桥式起重机

1绪论

1.1选题的提出和意义

由于工业生产规模不断扩大，生产效率日益提高，以及产品生产过程中物料装卸搬运费所占比例逐渐增加，促使大型或高速起重机的需求量不断增长，起重量越来越大，工作速度越来越高，并对能耗和可靠性提出更高的要求。起重机已成为自动化生产流程中的重要环节。起重机不但要容易操作，容易维护，而且安全性要好，可靠性要高，要求具有优异的耐久性、无故障性、维修性和使用经济性，起重机的出现大大提高了人们的劳动效率，以前需要许多人花长时间才能搬动的大型物件现在用起重机就能轻易达到效果，尤其是在小范围的搬动过程中起重机的作用是相当明显的。在工厂的厂房搬运大型零件或重型装置桥式起重机是不可或缺的。

随着生产规模的扩大，自动化程度的提高，作为物料搬运重要设备的起重机在现代化生产过程中应用越来越广，作用越来越大，对起重机的要求也越来越高，科学技术的飞速发展，推动了现代化设计和制造能力的提高，激烈地国际市场竞争也越来越依赖于技术的竞争。都促使起重机的技术性能进入崭新的发展阶段起重机正经历着一场巨大的变革。

传统的桥式起重机主要是有交流凸轮控制器进行控制，采用绕线式电动转子串电阻调速，交流控制器由于频繁地动作和高压的影响容易腐蚀、老化。频繁地生产事故势必会影响生产。随着工业自动化得发展PLC的应用越来越广泛。由于PLC的工作可靠性高，因此用PLC来代替传统的交流控制器已成为一种必然趋势

1.2桥式起重机的发展趋势

1.2.1国外起重机的发展状况

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1.重点产品大型化，高速化和专用化由于工业生产规模不断扩大，生产效率日益提高，以及产品生产过程中物料装卸搬运费用所占比列逐渐提高，促使大型或高速起重机的需求量不断增长，起重量越大，工作速度越来越高，并对能耗和可靠性提出更高的要求。起重机已成为自动化生产过程中的重要环节。起重机不但要容易操作，容易维修，而且安全性要好，可靠性要高，要求具有优异的耐久性，无故障性。维修性和实用经济性。目前世界上最大的履带起重机起重量3000t,最大的桥式起重机起升一1200t集装箱装卸小车的最大运行速度已达350m/min，堆垛起重机最大的运行速度240m/min，垃圾处理应用起重机的起升速度达100m/min。工业生产方式和用户需求的多样性，是专用起重机的市场不断扩大，兵种也不断更新，以特有的功能满足特殊的需求，发挥出最佳的效用。例入冶金、核电、造纸、垃圾处理专用起重机，防爆、防腐、绝缘起重机和铁路、船舶、集装箱专用起重机的功能不断增加，性能不断提高，适应性比以往更强。德国德马格公司研制出一种飞机维修保养的专用起重机，在国际市场打开了销路。这种起重机安装在房屋结构上，跨度大、起升高度大、可过跨、停车精度高。在起重小车下面安装有多节伸缩导管，与飞机维修平台相连，并可作 3600 旋转。通过大车和小车的位移、导管的升降与旋转可使维修平台到达飞机的任一部位，进行飞机的维护和修理极为快捷方便。

2.系列产品模块化、组合化和标准化 用模块化设计代替传统的整机设计方法，将起重机上功能基本相同的构件、部件和零件制成有多种用途，有相同联接要素和可互换的标准模块，通过不同模块的相互组合，形成不同类型和规格的起重机。对起重机进行改进，只需针对某几个模块。设计新型起重机，只需选用不同模块重新进行组合。可使单件小批量生产的起重机改换成具有相当批量的模块生产，实现高效率的专业化生产，企业的生产组织也可由产品管理变为模块管理。达到改善整机性能，降低制造成本，提高通用化程度，用较少规格数的零部件组成多品种、多规格的系列产品，充分满足用户需求。目前，德国、英国、法国、美国和日本的著名起重机公司都已采用起重机模块化设计，并取得了显著的效益。德国德马格公司的标准起重机系列改用模块化设计后，比单件设计的设计费用下降 12％，生产成本下降 45％，经济效益十分可观。德国德马格公司还开发了一种 KBK 柔性组合式悬挂起重机，起重机的钢结构由冷轧型轨组合而成，起重

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机运行线路可沿生产工艺流程任意布置，可有叉道、转弯、过跨、变轨距。所有部件都可实现大扎遏生产，再根据用户的不同需求和具体物料搬运路线在短时间内将各种部件组合搭配即成。这种起重机组合性非常好，操作方便，能充分利用空间，运行成本低。有手动、自动多种形式，还能组成悬挂系统、单梁悬挂起重机、双梁悬挂起重机、悬臂起重机、轻型门式起重机及手动堆垛起重机，甚至能组成大型自动化物料搬运系统。

3.通用产品小型化、轻型化和多样化有相当批量的起重机是在通用的场合使用，工作并不很繁重。这类起重机批量大、用途广，考虑综合效益，要求起重机尽量降低外形高度，简化结构，减小自重和轮压，也可命名整个建筑物高度下降，建筑结构轻型化，降低造价。因此电动葫芦桥式起重机和梁式起重机会有更快的发展，并将大部分取代中小吨位的一般用途桥式起重机。德国德马格公司经过几十年的开发和创新，已形成了一个轻型组合式的标准起重机系列。起重量 180 吨，工作级别 A1A7，整个系列由工字形和箱型单梁、悬挂箱形单梁、角形小车箱形单梁和箱形双梁等多个品种组成。主梁与端梁相接以及起重小车的布置有多种型式，可适合不同建筑物及不同起吊高度的要求。根据用户需要每种规格起重机都有三种单速及三种双速供任意选择，还可以选用变频调速。操纵方式有地面手电门自行移动、手电门随小车移动、手电门固定、无线遥控、司机室固定、司机室随小车移动、司机室自行移动等七种选择。大车及小车的供电有电缆小车导电、DVS 系统两种方式。如此多的选择项，通过不同的组合，可搭配成百上千种起重机，充分满足用户不同的需求。这种起重机的另一最大优点是轻型化，自重轻、轮压轻、外形尺寸高度小，可大大降低厂房建筑物的建造成本，同时也可减小起重机的运行功率和运行成本。与通用产品相比较，起重量 10t，跨度 22.5m，通用双梁桥式起重机自重 24t，起重机轨面以上高度 1876mm，起重机宽度 5980mm；德马格起重机的自重只有 8.7t，重量轻了 176％，起重机轨面以上高度 920mm，降低了 104％，起重机宽度2980mm，外形尺寸减少了 100。

4、产品性能自动化、智能化和数字化起重机的更新和发展，在很大程度上取决于电气传动与控制的改进。将机械技术和电子技术相结合，将先进的计算机技术、微电子技术、电力电子技

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术、光缆技术、液压技术、模糊控制技术应用到机械的驱动和控制系统，实现起重机的自动化和智能化。大型高效起重机新一代电气控制装置已发展为全电子数字化控制系统。主要由全数字化控制驱动装置、可编程序控制器、故障诊断及数据管理系统、数字化操纵给定检测等设备组成。变压变频调速、射频数据通讯、故障自诊监控、吊具防摇的模糊控制、激光查找起吊物重心、近场感应防碰撞技术、现场总线、载波通讯及控制、无接触供电及三维条形码技术等将广泛得到应用。使起重机具有更高的柔性，以适合多批次少批量的柔性生产模式，提高单机综合自动化水平。重点开发以微处理机为核心的高性能电气传动装置，使起重机具有优良的调速和静动特性，可进行操作的自动控制、自动显示与记录，起重机运行的自动保护与自动检测，特殊场合的远距离遥控等，以适应自动化生产的需要。例如德国采用激光装置查找起吊物的重心位置，在取物装置上装有超声波传感器引导取物装置自动抓取货物。吊具自动防摇系统能在运行速度 200m/min加速度 0.5m/s2 情况下很快使起吊物摇摆振幅减至几个毫米。起重机可通过磁场变换器或激光达到高精度定位。起重机上安装近场感应系统，可避免起重机之间的互相碰撞。起重机上还安装了微机自诊断监控系统，该系统能提供大部分常规维护检查内容，如齿轮箱油温、油位，车轮轴承温度，起重机的载荷、应力和振动情况，制动器摩擦衬片的寿命及温度状况等。

5、产品组合成套化、集成化和柔性化 在起重机单机自动化的基础上，通过计算机把各种起重运输机械组成一个物料搬运集成系统，通过中央控制室的控制，与生产设备有机结合，与生产系统协调配合。这类起重机自动化程度高，具有信息处理功能，可将传感器检测出来的各种信息实施存储、运算、逻辑判断、变换等处理加工，进而向执行机构发出控制指令。这类起重机还具有较好的信息输入输出接口，实现信息全部、准确、可靠地在整个物料搬运集成系统中的传输。起重机通过系统集成，能形成不同机种的最佳匹配和组合，取长补短，发挥最佳效用。目前重点发展的有工厂生产搬运自动化系统，柔性加工制造系统，商业货物配送集散系统，集装箱装卸搬运系统，交通运输和邮电部门行包货物的自动分拣与搬运系统等。 例如生产工程机械的美国卡特皮勒公司金属结构厂购置了一条以桥式起重机为主的物料自动搬运系统，用于钢板的喷丸处理、切割和入库的自动装卸搬运作业，比原先采用单机操作工作效率提高 65％。日本东芝浜川崎工

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厂用全自动桥式起重机组成的物料输送系统来搬运柔性加工线上的夹具和工件，为机床运送毛坯或将加工好的零件送到下一工序或仓库。这些在空间移动的起重机搬运系统代替了过去通常使用的自动导向搬运车，使车间地面面积得到充分利用。

6 产品构造新型化、美观化和实用化结构方面采用薄壁型材和异形钢、减少结构的拼接焊缝，提高抗疲劳性能。采用各种启强度低合金钢新材料，提高承载能力，改善受力条件，减轻自重和增加外形美观。桥式起重机的桥架结构型式大多采用箱形四梁结构，主梁与端梁采用高强度螺栓联接，便于运输与安装。在机构方面进一步开发新型传动零部件，简化机构。“三合一”运行机构是当今世界轻、中级起重机运行机构的主流，将电动机、减速器和制动器合为一体，具有结构紧凑、轻巧美观、拆装方便、调整简单、运行平稳、配套范围大等优点，国外已广泛应用到各种起重机运行机构上。为使中小吨位的起重小车结构尽量简化，同时降低起童机的尺寸高度，减少轮压，国外已大量采用电动葫芦作为起升机构。为了减轻自重，提高承载能力，改善加工制造条件，增加产品成品率，零部件尽量采用以焊代铸，如减速器壳体、卷简、滑轮等都用焊接结构。减速器齿轮都采用齿面，以减轻自重、减小体积、提高承载能力、增加使用寿命。液压推杆盘式制动器的应用范围也越来越大。此外，各机构采用的电动机都向高转速发展，从而减小电机基座号，减轻重量与减小外形尺寸，并可配用制动力矩小的制动器。 在电控方面开发性能好、成本低、可靠性高的调速系统和电控系统，发展半自动和全自动操纵。采用机电仪液一体化技术，提高使用性能和可靠性，增加起重机的功能。今后会更加注重起重机的安全性。研制新型安全保护装置。重视司机的工作条件上，应用人体工程学设计司机室，降低司机的劳动强度。德国近年为解决起重机吊钩的防摆控制，开发了模糊逻辑电路的控制技术，用神经信息和模糊技术来寻找开始加速的最佳时刻，将有经验司机防摆实际操作的数据输入系统，实现最优控制。模糊控制方式能确定实施自动工作的控制指令，将人们主观上的模糊量通过模糊集合进行数字化定量，再利用计算机实现像熟练司机一样的自如操作，取得了更高的效率和安全性。模糊控制作为新的控制方法已引人注目。

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1.2.2 国内起重机情况

我国工业化进程的推进将不断催生重机行业需求；持续扩大的固定资产投资规模将拉动行业稳定增长；行业竞争力的提升打开了产品进口替代与出口增长的空间；国家政策的一贯扶持是行业良性发展的重要保障。在中国将起重机械总体划分为 12 大类型，即轻小型起重设备、旋臂式起重机、塔式起重机、门式起重机、桥式起重机、流动式起重机、铁路起重机、门座起重机、桅杆起重机、缆索起重机、升降机和机械式停车设备。桥式起重机是桥式起重机的一种变形。在港口，主要用于室外的货场、料场货、散货的装卸作业。它的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。桥式起重机具有场地利用率高、作业范围大、适应面广、通用性强等特点，在港口货场得到广泛使用。经过几十年的发展，我国桥式起重机行业已经形成了一定的规模，市场竞争也越发激烈。面对竞争与市场的变化和挑战，近一两年来，起重机厂家在扩大产能方面投入很大，有的企业已经收到了显著的效果，市场占有率进一步提高。我国桥式起重机产品的技术水平在不断提高，但是与国际水平还有一定距离，扩大生产规模，提高产量的同时，做到技术水平的提升，将会为增强我国桥式起重机行业的竞争力，由太重研制成功的最新科技成果———我国第一台无线并车吊运百米钢轨新型桥式起重机，日前在山西省科技厅举办的科技成果鉴定会上通过了专家鉴定。 该项目由太重技术中心起重机研究所开发设计，经过攀枝花新钢钒股份有限公司轨梁厂现场一年多的使用，并经山西省机械产品质量监督检总站依据国家及行业标准的现场检测，各项技术性能指标均达到设计任务书的要求，完全满足了百米钢轨高效批量吊装作业的需求。专家一致认为，该产品与国外同类产品相比，不仅具有控制技术先进、自动化程度高、运行稳定、安全可靠等优点，而且生产效率可提高近一倍。经专家评审，百米钢轨新型桥式起重机整技术及生产效率已达到国际领先水平。

我国起重机工业有很大的发展潜力，前景很好，但同时我国起重机行业目前存在的几个突出问题：

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1、整体技术含量偏低，突出表现在产品的品种规格少，性能、可靠性等指标低于发达国家同类产品的水平。

2、知名品牌寥寥无几，能打入国际市场并享有一定声誉的知名品牌几乎没有。

3、产品低价恶性竞争严重，企业合理利润难保，已严重制约企业生产技术的持续发展。

对桥式起重机，特别是大功率的桥式起重机的需要量日益增加。随着现代科技的发展，各种技术、新材料、新结构、新工艺在桥式起重机上得到广泛的应用，所有这些因素都有地理促进了工程起重机的发展。

根据国内外现有桥式起重机产品和技术资料的分析，近年来桥式起重机的发展趋势主要体现在以下几个方面：

1）通用型起重机以中小型为主，专用起重机向大型大功率发展

为了提高建设工程的装卸和安装作业的机械化程度，工程起重机的发展，依然是以轻便灵活的中小型起重机为主。

2）重视“三化”，逐步过渡采用国际标准

三化是指：标准化、系统化、通用化

3）发展一机多用产品

为了充分发挥工程起重机的作用，扩大使用范围，有的国家在设计起重机是重视了产品的多

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样化

4）采用新技术、新材料、新结构、新工艺

为了减轻起重机的自重，提高起重机的性能，保证起重机可靠地工作，现在都多采用新技术、新材料、新结构和新工艺。

2起重机控制系统方案选择

可编程控制器简称PLC是以微处理为基础，综合了计算计技术、自控技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。它具有结构简单、编程简单、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。据统计，可编程控制的工业自动装置中应用最多的一种设备。专家认为，可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一

PLC是在继电器控制逻辑基础之上，与3C技术现结合，不断发展完善的。目前已从小规模单机顺序控制，发展到包括过程控制、位置控制等场合的所有控制领域。

自动化系统中所使用的各种类型PLC，有的是集中安装在控制室，有的是分散安装在生产现场的各单机设备上，虽然它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中，但PLC是专门为工业生产环境而设计的控制装置，在设计和制造过程中采用了多层次干扰和精选元件措施，故具有较强的适应恶劣工业环境的能力、运行稳定和较高的可靠性，因此一般不需要采取什么特殊措施就可以直接在工业环境使用。

可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采用了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。

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3电机容量选择

3.1电机容量的选择

3.1.1主提升机电机容量的选择

1）已知起重量工作级别A5 主提升机运行速度V=20m/min

根据电动机样本，选用YZR-250M1当S3，JC-35%时，电动机允许输出功率为35KW。在基准工作制S3，JC=40%时

2）电动机的过载校验

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3.1.2大车行走机构电机容量的选择

运行静阻力，大车运行部分总质量

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电动机发热校验。根据《起重机设计规范》附录U 和W推荐，选大车运行机构的接电持续率JC=25%,CZ=600，稳定负载平均系数G=0.9

查的，YZR160M1电动机，当JC=25%,CZ=600时，其允许输出功率P=6.3kw>P，电动机发热校验通过

3.1.3小车行走机构电机容量选择

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根据电动机样本，选用YZR112M电动机，当上，JC=25%时，电机允许功率为2KW。基准工作制S3，JC=40%,

5）电动机发热校验

根据《起重机设计规范》附录U和W推荐，选小车运行机构的接电持续率JC=25%,CZ=300.稳态负载平均系数G=0.8

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查的，YZR112M电动机，当JC=25%,CZ=300时，其允许输出功率P=1.5KW>P，电动机发热校验通过

4主提升机机构控制系统

4.1控制系统的组成

主提升机控制系统包括接触器控制开关，三相异步电机，晶闸管开关，以及PLC控制系统等

4.2主提升机结构控制电路图

4.3主提升机的工作原理

通过PLC的控制接触器接触开关KM1和KM2来实现对电机的正传，反转的控制，在电机调速方面采用串电阻的调速方法，应用晶闸管开关进行逐级的电阻切除已实现对电机的调速，最终达到对重物的上升速度和下降速度的控制

当相续错误、主提升故障、主提升闸故障、风机故障或停电时，电机停止运行，为防止拖动负载快速下降出现危险，主提升闸抱闸。

串电阻调速原理一般是用在线绕式异步电动机，在线绕式电动机转子电路中通过滑环串接一只可变电阻器，增加转子电阻式转子电流减小，电动机的转矩也随之下降，同时也产生反转距，当反转距等于转矩时，电动机电机便以某转数稳定运行。当电转矩大于转矩时电动机则加速。当

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转矩小于反转距时电机则减速，既转差率增大，转数下降，转矩又增大直到反转距平衡为止，此时的电机便以较前为低的转数运行

4.4系统保护

桥式起重机的动力源是起重机，通过控制电动机的正反转，以及速度来控制桥式起重机，所以对于起重机的电动机要进行保护

在许多需要连续运行的重要的生产单位，如发电厂煤的运输，钢铁厂和水呢厂散装的物料运输，以及港口内船舶装卸等均采用输送机，输送机的动力传输装置是电动机。电动机在高温、高湿、多尘的工作环境下，易使电动机出现电路，短相等故障。一旦输送的动力传输装置低昂冬季故障，拆除更换和维修电动机需要很长的时间，这必将造成其所产生的停工，它甚至会影响整个大的生产系统的工艺流程。目前使用的电动机保护装置中，电动机保护器集过载保护、缺相、欠压、堵转、漏电、接地及三相不平衡保护等低压保护于一身，具有精度高、节电、动作灵敏、工作可靠性高等优点，并且可以远程控制，十分适合对电动机的保护，电动机保护器在桥式起重机上通过保护电机来实现对起重机的保护缺相和相不平衡保护

总结

本次设计的桥式起重机控制系统主要采用了可编程控制器的控制调节下，研究桥式起重机的主提升，福提升控制系统。设计主要包括介绍桥式起重机的现状和国内外的发展，以及分析它的工作原理和重要部件的电气控制过程。

本设计主要解决以下几个问题：

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1. 桥式起重机的主要结构的控制电路和控制原理

2. 各机构的点击选择

3. 运用串电阻调速的原理和调速过程

致谢

至此设计完成之际，首先衷心的感谢我的设计老师段友莲老师，此次设计是在段老师的细心指导下完成的，在课题的研究过程中段老师提出了许多宝贵的直到意见。

在这次设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。

我的心得也就这么多了，总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。最后终于做完了有种如释重负的感觉。此外，还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。

在此要感谢我的指导老师对我悉心的指导，感谢老师给我的帮助。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。

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参考文献

[1] 王兆安.电力电子技术.机械工业出版社.2009

[2] 李传琦.电力电子技术计算机仿真实验.电子工业出版社.2005

[3] 洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真.机械工业出版社.2006

[4] 钟炎平.电力电子电路设计.华中科技大学出版社.2010

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