汽車起重機伸縮臂系統(tǒng)設計畢業(yè)論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 ，經常中等的使用。5U表 起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0 410?5U5 10?經常中等的使用1U 4 61 5不經常繁忙使用2 410?不經常使用 72 50?3 5 8U4 1繁忙的使用4 經常清閑的使用94 5 表 幾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小于 16 1116～40 12＞40～100 13輪胎起重機和汽車起重機（專用底盤）大于 100 15小于 10 10塔式起重機起重量（t）等于和大于1011A2 、34525橋式和門式起重機工作級別、6720履帶起重機 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—起升機構受載的輕重程度。載荷狀態(tài)與兩個因素有關：一個是實際起升載荷 ，與額定起升載荷1Q之比，令一個是實際起升載荷 的作用次數(shù) N1，與工作循環(huán)次數(shù) N 之比。maxQ1Q此次設計根據實際情況及汽車式起重機實際的使用情況， ，可根據表 選擇=，即很少吊起額定載荷，一般起吊輕載荷。K表 起重機的載荷狀態(tài)及其名義載荷譜系數(shù) QK載荷狀態(tài) 名義載荷譜系數(shù) 說明— 很少起升額定載荷，一般起升輕微載荷— 有時起升額定載荷，一般起升中等載荷— 經常起升額定載荷，一般起升重載荷— 頻繁的起升額定載荷(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構和機構設計提供了合理的基礎，它能使起重機勝任它需要完成的工作任務，起重機的工作級別是根據起重機的利用等級和起重機的載荷狀態(tài)而確定，根據《起重機設計手冊》中，起重機工作級別的劃分，如表 所示，可以確定，此汽車式起重機的工作級別為 A4。表 起重機工作級別的劃分利用等級載荷狀態(tài) 名義載荷譜系數(shù) QK0U1234U5678U9— AAA— 12345678—— 2A345A678A3 伸縮臂傳動方案和臂架截面的確定 伸縮臂傳動方案的確定主臂的伸縮機構很多，可以從兩種角度進行分類，即按驅動形式的不同，以及各節(jié)臂間的伸縮次序關系不同進行分類。按驅動形式的不同，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，在設計三節(jié)臂伸縮機構時，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動。在某些情況下可以取消伸縮機構，代之采用人力驅動，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，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，往往式上述幾種伸縮機構的中和，而很少單獨采用某一種伸縮機構。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。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，或采用三個液壓缸的伸縮機構，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。本次設計的四節(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 圖 伸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?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。基 本 臂 二 節(jié) 臂 三 節(jié) 臂 四 節(jié) 臂液 壓 缸 伸縮臂架截面的確定 伸縮臂架的截面形式分類伸縮臂是受彎為主的雙向壓彎構件，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，是伸縮式吊臂設計的關鍵技術。以下是目前伸縮式吊臂常見的截面形式(如圖 所示): .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，產生的彎曲力矩減小。梯形截面的扭轉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，且需設側向支承裝置，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，亦需設側向支承。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。前后滑塊均支承在四角處，伸縮臂各板不產生局部彎曲，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，減輕結構自重。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用會逐漸增多。LIEB 班 RR 的 LTM1300 起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。DEMAG 也使用橢圓形吊臂截面形式。GROVE 和 TADANO 采用大圓弧六邊形截面，根據需要，腹板上設計橫向和縱向加筋，提高腹板的抗屈曲能力。KATO 采用四邊形截面，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己廣泛使用，泰起在其新品 QY50A 上也首次使用，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，生產周期長。 。 吊臂截面的確定對吊臂截面的設計是本次畢業(yè)設計的重點內容，因此參閱了國內外大量的資料，伸縮吊臂是輪式起重機中至關重要的部件，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，在滿足各項設計指標的前提下，采用優(yōu)化設計，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 16Mn，最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，結構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。根據吊臂材料的發(fā)展趨勢，在最近幾年內，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形吊臂技術將是最近幾年內的最高水平。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，許多生產廠家將伸縮臂設計成等截面梁，根據吊臂的受力特點，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，壁厚設計得薄一點，截面設計大一些。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 U 型。其高寬比在 ~范圍之內。側板一般選用薄鋼板，厚度在 ~8mm 范圍內，側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，吊臂應盡量做成等強度梁。具體到每節(jié)臂的優(yōu)化設計問題，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，該處應力最大，也是最易產生應力集中的地方。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 型側板的上半部拉應力較大，提高了側板的穩(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。根據以上闡述的理論，在以下的設計中，將采用焊接方式為主（各種焊接方式應用到合適的位置） ，螺紋連接以及鉸接為輔方式進行臂架的連接。QAY50 全地面起重機的舉升臂主體材料為合金結構鋼適當?shù)倪x取 16Mn 進行加固。上下底板和腹板承受不同的載荷有的彎矩大，有的正應力大，故采用不同的材料。在選取材料時應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。圖 臂架截面尺寸圖根據公式 = + ， 四節(jié)的尺寸依次為：1l2l2l455660、420600、3855350480 （ mm）見圖 4 伸縮臂設計計算 起重機伸縮臂尺寸的確定此次設計的 50 噸汽車式起重機的起升高度為 38 米，臂架材料選用 HG6O。參見表，選擇吊臂的節(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、伸縮臂結構的校核。表 起重機吊臂節(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 吊臂跟部鉸點位置的確定設 e 為吊臂根部鉸點 O 至回轉中心線的水平距離，h 為鉸點 O 到回轉支承裝置上表面的垂直距離，則鉸點 O 的坐標為（e，h）見圖 。設 是鉸點 O 至基本臂截面中0e心線距離，設下標 i 表示不同位置的 值的序號（i=1，2，…，n）當?shù)?i 個 值為0e 0e時，鉸點 O 的位置為 。 帶有符號，在吊臂中心線以下為負，反之為正。i0e），（ ii則： 2i02i1i heh???? Rsinecosl 21i02i ????）（ 圖 三鉸點有關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。設吊臂的工作長度為 lw。即： （）??01()()sin(). 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=。、 —根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，0e1在中心線以下者為正，以上為負。由于 此項數(shù)值較小，所以在計算01()cose??時可以不計。h—根部鉸點離地距離，參見 QAY50 的 h 值，取 h=。—吊臂仰角，其值小于最大仰角 =80176。即 =。即 =56176。?max?39。 39。吊臂根部離鉸點的距離 e（）39。 39。0min01cos()()elRm??????得出吊臂根部離鉸點的距離 e=。所以取距離 e=。吊臂根部鉸點離回轉平面的高度 為0h==?式中： ——為回轉支承裝置的高度， = 。2h2h ——為起重機汽車底盤的高度， =。1 1將最大起升高度 H1 帶入公式得出主吊臂最大長度 。maxl （）??101max()()sin() ?????????式中：H1—最長主臂作業(yè)長度， =38m。1