慮機(jī)構(gòu)的工作特性、功率大小、使用環(huán)境、控制要求及維護(hù)條件等因素。常見的驅(qū)動(dòng)方式有：*電力驅(qū)動(dòng)：應(yīng)用最廣泛，具有效率高、控制性能好、污染小等優(yōu)點(diǎn)。常用的電機(jī)有異步電動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)等，配合減速器、制動(dòng)器等組成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。*液壓驅(qū)動(dòng)：具有輸出力大、傳動(dòng)平穩(wěn)、調(diào)速方便、易于實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，常用于流動(dòng)式起重機(jī)、大型變幅機(jī)構(gòu)等。*氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)：適用于小型設(shè)備或有防爆要求的場(chǎng)合，成本較低，維護(hù)簡(jiǎn)單，但輸出功率較小。2.5總體方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)估對(duì)初步形成的總體方案，應(yīng)從技術(shù)可行性、安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、先進(jìn)性及環(huán)保性等方面進(jìn)行綜合評(píng)估。必要時(shí)，可提出多個(gè)備選方案進(jìn)行比較，通過定性和定量分析，選擇最優(yōu)方案。評(píng)估內(nèi)容包括：*結(jié)構(gòu)的合理性和工藝性。*機(jī)構(gòu)選型的先進(jìn)性和成熟度。*材料和元器件的選用是否經(jīng)濟(jì)合理。*制造成本和運(yùn)行維護(hù)成本的估算。*安裝、運(yùn)輸?shù)谋憷浴?能耗和對(duì)環(huán)境的影響。三、零部件設(shè)計(jì)計(jì)算零部件是起重設(shè)備的基本組成單元，其質(zhì)量直接影響整機(jī)的性能和安全。零部件設(shè)計(jì)計(jì)算是根據(jù)總體方案確定的參數(shù)和工作級(jí)別，對(duì)各主要零部件進(jìn)行的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等方面的分析和計(jì)算，以確保其滿足使用要求。3.1金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)金屬結(jié)構(gòu)是起重設(shè)備的骨架，承受和傳遞各種載荷，如自重、起升載荷、慣性載荷、風(fēng)載荷等。其設(shè)計(jì)應(yīng)滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及疲勞強(qiáng)度的要求。3.1.1結(jié)構(gòu)形式選擇根據(jù)總體布局和受力特點(diǎn)，選擇合適的結(jié)構(gòu)形式。常見的金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)件有梁、柱、臂架、桁架、板結(jié)構(gòu)等。結(jié)構(gòu)形式應(yīng)盡可能使材料受力均勻，充分發(fā)揮材料的力學(xué)性能，同時(shí)兼顧制造、安裝和運(yùn)輸?shù)谋憷?。例如，橋式起重機(jī)的主梁常采用箱形結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)或蜂窩梁結(jié)構(gòu)；門式起重機(jī)的門架有桁架式、箱形結(jié)構(gòu)等。3.1.2材料選擇金屬結(jié)構(gòu)材料的選擇應(yīng)考慮強(qiáng)度、韌性、焊接性能、耐腐蝕性、經(jīng)濟(jì)性及供貨情況等因素。常用的結(jié)構(gòu)材料有Q235系列、Q345系列（如Q345B、Q345C等）低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。對(duì)于承受動(dòng)載荷或低溫環(huán)境下工作的結(jié)構(gòu)，應(yīng)選用具有良好沖擊韌性的鋼材。重要結(jié)構(gòu)件的材料需符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并應(yīng)有質(zhì)量證明書。3.1.3載荷計(jì)算與組合金屬結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，需考慮的載荷主要包括：*永久載荷（自重載荷）：結(jié)構(gòu)本身的自重，包括所有固定在結(jié)構(gòu)上的零部件質(zhì)量。*可變載荷：*額定起升載荷（包括吊具質(zhì)量）。*起重小車（或吊鉤組）的自重及移動(dòng)載荷。*慣性載荷（由啟動(dòng)、制動(dòng)、運(yùn)行或回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的加速度引起）。*風(fēng)載荷（根據(jù)工作環(huán)境和結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面積計(jì)算）。*雪載荷、冰載荷（在寒冷地區(qū)考慮）。*溫度載荷（在溫度變化劇烈時(shí)考慮）。*偶然載荷：如碰撞載荷、試驗(yàn)載荷等。載荷組合應(yīng)根據(jù)起重機(jī)的不同工況（如正常工作、安裝拆卸、非工作狀態(tài)、試驗(yàn)狀態(tài)等），按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行。不同的載荷組合對(duì)應(yīng)不同的安全系數(shù)。3.1.4強(qiáng)度、剛度與穩(wěn)定性計(jì)算*強(qiáng)度計(jì)算：確保結(jié)構(gòu)在各種載荷組合下，危險(xiǎn)截面的應(yīng)力不超過材料的許用應(yīng)力。強(qiáng)度計(jì)算可采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法或許用應(yīng)力設(shè)計(jì)法，具體按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。對(duì)于承受動(dòng)載荷的結(jié)構(gòu)，還需進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核。*剛度計(jì)算：結(jié)構(gòu)的變形應(yīng)限制在允許范圍內(nèi)，以保證起重機(jī)的正常工作性能和安全性。通常規(guī)定了最大撓度限值，如主梁的跨中撓度、懸臂端撓度等。*穩(wěn)定性計(jì)算：對(duì)于受壓構(gòu)件、受彎構(gòu)件及壓彎構(gòu)件，需進(jìn)行穩(wěn)定性校核，防止發(fā)生屈曲失穩(wěn)破壞。穩(wěn)定性計(jì)算包括整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性。3.1.5連接設(shè)計(jì)金屬結(jié)構(gòu)的連接方式主要有焊接連接、螺栓連接（普通螺栓、高強(qiáng)度螺栓）、鉚釘連接等。*焊接連接：應(yīng)用廣泛，連接強(qiáng)度高，工藝性好。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇合適的焊接方法和坡口形式，確保焊接質(zhì)量，并對(duì)焊接接頭進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。重要焊縫應(yīng)進(jìn)行無損檢測(cè)。*螺栓連接：拆裝方便，適用于需要拆卸或調(diào)整的部位。高強(qiáng)度螺栓連接依靠預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦力傳遞載荷，設(shè)計(jì)時(shí)需計(jì)算螺栓的預(yù)緊力和強(qiáng)度。3.2主要機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)3.2.1起升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)起升機(jī)構(gòu)是起重設(shè)備最核心的機(jī)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)重物的垂直升降。主要由驅(qū)動(dòng)裝置（電機(jī)、液壓馬達(dá)等）、減速器、卷筒、鋼絲繩（或鏈條）、滑輪組、吊鉤（或其他取物裝置）及制動(dòng)器等組成。*卷筒設(shè)計(jì)：卷筒用于纏繞鋼絲繩，傳遞動(dòng)力。需計(jì)算卷筒的直徑（與鋼絲繩直徑匹配，滿足彎曲疲勞要求）、長(zhǎng)度、壁厚（強(qiáng)度計(jì)算），并確定卷筒的支承方式。*鋼絲繩選擇與計(jì)算：根據(jù)額定起重量、滑輪組倍率、工作級(jí)別等選擇鋼絲繩的型號(hào)和直徑，并進(jìn)行強(qiáng)度校核?？紤]鋼絲繩的安全系數(shù)、破斷拉力、磨損、腐蝕等因素。*滑輪與滑輪組設(shè)計(jì)：滑輪用于改變鋼絲繩的走向和省力。需確定滑輪的直徑（與鋼絲繩直徑匹配）、材料、輪轂軸承等?；喗M的倍率根據(jù)起升速度和起升力要求確定。*吊鉤組設(shè)計(jì)：吊鉤是直接懸掛重物的部件，其強(qiáng)度和可靠性至關(guān)重要。吊鉤的材料應(yīng)具有高韌性和良好的鍛造性能。需對(duì)吊鉤的危險(xiǎn)截面（如鉤頸、鉤口等）進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，并規(guī)定定期檢驗(yàn)要求。*制動(dòng)器選擇與計(jì)算：制動(dòng)器是保證起升機(jī)構(gòu)安全可靠工作的關(guān)鍵部件，用于實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確停車和防止重物墜落。應(yīng)根據(jù)機(jī)構(gòu)的工作級(jí)別、制動(dòng)扭矩、使用環(huán)境等選擇合適的制動(dòng)器類型（如塊式制動(dòng)器、盤式制動(dòng)器等），并進(jìn)行制動(dòng)力矩計(jì)算和發(fā)熱校核。3.2.2運(yùn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)運(yùn)行機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)起重機(jī)或起重小車的水平移動(dòng)。主要由驅(qū)動(dòng)裝置、減速器、車輪組、制動(dòng)器及運(yùn)行軌道等組成。*車輪與軌道選擇：根據(jù)輪壓大小、運(yùn)行速度、工作級(jí)別選擇車輪的材料、直徑、輪緣形式及軌道型號(hào)。車輪踏面與軌道的接觸應(yīng)力需進(jìn)行校核。*驅(qū)動(dòng)方式：分為集中驅(qū)動(dòng)和分別驅(qū)動(dòng)。分別驅(qū)動(dòng)具有受力均勻、運(yùn)行平穩(wěn)、便于布置等優(yōu)點(diǎn)，在大中型起重機(jī)上應(yīng)用廣泛。*牽引力計(jì)算：運(yùn)行機(jī)構(gòu)的牽引力需克服摩擦阻力、坡道阻力、風(fēng)阻力及慣性阻力等。根據(jù)總阻力和傳動(dòng)效率確定驅(qū)動(dòng)功率。*制動(dòng)與防風(fēng)：運(yùn)行機(jī)構(gòu)應(yīng)設(shè)置可靠的制動(dòng)器，防止起重機(jī)在坡道上滑行或在風(fēng)力作用下移動(dòng)。對(duì)于室外工作的起重機(jī)，還需設(shè)置防風(fēng)夾軌器、錨定裝置等防風(fēng)防滑裝置。3.2.3變幅機(jī)構(gòu)與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)（適用于臂架式起重機(jī)）*變幅機(jī)構(gòu)：用于改變吊具的幅度，擴(kuò)大作業(yè)范圍。有動(dòng)臂變幅和小車變幅等形式。動(dòng)臂變幅機(jī)構(gòu)通常由液壓油缸或鋼絲繩滑輪組驅(qū)動(dòng)。設(shè)計(jì)時(shí)需計(jì)算變幅力、變幅過程中的穩(wěn)定性及臂架的強(qiáng)度剛度。*回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)：用于實(shí)現(xiàn)吊臂或回轉(zhuǎn)平臺(tái)的水平轉(zhuǎn)動(dòng)。主要由驅(qū)動(dòng)