1 汽車起重機伸縮臂系統(tǒng)設(shè)計計劃書 第 1 章 緒 論 課題內(nèi)容及重要意義 近年來，隨著社會的發(fā)展，社會生活中對起重機的需求越來越大，所以起重機的研發(fā)越來越緊迫，由于汽車式起重機轉(zhuǎn)場靈活，從而方便快捷，所以進幾年我國的汽車式起重機發(fā)展很快。但是，與國外汽車式起重機相比，國外汽車式起重機技術(shù)得到了飛速發(fā)展，為了降低整機成本，提高性能，整機質(zhì)量越來越小，在起重性能相同的情況下，自重約比十年前降低了左右，由于車輛自重的減小，使車輛采用盡可能少的軸數(shù)（尤其是大噸位起重機），這樣，大大簡化了車輛的結(jié)構(gòu) ，成本降低，同時提高了起重機的作業(yè)能力及使用經(jīng)濟性，所以，同等噸位的銷售價較前十年有大幅下降，對中國國內(nèi)市場造成了很大沖擊，因此，對我國的汽車式起重機的生產(chǎn)者來說是一個嚴峻的考驗。臂架是起重機的主要承載構(gòu)件。起重機通過臂架直接吊載，實現(xiàn)大的作業(yè)高度與幅度。臂架的強度決定了最大起重量時整機起重性能，其自重直接影響整機傾覆穩(wěn)定性，因而臂架結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)劣，將直接影響整機的性能，如整機重量、整機重心高度和整機穩(wěn)定性等。所以要在保證臂架安全工作的條件下盡量減輕臂架的重量，這對提高整機質(zhì)量和經(jīng)濟性具有很大的現(xiàn)實意義。 根據(jù) 車起重機工作要求來確定伸縮機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和傳動方案，進而采用傳統(tǒng)的設(shè)計方法對主臂的三鉸點、主臂的長度、及每節(jié)臂的長度、臂架的結(jié)構(gòu)、液壓缸尺寸進行確定，對臂架進行受力計算，采用 臂架進行有限元分析。 內(nèi)外汽車起重機發(fā)展概況及趨勢 內(nèi)汽車起重機發(fā)展概況及趨勢 中國的汽車式起重機誕生于上世紀的 10 年代，經(jīng)過了近 30 年的發(fā)展，期間有過 3 次主要的技術(shù)改進，分別為 70 年代引進蘇聯(lián)的技術(shù)， 80 年代引進日本的技術(shù)， 90 年代引進德國的技術(shù)。但是總體來說，中國的汽車式起重機產(chǎn)業(yè) 始終 2 走著自主創(chuàng)新的道路，有著自己清晰的發(fā)展脈絡(luò)，尤其是進幾年，中國的汽車式起重機產(chǎn)業(yè)取得了長足的發(fā)展，雖然與國外相比還有一定的差距，但是這個差距正在逐漸的縮小。而且我國目前在中小噸位的汽車式起重機的性能已經(jīng)完好，能夠滿足現(xiàn)實生產(chǎn)的要求。在不久的將來，我國的汽車式起重機行業(yè)一定會發(fā)展成為一個發(fā)展穩(wěn)定，市場化程度高的成熟產(chǎn)業(yè)。 許多專家認為，高速發(fā)展的市場，是中國汽車式起重機產(chǎn)業(yè)各個廠商有利的技術(shù)創(chuàng)新基礎(chǔ)和環(huán)境。近幾年，中國汽車式起重機產(chǎn)業(yè)除了一家較小的公司與日本起重機品牌廠家合資以外，其余廠家一直在追趕國外先 進水平的進程中，一直堅持自主的技術(shù)創(chuàng)新道路，基本上沒有整體引進國外技術(shù)的做法，也使的中國汽車式起重機產(chǎn)業(yè)在達到和接近國際先進水平的同時，在產(chǎn)品技術(shù)上有明顯的中國特質(zhì)。 中國汽車式起重機已經(jīng)大量使用 編程集成控制技術(shù)，帶有總線接口的液壓閥塊，液壓馬達，油泵等控制和執(zhí)行元件已較為成熟，液壓和電器已實現(xiàn)了緊密的結(jié)合?？赏ㄟ^軟件實現(xiàn)控制性能的調(diào)整，大幅度簡化控制系統(tǒng)，減少液壓元件，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，具備了實現(xiàn)故障自動診斷，遠程控制的能力。 當(dāng)前我國新一代汽車起重機產(chǎn)品，起重作業(yè)的操作方式，大面積應(yīng)用先導(dǎo)比例 控制，具有良好的微調(diào)性能和精控性能，操作力小，不易疲勞。通過先導(dǎo)比例手柄實現(xiàn)比例輸送多種負荷的無級調(diào)速，有效防止起重作業(yè)時的二次下滑現(xiàn)象，極大的提高了起重作業(yè)的安全性、可靠性和作業(yè)效率。 部分大型汽車式起重機還在伸縮臂上使用了單缸插銷的伸縮技術(shù)，通過液壓銷作用，以單個液壓油缸可完成多節(jié)伸臂的運動，并達到各種工況的程度控制和自動伸縮，改變了以往能不油缸加內(nèi)部繩排的作業(yè)方式，使起重機相對更輕，拓展了起重機向更高工作高度發(fā)展的空間。 在走向國際市場的過程中，我國汽車式起重機產(chǎn)業(yè)近幾年品質(zhì)水平的快速提高，也得到了國 際擁護的高度肯定，由于產(chǎn)品使用規(guī)范，用戶的專業(yè)素質(zhì)較高，出口產(chǎn)品的質(zhì)量反饋比在過內(nèi)有了明顯的減少，產(chǎn)品反映較好。這都為中國汽車式起重機行業(yè)的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。 外汽車起重機發(fā)展概況及趨勢 目前世界上約有百余家企業(yè)生產(chǎn)汽車起重機，但著名的也就右十余家，如美國的格魯夫、德國的利勃海爾、徳馬克、日本加藤、多田野等。生產(chǎn)的汽車起重 3 機品種有數(shù)百種， 90 年代以來，生產(chǎn)，銷售各種噸位的起重機萬余臺。 汽車起重機的市場主要集中在東亞、北美和歐洲。東亞約占銷售量的 40%，北美和歐洲各約占 20%。國外汽車起重 機發(fā)展的主要特點可以歸納為：多品種生產(chǎn)，標準化程度高和一機多用。 目前，世界汽車起重機的生產(chǎn)，從技術(shù)上講，德國利勃海爾公司略占優(yōu)勢，但從企業(yè)規(guī)模上講，美國格魯公司居世界首位。而生產(chǎn)量則是日本的多田野和藤加最多。市場總的趨勢式供大于求，面對激烈競爭，國外各大公司除了紛紛增加投資、擴大生產(chǎn)、提高自身的競爭能力外，還通過聯(lián)合或兼并來提高在國際市場的份額。如 1984 年，美國格魯夫公司收購了英國老牌企業(yè)科爾斯公司。 1987年，德國克虜伯公司收購了格的瓦爾德公司，稱為當(dāng)時德國最大的起重機公司，但該公司 1995 年 又被美國格魯夫公司收購。 1990 年，日本多田野兼并了德國法恩公司等。 在起重機行業(yè)內(nèi)，國外的大型汽車起重機的發(fā)展比我國迅速，在技術(shù)和運用上已相當(dāng)成熟，目前國際市場對汽車起重機的需求在不斷增加，從而使國外各大汽車式起重機制企業(yè)在生產(chǎn)中更多的應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計，機械自動化和自動化設(shè)備，這對起重機行業(yè)的發(fā)展造成了很大的影響。目前國外的起重機企業(yè)主要是生產(chǎn)大噸位的起重機，而且有完善的設(shè)計體系，和一批先進的研發(fā)人員，不斷的進行創(chuàng)新和完善。國外的制造企業(yè)現(xiàn)在已經(jīng)達到規(guī)?；纳a(chǎn)，技術(shù)含量比較高，而且液壓技術(shù)和電子技術(shù)在汽車起 重機的設(shè)計中也已廣泛的應(yīng)用，很多企業(yè)的品牌在用戶的心中已經(jīng)打上了堅實的烙印，這也使的國外起重機的繼續(xù)發(fā)展占有了更大的優(yōu)勢。 縮臂發(fā)展現(xiàn)狀 伸縮臂作為輪式起重機的主要受力構(gòu)件，其重量一般占整機的 13%20%，而其在大型起重機的重量中所占的比例則更大。因此，伸縮臂的性能對大噸位輪式起重機在大幅度、高起升高度情況下性能的影響至關(guān)重要，而伸縮臂的關(guān)鍵技術(shù)在于伸縮機構(gòu)的形式和臂架截面形式。 目前我國生產(chǎn)的輪式起重機以中、小噸位為主，普遍采用伸縮油缸加繩排的伸縮機構(gòu)的形式，只是在細節(jié)上各具特點。該伸縮機 構(gòu)的特點是最末一、二節(jié)伸縮臂采用鋼絲繩伸縮，其它伸縮臂用油缸伸縮，因而最末節(jié)伸縮臂的截面變化較 4 大，大大降低了起重機在大幅度下的起重性能。同時采用該形式的起重機在五節(jié)以上伸縮臂應(yīng)用時難度較大。西方發(fā)達國家生產(chǎn) 50 噸以上的中、大噸位輪式起重機時，普遍采用單缸插銷形式的伸縮機構(gòu)。該形式伸縮機構(gòu)的采用大幅度提高了起重機的起重性能。 從 B博覽會上可以看出，橢圓形伸縮臂、單缸插銷式伸縮機構(gòu)、自動伸縮臂系統(tǒng)構(gòu)成了以德國利勃海爾 (表的西方先進伸縮臂技術(shù)的核心，代表當(dāng)前世界最高水平， 是輪式起重機伸縮臂技術(shù)的發(fā)展方向。重臂的截面也采用了橢圓形截面，其截面上彎板為大圓弧槽形板，下彎板為橢圓形槽形板，且由下向上收縮，其重量優(yōu)化，抗扭性能顯著，具有固有的獨特穩(wěn)定性和抗屈曲能力。 用大圓弧六邊形截面，根據(jù)需要，腹板上設(shè)計橫向和縱向加強筋，提高腹板的抗屈曲能力。 用四邊形截面，也采用加筋解決腹板的抗屈曲能力，大圓弧六邊形截面在國內(nèi)己廣泛使用。 目前國內(nèi)僅徐工集團徐州重型機械廠一家推出 種噸位單缸插銷式伸縮臂技術(shù)的全地面起重機，并采用進口高強度鋼板，雙缸加雙繩排的伸縮機構(gòu)，在吊臂伸縮時，臂節(jié)之間有寬大的滑塊，保證了主臂的同心度，使重量和受力較好的傳遞，增大起重能力。獨特的吊臂對中裝置，使伸縮更方便，但國內(nèi)其它廠家目前還沒有使用這種截面形式。 輪式起重機的伸縮式吊臂是一個雙向壓彎構(gòu)件，除受有整體強度、剛度、穩(wěn)定性的約束外，主要受局部穩(wěn)定性約束，因此把伸縮臂制成為箱形截面是合理的。歸納起來，伸縮臂可以制成幾種典型箱形截面 :矩形、梯形、倒置梯形、五邊形、六邊形、八邊形、大圓角矩形以及橢圓形截 面等。目前，利勃海爾推出的橢圓形截面是全地面起重機針對不同機型，它所設(shè)計的截面形狀也有一定的差異。 縮臂機構(gòu)形式介紹 排系統(tǒng) 繩排系統(tǒng)在中國已經(jīng)應(yīng)用的比較成熟，也是一種歷史比較悠久的技術(shù)。此技術(shù)的優(yōu)點是臂長變化容易、工作臂長種類多、可以帶載伸縮、實用性很強，缺點是自重重、對整機穩(wěn)定性的影響較大?，F(xiàn)在在 100 噸以下的起重機上應(yīng)用的比較廣泛，其原理如圖，就是簡單的滑輪原理。對于四節(jié)臂以上起重臂的伸縮機構(gòu)又 5 分為以下兩種：多缸或多級缸加一級繩排、單缸或多缸加兩級繩排。 分產(chǎn)品采用第一種伸縮機構(gòu)，這種伸縮機構(gòu)的特點是最末一節(jié)伸縮臂采用鋼絲繩伸縮，其它伸縮臂采用多級缸或多個單級缸或多級缸和單級缸套用等方式直接用液壓缸伸縮。因而最末伸縮臂的截面變化較大，其它臂節(jié)截面的變化較小。在過去，徐重、浦沅、長起跟隨 術(shù)多年，普遍使用第二種伸縮機構(gòu)，使用單缸或雙缸加繩排實現(xiàn)四節(jié)或五節(jié)臂的伸縮。這種伸縮方式在國內(nèi)最先進，但解決五節(jié)臂以上起重臂的伸縮難度很大。北起、泰起、錦重等廠家采用第一種伸縮機構(gòu)（多個單級缸加一級繩排），但由于技術(shù)落后，第二缸、第三缸的進回油依靠軟管卷 筒輸送?，F(xiàn)在，大多數(shù) 5 節(jié)臂的起重機使用的是雙缸雙繩排的技術(shù)，一般為第 2 節(jié)臂獨立伸縮，第 臂同步伸縮； 4 節(jié)臂的一般單缸雙繩排為 同步伸縮。其局限性在于最末一、二節(jié)伸縮臂采用鋼絲繩伸縮，其它伸縮臂用油缸伸縮，因而最末伸縮臂的截面變化較大，大大降低了起重機在大幅度下的起重性能；同時，對于大噸位的起重機，對鋼絲繩的要求也非常高，符合要求鋼絲繩非常難加工。雖然有些日本企業(yè)有將繩排技術(shù)發(fā)展到 6節(jié)甚至更多，但是對于中大噸位起重機，一般企業(yè)還是優(yōu)先考慮單缸插銷技術(shù)。 缸插銷系統(tǒng) 單缸插銷式 伸縮臂技術(shù)是典型的機、電、液一體化系統(tǒng) 為伸縮臂伸縮的執(zhí)行機構(gòu)，主要由 1伸縮缸、 2拔銷機構(gòu)、 3缸銷等組成，為保證伸縮臂伸縮過程的安全性、可靠性，該機構(gòu)采用內(nèi)置式互鎖系統(tǒng)即在伸縮油缸上裝的彈簧驅(qū)動缸銷銷定伸縮臂后，才機械釋放該節(jié)臂和其他節(jié)臂的連接。該方式確保某一節(jié)伸縮臂和伸縮油缸互相鎖定后才能釋放該節(jié)臂和其它節(jié)臂的聯(lián)接。利勃海爾將拔銷裝置置于伸縮機構(gòu)上方，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，自鎖性強，便于實現(xiàn)；格魯夫 馬格 田野 構(gòu)兩側(cè)，結(jié)構(gòu)布置上比較困難，對加工、裝配精度要求高，插拔銷難度相對較大。缸銷則都布置在伸縮機構(gòu)的側(cè)方。單缸伸縮機構(gòu)要求動作靈活、可靠性高、響應(yīng)速度快、互鎖性好，否則，很難實現(xiàn)吊臂的可靠伸縮。 此技術(shù)采用單缸、互鎖的缸銷和臂銷、精確測長電子技術(shù)，優(yōu)點是重量最輕，對整機穩(wěn)定性的影響最小，但技術(shù)難度大、成本較高、臂長種類少、伸縮時間長、臂長變化時麻煩。現(xiàn)在，徐重和浦沅等國內(nèi)企業(yè)也成功研制出了此項技術(shù)，采用的是和 似的拔銷裝置置于伸縮機構(gòu)上方的形式。由于此技術(shù)對于電 6 液的要求較高，尤其是在自動伸縮的 制和伸縮系統(tǒng)的液壓回路的設(shè)計上，國內(nèi)企業(yè)的技術(shù)還不是太成熟，可靠性還不是太高，還有較長的路去走。 第 2 章 車起重機主要技術(shù)參數(shù)和工作級別 重機主要技術(shù)參數(shù) 起重機的技術(shù)參數(shù)表征起重機的作業(yè)能力，汽車式起重機的主要技術(shù)參數(shù)包括起重量、起升高度、幅度、起重力矩等。這些參數(shù)表名起重機工作性能和技術(shù)經(jīng)濟指標，它是設(shè)計起重機的技術(shù)依據(jù)，也是生產(chǎn)使用中選擇起重機技術(shù)性能的依據(jù)。 （ 1）起重量 起重機起吊重物的質(zhì)量稱為起重量，通常以 Q 表示，單位為 t。起重機的起重參數(shù)通常 是以額定起重量表示的。所謂額定起重量是指起重機在各種工況下安全作業(yè)所容許的起吊重物的最大質(zhì)量的值，它是隨著幅度的加大而減小的。帶有吊鉤的起重機的額定起重量不包括吊鉤和滑輪組的自重。 汽車式起重機的額定起重量隨著吊臂的方位（側(cè)方、后方、前方三個基本作業(yè)方位）不同而有所變化。汽車式起重機的額定起重量還分支腿全伸、不用支腿吊臂行駛 3 種情況。起重機吊重行使時，起重臂必須前置。起重機不用支腿作業(yè)和吊重行使時的額定起重量決定于輪胎、車橋（或輪對轉(zhuǎn)向架）的承載能力。 如上所術(shù)，由于汽車式起重機的各種工況比較復(fù)雜，考慮的 因素較多，額定起重量不只一個時，通常稱額定起重量為最大起重量。此次設(shè)計的是 50 噸汽車式起重機的主臂，所以取起重量為 Q=50t。 （ 2）起升高度 起升高度是指從地面或軌道頂面至取物裝置最高起生位置的鉛垂距離（吊鉤取取鉤環(huán)中心），單位為米。如果取物裝置能下落到地面或軌面以下，從地面或軌面至取物裝置最低下放位置間的鉛垂距離稱為下放深度。此時總起升高度 軌面以下的下放深度 和， H=h2+ 由于汽車式起重機的起升高度隨著臂架仰角和臂架長度變化，在各種臂長和不同臂架仰角時可得相應(yīng)的 起升高度曲線。汽車式起重機起升高度的選擇按作業(yè)要求而定。在確定起升高度時，應(yīng)考慮配屬的吊具、路基和汽車高度保證起重機 7 能將最大高度的物品裝入車內(nèi)。 汽車式起重機的最大起升高度的確定是根據(jù)起重機作業(yè)要求和起重機總體設(shè)計的合理性綜合考慮。參見起重機設(shè)計手冊汽車式起重機技術(shù)參數(shù)表，如表 2示， 50 噸汽車式起重機的基本臂的范圍為 ），最長主臂范圍為 3832（米），及 汽車起重機的參考值，重機的參考值 。 表 2車式起重機技術(shù)參數(shù)表 最大額定起 重量 Q（ t） 最小額定幅度R（ m） 起重力矩 M（不小于） 起重高度 H（不小于） 作業(yè)狀態(tài)整機質(zhì)量G(不大于 )（ t） 比質(zhì)量指標 最長主臂 基本臂 最長主臂 （ tm） （ m） 3 0 5 1 8（ 2/5 0（ 3/10 7 5/2（ 4/11 0 8/6（ 2/17 3 0（ 3/18 5 5(4/20 8 2(5/24 5 0(9/24 0 3/27 50(2/24 8 3(0 35/28 5 0(8/32 2 0/00 0 120 2 選擇起升高度為基本臂作業(yè) ，最長主臂作業(yè) 38 米。圖 示為汽車起重機起升高度圖 8 圖 車起重機起升高度圖 （ 3）幅度 旋轉(zhuǎn)臂架式起重機處于水平位置時，回轉(zhuǎn)中心線與取物裝置中心線垂直之間的水平距離稱為幅度（ R）。幅度的最小值 最大值 據(jù)作業(yè)要求而定。在臂架變幅平面內(nèi)起重機機體的最外邊至取物中心鉛垂線之間的距離稱為有效幅度，有效幅度可為正值或副值。 汽車式起重機有效幅度通常是指使用支腿工作，臂架位于側(cè)向最小幅度時 ，取物裝置中心鉛垂線至該側(cè)兩支腿中心連線的水平距離，它表示汽車式起重機在最小幅度時工作的可能性。汽車式起重機的幅度 R 如圖 示。參見表 2次汽車式起重機的幅度 R=3m。 （ 4）起重力矩 起重力矩是臂架類起重機主要技術(shù)數(shù)據(jù)之一，它等于額定起重量 Q 和其相對應(yīng)的工作幅度 R 的乘積，即 M=QR，起重力矩一般用 tm 為單位。 參見表 2=50t， R=3m,此次設(shè)計的汽車式起重機的起重力矩為 M=QR=503=150tm。同時參見表 2知，基本臂起重力矩為 150 tm，最長主臂的起重力矩為 85 tm。 車起重機的工作級別 （ 1） 起重機利用等級 起重機在有效工作期間有一定總工作循環(huán)數(shù)，起重機作業(yè)的工作循環(huán)是從準備其吊物品開始到下一次其吊物品為止的過程。工作循環(huán)次數(shù)表征起重機的利用程度，是起重機分級的基本參數(shù)之一。確定適當(dāng)?shù)氖褂脡勖鼤r要考慮經(jīng)濟，技術(shù)和環(huán)境等因素，同時還要考慮設(shè)備老化的影響。工作循環(huán)次數(shù)除了可根據(jù)經(jīng)驗確定，還可根據(jù)下式進行計算： 53 6 0 0 B 3 6 0 0 1 3 ( ) 3 0 0Q = 3 . 7 4 1 0300 年 （ 天 ） 8 （ 小 時 ） （ 次 ）（ 秒 ） （ 式中 : Y起重機的使用壽命以年計算，與起重機 的類型、用途、環(huán)境、技術(shù)、經(jīng)濟因素有關(guān)。 由于本設(shè)計為 50 噸，參見起重機設(shè)計手冊不同類型起重機使用壽命表，如表 2示，可知 Y=13 年。 B起重機一年中的工作天數(shù)，取 B=300 天。 9 H起重機每天工作小時數(shù)，取 H=8 小時。 T起重機一個工作循環(huán)的時間，設(shè)定為 T=300 秒。 根據(jù)以上計算所得出的數(shù)據(jù)， 0Q (次 ) 參見起重機設(shè)計手冊起重機利用等級表，如表 2示，可以選擇起重機的利用等級為 5U ，起重機的 使用情況為 ，經(jīng)常中等的使用。 表 2重機利用等級 利用等級 總的工作循環(huán)次數(shù) N 起重機使用情況 利用等級 總的工作循環(huán)次數(shù) N 起重機使用情況 10 510 經(jīng)常中等的使用 10 610 不經(jīng)常繁忙使用 10 不經(jīng)常使用 710 10 810 繁忙的使用 10 經(jīng)常清閑的使用 910 表 2種不同類型的起重機的使用等級 起重機類型 使用壽命 （年） 汽車起重機（通 用汽車底盤） 10 輪胎起重機和汽車起重機（專用底盤） 起 重 量 （ t） 小于 16 11 16 40 12 40 100 13 大于 100 15 塔式起重機 小于 10 10 等于和大于 10 16 橋式和門式起重機 工作級別 1A 、 2A 30 3A、4A、5A、7帶起重機 10 門座和鐵路起重機 25 (2) 起重機的載荷狀態(tài) 載荷狀態(tài)是起重機分級的另一個基本參數(shù)，它表明起重機的主要機構(gòu) 起升機構(gòu)受載的輕重程度。載荷狀態(tài)與兩個因素有關(guān)：一個是實際起升載荷1Q，與額定起升載荷一 個是實際起升載荷11，與工作循環(huán) 10 次數(shù) N 之比。 此次設(shè)計根據(jù)實際情況及汽車式起重機實際的使用情況，可根據(jù)表 2擇很少吊起額定載荷，一般起吊輕載荷。 表 2重機的載荷狀態(tài)及其名義載荷譜系數(shù)名義載荷譜系數(shù) 說明 1Q輕 少起升額定載荷，一般 起升輕微載荷 2Q中 時起升額定載荷，一般起升中等載荷 3Q重 常起升額定載荷，一般起升重載荷 4Q特重 繁的起升額定載荷 (3) 起重機工作級別的確定 劃分起重機的工作級別，是為了對起重機金屬結(jié)構(gòu)和機構(gòu)設(shè)計提供了合理的基礎(chǔ)，它能使起重機勝任它需要完成的工作任務(wù)，起重機的工作級別是根據(jù)起重機的利用等級和起重機的載 荷狀態(tài)而確定，根據(jù)起重機設(shè)計手冊中，起重機工作級別的劃分，如表 2示，可以確定，此汽車式起重機的工作級別為 表 2重機工作級別的劃分 載荷狀態(tài) 名義載荷譜系數(shù) 利用等級 0 1 1 重 1 第 3 章 伸縮臂傳動方案和臂架截面的確定 縮臂傳動方案的確定 主臂的伸縮機構(gòu)很多，可以從兩種角度進行分類，即按驅(qū)動形式的不同，以及各節(jié)臂間的伸縮次序關(guān)系不同進行分 類。 按驅(qū)動形式的不同，可分為液壓、液壓 機械和人力三種。采用液壓驅(qū)動時，執(zhí)行元件選用液壓油缸，利用缸體和活塞桿的相對運動推動，推動下節(jié)臂的伸縮，在設(shè)計三節(jié)臂伸縮機構(gòu)時，為了減輕重量，還可以利用吊臂之間的伸縮比例，采用鋼絲繩和滑輪組實現(xiàn)第三節(jié)臂的伸縮，以實現(xiàn)第三節(jié)臂的伸縮，這就形成了液壓機械驅(qū)動。在某些情況下可以取消伸縮機構(gòu)，代之采用人力驅(qū)動，或采用推桿和繩索的器件，而輔之以人工安裝插銷等方法伸縮吊臂，這就形成了人力驅(qū)動。這幾種方法往往在小于等于三節(jié)臂的情況下使用。 對于擁有三節(jié)或三節(jié)以上的吊臂來講，各節(jié)臂 的伸縮方式可以由不同的選擇，但是，由前面提到的大致可以分為三類。 （ 1）順序伸縮：指吊臂在伸縮過程中，各節(jié)伸縮臂必須按一定先后順序，完成伸縮動作。 （ 2）同步伸縮：指吊臂在伸縮過程中，各節(jié)伸縮臂同時以相同的形成比例進行伸縮。 （ 3）獨立伸縮：指吊臂在伸縮過程中，各節(jié)臂均能獨立進行伸縮。顯然，獨立伸縮構(gòu)，同樣也可以完成順序伸縮或同步伸縮的動作。 在現(xiàn)實中，三節(jié)伸縮臂或三節(jié)以上的伸縮機構(gòu)，往往式上述幾種伸縮機構(gòu)的中和，而很少單獨采用某一種伸縮機構(gòu)。在三節(jié)伸縮臂時，基本上采用一個液壓缸加一個滑輪組的同步伸縮機構(gòu)。 超過三節(jié)臂時，常用兩個液壓缸加一個滑輪組的伸縮機構(gòu)，或采用三個液壓缸的伸縮機構(gòu)，五節(jié)臂時為兩個液壓缸加兩個滑輪組，或最后一節(jié)的伸縮可用手動的或簡單的插銷式伸縮機構(gòu)。 本次設(shè)計的四節(jié)臂伸縮，采用后種方法過于落后，顧采用第一種方法。即，用一個液壓缸加兩個滑輪組的伸縮方式。傳動方案如圖 12 圖 縮臂傳動方案圖 傳動過程：液壓缸 2 向外伸出帶動第 2 節(jié)臂伸出，同時由于鋼絲繩的長度是不變的，而液壓缸 2 向外伸出時鋼絲繩 1 變長，從而鋼絲繩 6 變短，使得第三節(jié)臂通過固定在液壓缸 2 上的滑 輪 3 向外伸出，當(dāng)?shù)谌?jié)臂向外伸出的時候由于鋼絲繩的長度是不變的，鋼絲繩 8 變長，從而鋼絲繩 9 變短，使得第四節(jié)臂通過固定在三節(jié)臂上的滑輪向外伸出，最終按順序的伸長，反之縮回過程同理。 縮臂架截面的確定 縮臂架的截面形式分類 伸縮臂是受彎為主的雙向壓彎構(gòu)件，除受有整體強度、剛度、穩(wěn)定性的約束限制外，主要受局部穩(wěn)定性約束。因此采用何種截面形式使吊臂的自重較小、材料的利用充分，是伸縮式吊臂設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。 以下是目前伸縮式吊臂常見的截面形式 (如圖 示 ) 基本臂二節(jié)臂三節(jié)臂四節(jié)臂液壓缸 13 . 圖 架截面形式 歸納起來，伸縮臂可以制成幾種典型箱形截面 :矩形、梯形、倒置梯形、五邊形、六邊形、八邊形、大圓角矩形以及橢圓形截面等。 其中，矩形截面是由翼緣板和腹板焊接而成的，它是目前輪式起重機伸縮臂中用得最多的截面形式。與其他截面形式相比，矩形截面的制造工藝簡單，具有較好的抗彎能力和抗扭剛度，因此，中、小噸位輪式起重機的伸縮臂通常都采用這一形式，但是這種截面沒有充分發(fā)揮材料的承載能力，為了使伸縮臂各節(jié)之間能很好地傳遞扭矩和橫向力，需設(shè)附加支承。 梯形截面的上翼緣板窄，下翼緣板寬，截面中性 層靠下能發(fā)揮上翼緣板的機械性能，提高腹板的穩(wěn)定性，前部滑塊可接近腹板布置，后部滑塊傳遞給上翼緣板的集中力，因上翼緣板窄，產(chǎn)生的彎曲力矩減小。梯形截面的扭轉(zhuǎn)剛度和橫向剛度均較矩形截面大，但是，這種截面的下翼緣板寬，對局部穩(wěn)定不利，材料性能得不到充分發(fā)揮，且需設(shè)側(cè)向支承裝置，這是梯形截面的缺點。 倒置梯形的下翼緣板窄，上翼緣板寬，對提高下翼緣板的局部穩(wěn)定性很有好處，材料能得到充分利用，且和梯形截面一樣，具有較大的橫向剛度和扭轉(zhuǎn)剛度，倒置梯形伸縮臂對安裝變幅油缸較為有利，但是這種截面對上翼緣板的局部彎曲和腹板的穩(wěn) 定性不是很有利，亦需設(shè)側(cè)向支承。 梯形和倒置梯形截面的伸縮臂通常用于大噸位的輪式起重機。八邊形和大圓角矩形截面的下翼緣板和腹板的實際計算寬度較小，有利于提高抗失穩(wěn)的能力。 14 前后滑塊均支承在四角處，伸縮臂各板不產(chǎn)生局部彎曲，且能較好地傳遞扭矩與橫向力，因此這兩種截面形式的伸縮臂能較好的發(fā)揮材料機械性能，減輕結(jié)構(gòu)自重。對大噸位輪式起重機采用這種截面形式是合適的。制造這兩種截面形式的吊臂，需要大型軋床，但是隨著工業(yè)的發(fā)展，這兩種形式的吊臂應(yīng)用會逐漸增多。 重臂的截面采用了橢圓形截面， 其截面上彎板為大圓弧槽形板，下彎板為橢圓形槽形板，且由下向上收縮，其重量優(yōu)化，抗扭性能顯著，具有固有的獨特穩(wěn)定性和抗屈曲能力。 使用橢圓形吊臂截面形式。 用大圓弧六邊形截面，根據(jù)需要，腹板上設(shè)計橫向和縱向加筋，提高腹板的抗屈曲能力。 用四邊形截面，也采用加勁筋解決腹板的抗屈曲能力。大圓弧六邊形截面在國內(nèi)己廣泛使用，泰起在其新品也首次使用，其它廠家目前還在使用四邊形截面。目前，橢圓形起重臂的技術(shù)代表最高水平，其優(yōu)勢很明顯，由于不需采用加筋，因而每節(jié)臂截面的變化很小，有利于減輕起重臂的重量，提高起重機的起重能力。但是截面的成型難度大，生產(chǎn)周期長。 臂截面的確定 對吊臂截面的設(shè)計是本次畢業(yè)設(shè)計的重點內(nèi)容，因此參閱了國內(nèi)外大量的資料，伸縮吊臂是輪式起重機中至關(guān)重要的部件，其重量一般占整機的 13%20%，而大型起重機這個比例則更大，這就導(dǎo)致起重機在大幅度下的起重量和大起重量下的起升高度急劇降低。因此，在滿足各項設(shè)計指標的前提下，采用優(yōu)化設(shè)計，盡可能降低吊臂自重，尤其對大噸位起重機具有十分重要的意義。減輕吊臂重量，增大吊臂剛度是改善起重性能的重要途徑。 因此我從這個角度來確定吊臂截面，下面是我確定截面為 U 型截面的過程。 首先是選擇吊臂的材料，是最直接的減輕吊臂重量的途徑，全地面起重機伸縮臂的材料一般是 16好采用高強度的低合金鋼。但在材料確定的條件下，只能改進吊臂的形狀，也就是吊臂截面的形狀，來改進吊臂的性能。吊臂的截面形狀是決定吊臂重量的主要因素，近幾年來，隨著吊臂材料強度級別的提高，如何充分利用材料的性能，結(jié)構(gòu)專家提出了如何解決強度安全儲備與薄板局部失穩(wěn)安全儲備均衡的問題，從而推動吊臂截面從四邊形向六邊形、多邊形、橢圓形、U 形發(fā)展。根據(jù)吊臂材料的 發(fā)展趨勢，在最近幾年內(nèi)，材料強度級別的提高將受到限制，更高強度級別的材料將很難面世， U 形吊臂技術(shù)將是最近幾年內(nèi)的最高 15 水平。然而，吊臂是一個可以伸縮的階梯梁，目前，除基本臂可以加強外，許多生產(chǎn)廠家將伸縮臂設(shè)計成等截面梁，根據(jù)吊臂的受力特點，變截面伸縮臂將使吊臂更輕，性能更強。為了提高起重作業(yè)性能，減輕自重，起重臂截面形狀采用 “U”形截面。該種截面是經(jīng)過優(yōu)化計算得出的最優(yōu)的截面形式，從而能最大限度地發(fā)揮材料的力學(xué)性能。 作為吊臂來說，總希望在不發(fā)生局部失穩(wěn)的前提下，壁厚設(shè)計得薄一點，截面設(shè)計大一些。但由于受整機 尺寸的限制，吊臂外形尺寸不能增大，因而只能在截面總高和總寬保持不變的條件下進行截面的優(yōu)化，伸縮臂的箱形截面采用 高寬比在 圍之內(nèi)。側(cè)板一般選用薄鋼板，厚度在 圍內(nèi)，側(cè)板薄一些對于減輕吊臂重量極為有效，但必須認真考慮其局部失穩(wěn)的問題，有的在鋼板上隔一定距離軋一條橫向筋，以增加其強度。有的為了減輕重量也可在側(cè)板上開大孔，并卷邊加強。下底板一般做得比上蓋板厚些，一方面滿足下底板局部穩(wěn)定性的需要，為了減輕自重，吊臂應(yīng)盡量做成等強度梁。具體到每節(jié)臂的優(yōu)化設(shè)計問題，我們考慮兩個非常重要 的工況 :基本臂工況和全伸臂工況。由基本臂工況通過優(yōu)化設(shè)計確定基本臂截面尺寸和壁厚，并由各節(jié)臂之間的間隙確定其余各節(jié)臂的截面尺寸，然后再由全伸臂工況確定其它節(jié)臂的壁厚。 U 型的截面最危險處為四角焊縫處，該處應(yīng)力最大，也是最易產(chǎn)生應(yīng)力集中的地方。 U 型截面有大的抗彎模量和較高的抵抗局部失穩(wěn)的能力。確定 U 型為較合理的形狀。 U 型截面的橫向抗彎剛度和抗扭剛度比其他形式好。 U 型側(cè)板的上半部拉應(yīng)力較大，提高了側(cè)板的穩(wěn)定系數(shù)。下底板做成圓形，是為了提高下底板的抗局部失穩(wěn)的能力，和減少側(cè)板的計算寬度。這樣以來可以采用更薄鋼板，而充分利用鋼板的厚度，特別在采用高強度鋼材時。因為高強度鋼材的抗局部失穩(wěn)的能力并不比普通鋼板高。吊臂不同部位可以采用不同強度的鋼材，以充分發(fā)揮鋼材作用，如上蓋板才高強度，下蓋板采用普通鋼。 根據(jù)以上闡述的理論，在以下的設(shè)計中，將采用焊接方式為主（各種焊接方式應(yīng)用到合適的位置），螺紋連接以及鉸接為輔方式進行臂架的連接。 地面起重機的舉升臂主體材料為合金結(jié)構(gòu)鋼適當(dāng)?shù)倪x取 16行加固。上下底板和腹板承受不同的載荷有的彎矩大，有的正應(yīng)力大，故采用不同的材料。在選取材料時應(yīng)遵循性價比最高選擇，以優(yōu)化減輕 臂架重量為最終目的。以達到對臂架乃至起重機性能的優(yōu)化的目的。 16 圖 架截面尺寸圖 根據(jù)公式 1l = 2l +l ， 四節(jié)的尺寸依次為： 455660、 420600、 385540、350480 （ 圖 17 第 4 章 伸縮臂設(shè)計計算 重機伸縮臂尺寸的確定 此次設(shè)計的 50 噸汽車式起重機的 起升高度為 38 米，臂架材料選用 見表 4擇吊臂的節(jié)數(shù)為 4。主臂尺寸的的確定包含以下的的內(nèi)容：一、 吊臂根部鉸點位置的確定，二、吊臂各節(jié)尺寸的確定，三、變幅液壓缸鉸點的確定，四、臂架的受力計算和分析，五、伸縮臂結(jié)構(gòu)的校核。 表 4重機吊臂節(jié)數(shù) 最大起升高度H(m) 10 15 16 19 20 29 30 40 吊臂節(jié)數(shù) K 3 2 3 3 4 4 5 臂跟部鉸點位置的確定 設(shè) e 為吊臂根部鉸點 O 至回轉(zhuǎn)中心線的水平距離， h 為鉸點 O 到回轉(zhuǎn)支承裝置上表面的垂直距離，則鉸點 O 的坐標 為（ e， h）見圖 0 至基本臂截面中心線距離，設(shè)下標 i 表示不同位置的0i=1， 2， ， n）當(dāng)?shù)?i 個0點 O 的位置為 h。0吊臂中心線以下為負，反之為正。則： i 2 0 0 i 2h = h h = h e i i 2 0 ie c o s e e s i 圖 鉸點有關(guān)尺寸圖 吊臂根部鉸點的位置與吊臂長度，起升高度和幅度有關(guān)。設(shè)吊臂的工作長度 18 為 ： 01( ) ( ) s i n ( 1 0 . 2 1 . 5 ) 2 . 4 1 0 . 2c o s s i n 5 6H b h e e m （ 從而得出0l= 式中： H基本臂的起升高度， H= b吊頭距滑輪組的最短距離， b= 0e、 部鉸點和頭部滑輪軸心離吊臂基本截面軸心的距離，并帶有正負號，在中心線以下者為正，以上為負。由于 0e e 此項數(shù)值較小，所以在計算時可以不計。 h根部鉸點離地距離，參見 h 值，取 h= 吊臂仰角，其值小于最大仰角 =80即 = =56。 吊臂根部離鉸點的距離 e 0 m i n 0e = l c o s s i n 1 0 . 2 c o s 5 6 3 1 . 7 3iR e e m （ 得出吊臂根部離鉸點的距離 e=以取距離 e= 吊臂根部鉸點離回轉(zhuǎn)平面的高度00 2 1h h h h =中：2h為回轉(zhuǎn)支承裝置的高度，2h= 1h為起重機汽車底盤的高度，1h= 將最大起升高度 入公式得出主吊臂最大長度 10m a xs i n 3 8 1 . 5 2 . 4 3 8 . 5c o s s i n 5 6iH b h e （ 式中：1H最長主臂作業(yè)長度，1H=38m。 a， r， b， h 同上。 臂各節(jié)尺寸的確定 主吊臂的最長長度 即 0 0 m a x 1 2 3 4 1 2 2 3 3 4 4l l l l l l l a l a l a （ 式中 2l 3l 4設(shè)計當(dāng)中，伸縮長度往往取同一數(shù)值，即 l 。則外伸長度 23l l l l a ，2a3a4，四節(jié)臂 19 縮回后外漏部分的長度，在計算時取同一數(shù)值（ a=）。 若假設(shè)0基本臂結(jié)構(gòu)長度加上0 00 1 0 1 0l l a l a 而 0 2 3 4 1a a a a K a 將上式帶入式（ 得 0 m a x 0 1 01 1 1 1 1l l K a K l l K l K a l K l （ 即 3 8 . 5 1 0 . 2 4 1l 從中可以得出 （ m）。 式中： 通常搭接長度應(yīng)該短些，以減輕吊臂重量。但是，太短將搭接部分反力增大了，引起搭接部分吊臂的蓋板或側(cè)板局部失穩(wěn)，同時，也是吊臂的間隙變形增大。因此，搭接部分要根據(jù)實際經(jīng)驗和優(yōu)化設(shè)計而定，一般為伸縮臂外伸長度的1/41/5（吊臂較長者取后者，較短者取前者，同步伸縮者可取后者）。 從而得出外伸長度為 l =（ m）。 在第 i 節(jié)臂退回后，除外露部分長度 a 外，在前節(jié)（ 臂中的長度 i 節(jié)臂插在前節(jié)臂內(nèi)的長度為 ，假設(shè)第 i 節(jié)臂的結(jié)構(gòu)長度為 0則 0 i i i i il l l a l l （ 各節(jié)伸縮臂插入前一節(jié)都留有一段距離 c，這是結(jié)構(gòu)上的需要，在此距離內(nèi)要設(shè)置伸縮油缸的鉸支座和其它的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其大小視情況而定，在此次設(shè)計中 選擇 c= 因此前后兩節(jié)臂由這樣的關(guān)系， 001l c a （ 從式 知， 0 i i il l l a 01 1 1i i il l l a 將上述兩式代入式（ 可得。 11i i i il l a l l c 20 已知，1l l，從上式可知，后一節(jié)的搭接長度，臂前一節(jié)的搭接長度小一些，因為一般情況下結(jié)構(gòu)空間 c 臂外露空間 a 大一些，得出 1l c a （ 此次設(shè)計共有 4節(jié)臂，其最后一節(jié)的搭接長度為 5，現(xiàn)在根據(jù)式（ 吊臂的各節(jié)搭接長度和結(jié)構(gòu)長度分別為， 4 0 . 2 c a 2 . 1 8 6 （ ） （ ） 04 1. 2 c a 9 . 1 1 7 （ ） （ ） 3 0 . 2 2 c a 2 . 4 8 6 （ ） （ ） 03 1. 2 2 c a 9 . 4 8 8 （ ） （ ） 2 0 . 2 3 c a 2 . 7 8 6 （ ） （ ） 02 1. 2 3 c a 9 . 8 4 8 （ ） （ ） 1 0 . 2 4 c a 3 . 0 8 6 （ ） （ ） 01 1. 2 4 c a 1 0 . 1 8 6 （ ） （ ） 各節(jié)臂長度尺寸的驗算 計算的基本臂工作長度0計算的各節(jié)臂的長度值才能滿足需要， 0l= 01l+a（ （ c=l +a ） +（ c （ 式中： 0l=4=m） l +a ） +（ c= +（ 4m） 即式（ 立，所計算各節(jié)臂的長度滿足要求。 上述為所計算出的各節(jié)臂的長度尺寸，參考 汽車起重機設(shè)計各節(jié)臂尺寸的確定，最終確定長度為 : 01l=m）、 02 l=m）、 03 l=m）、0 4 l =m） 幅液壓缸鉸點的確定 變幅液壓缸的鉸點如圖 示，變幅液壓缸根部鉸點（1O）的位置，一般使其落在回轉(zhuǎn)支撐裝置的滾道上，從而改變了平臺的受力情況。采用雙作用液壓缸，其鉸點離回轉(zhuǎn)中心的距離 f 取決于雙缸間的距離 B,可通過下式算得： 2222 （ 由于回轉(zhuǎn)支撐裝置 D 和吊臂寬度 B 都與起重能力有關(guān)，一般取 D=(。則從式 出， 21 20 . 9 0 . 9 0 . 922 m 式中： D=2m。 從而可以得出鉸點1。 圖 鉸點相互位置圖 鉸點 O 在求得0h和 e 已經(jīng)確定即0h=e=以認定鉸點 O 已經(jīng)確定。因為鉸點離滾道面的距離式構(gòu)造所定，一般取 h = 在圖 可以看出，只有在基本臂上固定的鉸點2點2述條件，在變幅缸縮回時， 吊臂位在行駛狀態(tài)，變幅液壓缸長度為最短長度；而當(dāng)全伸時吊臂位在最大仰角狀態(tài)，液壓缸長度達到最大長度。連接吊臂鉸點（ O ），變幅缸鉸點（1O）和（2O），形成12 12在122 1 m a O ，在 1212O O O 是1可由下式求得： 1 0() （ 式中：0h=h =e =f = 從而可以得出： = 在 O 和1三角公式求得212，其邊角關(guān)系為： 2 2 21 2 2 1 1 2 2 12 c o O O O