本设计主要是为了吊机在很小的情况下能得到最大价值的利用。立柱式悬臂起重机由立柱、旋转臂、悬臂驱动装置和电动葫芦组成。利用柱脚锚栓固定在混凝土基础上，由一个悬臂旋转，电动葫芦、电机减速机、驱动装置在悬臂工字钢。内容包括选型与结构设计、受力分析、内外力设计、强的校核等。
关键词:自立式 悬臂 起重机
This design is mainly for the crane in a small case can get the maximum value of the use of. The column type cantilever crane is composed of an upright post, a rotary arm, a cantilever driving device and an electric hoist. The utility model is composed of a cantilever beam, an electric hoist, a reducer and a motor driving device of a cantilever beam. Including selection and structural design, force analysis, internal force and internal force design, strong check, etc.
Key words:Slewing cantilever crane
根据公司改线需要，在生产过程中需要设计新的起重机，用于起重生产过程中的部件装配，加快生产，优化流水线；更好的促进公司规模和效益的增长。总装配车间高6米，吊装产品重量3-5吨，现按最大起重量设计。
本次设计工作人员进行现场测绘、计算、讨论；经讨论选用悬臂吊起重机，悬臂吊起重机体积小、操作方便、可加装无线控制；起重部分选用标准的CD型电动葫芦，CD电动葫芦减速器采用硬齿面传动设计，寿命长，机械效率高。
悬臂起重机是近年发展起来的中小型吊运设备，安全可靠，具有高效、节能、省时、省力、灵活的特点。三维空间内随意操作，在短距，密集性吊运场合比其他常规性吊运设备更显其优越性，广泛应用于各行业的不同场合。
根据需要悬臂吊起重重量5吨，高5米，臂长4米，小车运行速度20米/分钟，起降速度8米/分钟，本次设计电器设备不考虑，选用材料Q235。
工字梁许用应力：
工字梁材料，参考《工程力学》[1]公式（7-11）：
式中：—屈服极限；
—安全系数，一般取值1.5～2.5
因为起升有冲击载荷，所以选择2.5。
参考《工程力学》[1]表7-2，的屈服强度。
所以：=
图2-1 最外端受力图
1）支反力：由梁的整体静力方程，其支反力为：
2）在梁左端A坐标为原点，梁为，则弯矩方程为：
3）根据计算得出如下弯矩图：
图2-2 弯矩图
则最大弯矩：
图 2-3受力图
求支反力:通过梁的整体静态方程，求其支反力：
弯矩方程:以梁的左端为A，梁轴为轴，则弯矩方程为：
绘制弯矩图：根据方程画出弯矩图。
图 2-4
则最大弯矩为：
因为
所以最大内应力为
由梁的强度条件得：
查《工程力学》[1]附表Ⅱ-3，选用工字钢，其。
本次选用工字钢。
在设计中，通常由梁的截面尺寸的选择强度，然后根据梁的刚度进行检查，检查主要是为了控制梁的变形，梁的刚度，梁的挠度是在最大或最大角度范围界定。
由《工程力学》[1]查得公式：
式中：允许挠度，起重机的大梁：
（公式1）
式中：；；弹性模量；截面惯性矩
当工字梁在最外面时，受力最大，受集中力，受力跨度。根据工作性质规定：
56a工字钢E=200GPa；
I=65585.6×，代入公式1：
故此梁满足刚度要求。
轴类材料主要采用碳钢和合金钢。采用多轴坯圆轧锻造或直接采用圆钢。除了轴材料的选择满足的要求外，而且还考虑技术和经济材料。常用的优质碳素钢轴的材料，如35,45,50钢，其中以45最为常用的钢。考虑到比较高的设计要求，所以考虑的选择。
1）轴肩定位是最方便可靠的方法，但轴肩的使用必然会增加轴的直径。
轴端挡板可用螺钉来固定，以防止由旋转螺钉松动引起的挡板松动，可采用双螺杆和锁紧垫片的放松固定方法。
2）轴上零件的周向固定
周向定位的目的是限制零件在轴上的相对转动。常用的周向定位部件有键、花键、销、锁紧螺钉等。
3）各段轴直径和长度的确定
根据需要的力矩和轴径的初步估计，确定轴段的直径。初始直径作为轴端轴承最小直径的弯矩，根据装配要求和装配方案的定位，从最小直径确定轴的直径。
1）同一轴上直径相近处的不同轴端上的键槽采用同一规格的键槽截面尺寸，并布置在轴的同一母线长。
2）为了便于轴上零件的装配，在轴端加工出斜角。
3) 为了减少刀具类型和提高劳动生产率，在同样大小的类似倒角轴直径应尽可能使用同样规格。
工字梁：
电动葫芦：CD5T-6M（3.2详细介绍）
提升重物拉力：F=5T
图2-5主轴低部分受支撑力图
如图所示轴的受力：
1）
图2-6梁受力图
2）绘制弯矩图
图2-7弯矩图
所以：
由《工程力学》[1]公式：
式中：—屈服极限，铸铁HT200，；
—安全系数，取3
则：
所以：
选D=160mm
参考《工程力学》[1]公式：
式中：
；
；
；
I—轴截面惯性矩
，力的跨度。根据工作的性质：
。钢轴，
式中：—许可挠度，起重机大梁轴：0.001～0.002L。（L轴长度）
，代入公式：
故不合格
取D=212mm
所以满足刚度要求。
主轴最小轴承内径为。
主轴下端安装滑动轴承，根据d=212mm查《机械设计基础课程设计》[3]表14-3选用6442，其尺寸为d×D×B=215×300×100，所以取。
图2-8 轴承示意图
轴2段作轴肩使用取
轴3段是安装悬臂梁，因为轴上需要开键槽所以参考《机械设计基础》[5]：
所以取。
假设当只有一个螺栓承受拉力时：由上面2.2.5计算可知。
式中：；；。
在工作载荷不发生变化时，选,当工作载荷发生变化时，选，所以选
所以：
参照《工程力学》[1]公式：
式中：—螺栓的总拉伸载荷N；— 螺栓小径， M22螺栓；
—螺栓许用应力。
由于起重机的冲击载荷比较大，为了保证悬臂起重机的安全，螺栓的选择8级强度，不需要严格的预紧力。
参照《机械设计》[4]表10-5
故不满足要求
若选M27螺栓
所以M27螺栓满足要求。
确定螺栓的分布直径，查《机械设计》[4]
e=d+（3～6）mm，取e=27+5=32mm
式中：e—螺栓到边缘尺寸
所以e=27+4=31mm，所以
满足设计要求。
地角螺栓安装在混凝土中，立柱以螺栓固定在地脚螺栓上。
图2-9 整体示意图
螺栓受轴向力作用在螺栓上，从而使螺栓的总拉伸载荷：
式中：
当工作载荷有变化时，可取，所以取
所以：
参照《工程力学》[1]公式：
式中：
—螺栓许用应力。
选择强度为8.8的螺栓，预紧力不严格。
参照《机械设计》[4]表5-8
表5-10 螺栓安全系数S=3
满足要求。
确定螺栓的分布直径，
参照《机械设计基础》[5]公式（13-2）计算得D=946mm，经验算取。
所以：.
所以，电动葫芦及吊具重量为：473Kg，起重重量为5T，所以悬臂总重约为6T。
根据《机械设计》[4]查得公式：
式中：；
；
减速机效率：=0.95
开式齿轮：
选用Y90S-6，额定，额定电流：，速度，扭矩：2N·m；重量：21kg。
悬臂旋转速度的设计：V=2.04m/min。
传动比分配：
总传动比：
检查减速器的标准，根据齿轮比的经验是最好的。根据经验减速机中心距必须大于mm。
由于齿轮减速器具有一个固定值，验算选择的减速器的最大传动比。经验算选用
1）选择直齿圆柱齿轮传动：
2）根据悬臂起重机的工作环境，选择8级精度;
3)大齿轮选择铸钢，淬火和回火处理，小齿轮用40Cr，调质处理。
4)开式齿轮传动，由于齿数主要为磨损失效，齿轮的齿数太小，不适合使用过多的齿，取，则大齿轮的齿数。
m：齿轮是抗弯能力的重要标志，初选m=6。
不合格
选,则
则mm，
满足设计要求。
参考《起重机设计手册》[2]公式：
1）选载荷系数，常用值为
计算小齿轮传递的转矩
已知（减速机）
小齿轮转矩：
2）取齿宽系数，参照《起重机设计手册》[2]齿轮非对称布置，.
3）齿数u=传动比i
4）参考《机械设计基础》[5]表9-4的材料弹性系数
6）参考《工程力学》[1]基于齿面硬度的小齿轮接触疲劳强度极限：；大齿轮的接触疲劳强度极限；
7）参考公式计算应力循环次数，按工作寿命10年，每年300
天，每天10小时计算：
小齿轮转速：
式中：j—齿轮每转一周时，同一齿轮面啮合的次数
参照《工程力学》[1]图10-19，得接触疲劳寿命
8）计算接触疲劳许用应力
取失效率为，安全系数，由公式10-12得
1）计算小齿轮圆直径，代入中较小的值。
2）计算齿宽
3）计算齿宽与齿高之比
模数：；
齿高：
所以：
4）计算载荷系数
根据V=2.4m/s，8级精度，由《机械设计基础》[5]表9-3查得载荷系数；
直齿轮；
5）按实际的载荷系数校正分度圆：
6）模数
参照《机械设计基础》[5]公式齿轮弯曲强度的设计公式
1）参照图得小齿轮弯曲疲劳强度极限大齿轮的弯曲疲劳强度极限为
2）参考查得弯曲疲劳寿命系数;
3）参考《机械设计基础》[5]得弯曲疲劳安全系数S=1.4
4）计算载荷系数
由《机械设计基础》[5]表10-5查得
5）查齿形系数
由《机械设计基础》[5]表10-5查得
6）计算大小齿轮的并比较
大齿轮数值比较大
按弯曲疲劳强度算得的分度圆直径。算得小齿轮齿数大齿轮数。
1）计算分度圆直径
2）计算齿顶圆直径
3）计算中心距
4）计算齿轮宽度
由于减速机的输出轴长，所以选择取。
校核悬臂梁与立柱套焊接焊缝的焊接强度：
由2.2.5计算焊缝所受拉力约为。
拉应力校核：
式中：P—焊缝所受拉力
—钢板厚度，
L—焊缝的实际长度
因此，悬臂梁和柱套之间的焊缝的拉应力是：
焊缝的许用拉应力：
图2-10焊缝示意图
式中:
，一般取，本次设计取：
强度满足要求
平键结构简单，对中性好，应用广泛。
本设计采用普通平键A型。
键的尺寸
键连接强度校核
对键进行校核若强度不够。采取双键，通常两键在180°间距布置；沿轴的两半圆键应布置在一条直线上。两个锲键的夹角一般为。
图 2-11键的受力图
图中：，N；
；
，；
，
；
平键K=；—键连接的许用挤压应力；
—键连接的许用剪应力。
1）键或键槽工作表面的挤压应力按公式进行校核；键连接的 许用挤压应力
满足单键要求
2）键的剪应力公式进行校核，键连接的许用应力取静载荷值；
键的强度满足要求
键标记为：
升降机构：取物装置、钢丝绳缠绕系统和驱动装置，用来向下运动物体的运动的实现。针对目前我国生产经验和型号，决定采用开式传动。
根据设计参数要求，起重量Q＝5t，属于小型起重吊车。主要技术参数如下：
表 3-1起重机技术参数
起升重量Q | 起升高度H | 跨度L | 起升速度V | 运行速度m/min |
5t | 5m | 4m | 8m/min | 20(30) |
由额定起重量为5t，起升高度为5m，通过查询《起重机设计手册》选择电动葫芦为CD5T-6M，型号CD/MD。
表 2-2电动葫芦具体参数
类型 | 钢丝绳葫芦 | ||||
钢丝绳直径 | 15mm | ||||
钢丝绳总长 | 16.43m | ||||
钢丝绳结构形式 | D-6X37+1 | ||||
驱动方式 | 电动葫芦 | ||||
特性 | 普通葫芦 | ||||
安全工作负荷 | 5kn | ||||
最小破断负荷 | 5kn | ||||
标准起升高度 | 6m | ||||
轨道型号 | 25a-50b | ||||
轨道最小半径 | 1.5m | ||||
起升电动机组： | 型号 | ZD41-4 | |||
功率 | 7.5kw | ||||
速度 | 1400rpm | ||||
相数 | 3 | ||||
电压 | 380v | ||||
电流 | 2.4A | ||||
频率 | 50hz | ||||
起升次数 | 120次/小时 | ||||
负载持续率 | FC%:25 | ||||
基本尺寸 | Hmin | 1120mm | |||
L2 | 267mm | ||||
L1 | 415mm | ||||
L | 1047mm | ||||
B | 1055mm | ||||
L3 | 485mm | ||||
L4 | 320mm | ||||
d | 31mm | ||||
重量 | 473kg | ||||
注：1)：防护等级，绝缘等级在产品质量规格中注明。
2）：L3、L4、d为固定式电动葫芦的尺寸。
因为在吊装过程中，钢丝绳的安全是非常重要的，所以要保证钢丝绳的使用寿命，应采取以下措施:
1）尽量减少钢丝绳的弯曲次数；
2）增强安全系数，及降低钢丝绳的应力；
3）选用较大的滑轮与卷筒直径。
由《起重机设计手册》[2]查得钢丝绳破断拉力计算公式：
6×37+1型
6×19+1型
本设计选用6×37+1型钢丝绳。
查表得安全系数K=6，钢丝绳倍率=2，钢丝绳的拉力为：
型：
型：
选用钢丝绳直径型钢丝绳。
钢丝绳绕滑轮产生横向变形，所以滑轮的槽半径应大于绳的半径，一般；
绳槽两侧面夹角。
滑轮的尺寸
滑轮直径
式中：
；
查《》[2]表12-2知，绳直径比
11x16=176
查《起重机设计手册》[2]表13-1选用滑轮直径D=300mm，选用钢丝绳直径d=11mm，滑轮宽B=80，滑轮轮缘40，滑轮轴直径=90mm的型滑轮，标记为：。
卷筒直径：
式中 d—钢丝绳直径mm
e—与工作工作级别有关的系数，取值18
得11x18=198mm
根据《起重机设计手册》[2]表14-1，选取卷筒直径.卷筒槽尺寸由表14-3得槽低半径R=6.7(标准槽)，=14，=1.5，.
单联卷筒
双联卷筒
式中：
ｍ—滑轮组倍率；
ｎ—钢丝绳安全系数，ｎ≥1.5，取值2；
—卷筒计算直径；
卷绕长度
—根据构造需要选定；
；
代入得：
3×14=42mm
=3×14=42mm
L=171.36+84+42=297.36mm
取值L=400mm。
卷筒壁厚
取=15mm
)
式中 —多层卷绕系数；
—应力减小系数，一般取值0.75；
—钢丝绳最大静拉力；
—卷筒壁厚；
t—卷筒槽节距；
—许用压应力。
所以
选用灰铸铁，最小抗拉强度，许用压应力：
故抗压强度足够，所以符合要求。
由于卷筒长度小于三倍半径，应该校验弯矩产生的拉应力，如图
图 3-1
卷筒的最大弯矩产生在钢丝绳处于卷筒中心时：
断面系数：
式中： D—卷筒外径：—卷筒内经
于是：
合成应力：
式中：
所以：
所以卷筒直径，长度，绳槽尺寸倍率；
钢丝绳受到最大拉力：
得：
式中：
心轴左轮支撑最大弯矩：
采用等效弯矩，等效系数
等效弯矩：
弯曲应力：
材料选用45号钢，其=600MPa，=300MPa；=0.43，=258MPa。
式中：—安全系数
K—应力集中系数
—零件集合形状应力集中系数
—零件表面加工粗糙度应力集中系数
验算合格
卷筒轴属于低速轴零件，动力系数：
许用应力：
经验算卷筒轴合格
根据钢丝绳的直径为，选择压板固定装置，改变压力板的绳槽为梯形，槽的双头螺栓直径。
卷筒长度计算采用附加圈数，绳索与卷筒槽摩擦系数。
压板螺栓拉力：
式中—压板槽与钢丝绳换算摩擦系数，时
螺栓的合成应力：
式中：螺栓数Z=2；
螺栓内径；
螺栓材料Q-235（安全系数取1.6）
所以合格
式中 起升载荷重量
V—物品上升的速度
—机构总效率，取≈0.85。
电动机功率计算：
式中 查《起重机械设计手册》[2]取值0.9
其中,查《起重机设计手册》[2]得选取电动机YD160L-6，额定转速970rpm，额定功率9kw，重量147kg。
按照等效功率法，求时等效功率：
式中：取值0.85；
r—系数，查得r=0.87；
由以上计算结果，故初选电动机满足要求。
驱动装置传动比
式中：ｎ—电动机额定转速（r/min）
—稳定是卷筒的转速
式中：m—滑轮组倍率
v—物品上升速度
所以
实际起升速度：
误差：
所以速度与传动比符合要求。
实际所需等效功率：
，验算合格。
卷筒转速为：
减速器总传动比：
查询资料选用型减速器，中级工作类型，许用功率，，自重，输出轴，轴端长。
关于齿轮的选用
齿轮的传动比取参考各部件的安装位置，得出
齿轮尺寸：，齿轮宽度为B=80mm。
输出轴最大径向力为：
式中：
—卷筒上卷绕钢丝绳引起的载荷。
—卷筒及轴重量，
减速器输出轴最大允许径向载荷，查得
由公式得出轴最大扭矩：
式中—电动机轴额定力矩；
—当时电动机最大力矩倍数，
—减速器输出轴最大容许转矩，
由上计算，所选减速器能满足要求。
所需静制动力矩：
制动安全系数由表8-17得
由《起重机设计手册》表查得YZRW160M2
惯性阻力矩：
式中—额定起升载荷；
—卷筒计算直径；
—滑轮组倍率；
i—卷筒至电动机传动比；
η—机构总传动效率。
代入数字得：
转动惯量：
所以
式中 —电动机额定转速；
—机构运动质量换算到电动机轴上的转动惯量；
—电动机平均启动力矩N·m；
—推荐启动时间s，一般为，起重量大时，取大值。
满载下降的制动时间为
当起升高度小于12m/s时，
所以验算合格。
疲劳计算：
式中：—动载系数，；
—起升载荷动载荷系数
轴的直径D = 281mm已经由前部分计算，所以扭转应力：
轴用材料45号钢
弯曲：
扭曲：
轴受脉动循环的许用扭转应力：
式中：
—与零件表面加工精度 ，对于粗糙度3.2，；
对于精度12.5，，此处取k=2.5
—材料对称性的敏感系数，=0.2
所以：
故
强度验算
轴所受最大转矩：
最大扭转应力：
合格
中间轴径，取
滑轮是用来支撑绳和改变方向的运动部件。对于大型齿轮焊接生产是常用的方法，这种方法可以避免生产造成的巨大的浪费，但考虑到齿轮的直径可以做得更小，可采用铸造法制造。滑轮具体尺寸如下所示；
图 3-1滑轮轴示意图
等效功率为：
式中：n—回转速度取0.6；
η—机构效率，取0.6；
—摩擦阻力矩；
—等效坡道阻力距；
依据，选择型电动机。
参数：额定电压380V，频率50Hz，其工作制度是（间歇循环工作），2.2kW额定功率、额定转速，质量，转动惯量。
极限力矩联轴器摩擦力矩的确定；
式中:—摩擦力矩NM；
—电动机的最大转矩；
=；
—电动机轴电机转子，；
—电动机额定转速 r/min；
—电机轴极限扭矩和传动比及传动效率；
t—起、制动时间s
如果回转机构上设有力矩限制器，制动器的制动转矩：
根据条件，型号的选择是（电力液压块式制动器），其额定动态扭矩，制动轮直径，推动器型号。
确定机构的传动比：
式中：—减速器传动比；
—末级齿轮传动比，回转支承，小齿轮齿；
—电动机的额定转速；
n—回转速度r/min。
，，。
依据，选择型号为。其参数如下：
；
；
输入360docimg_501_；
公称输入360docimg_502_。
1）立柱选无缝钢管，45号钢，高度5米。
电机功率为4.Kw，转速360docimg_503_，减速器传动比160，齿轮传动比6.25，所以转矩360docimg_504_
360docimg_505_
图6-1立柱内力图
管的内与外径之比为0.8，材料许用应力360docimg_506_
由材料力学查得公式：
360docimg_507_
其中360docimg_508_
2)立柱强度校核
360docimg_509_
3）立柱整体稳定性校核
计算360docimg_510_查表得稳定性系数360docimg_511_则
360docimg_512_
360docimg_513_
360docimg_514_
4）立柱局部稳定校核
360docimg_515_
360docimg_516_
图 6-2旋臂起重机结构变形图
变形计算：
1）按整体横梁计算在和吊点变形
360docimg_517_
2）按横梁前段计算载荷吊点变形
360docimg_518_
按横梁后段计算横梁载荷吊点变形
360docimg_519_
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