随车式起重机起重臂结构设计

目 录1 绪论31.1 课题背景31.2起重机的介绍31.3国内随车起重机行业的格局31.3.1随车式起重机力矩小41.3.2操作不方便，安全装置不齐全41.3.3外形不美观41.4.1瑞典世界上较早生产随车起重机的国家51.4.2意大利世界上随车起重机生产厂家最多的国家51.4.3日本建立了对随车起重机综合评价的新概念61.5 随车起重机的市场61.6 随车起重机的分类71.7 随车起重机现代设计方法概述71.8 随车起重机的组成及工作原理92 机械部分的设计及验算92.1主要性能参数92.2随车起重机参数确定102.3随车起重机吊臂截面类型选择112.4箱形吊臂连接尺寸的确定122.4.1吊臂根部铰点位置的确定122.4.2吊臂各节尺寸的确定132.5 吊臂的危险截面的校验142.6 吊臂的强度校验162.7 工作压力选择173.随车起重机有限元分析173.1 ANSYS Workbench简介173.2上下回转部分静力学分析173.2.1上下回转部分的实体建模183.2.2材料183.2.3单元的选取和网格划分183.2.4载荷的计算及约束的处理193.2.5计算结果分析203.3伸缩臂静力学分析213.3.1伸缩臂的模型相关处理213.3.2工况分析与载荷计算223.3.3计算结果分析224.结论25参考文献25致 谢27随车式起重机起重臂结构设计摘要通过查阅国内外文献，本文首先具体介绍了国内外随车式起重机的发展状况，并通过仔细对比国内外随车式起重机各种参数及发展趋势，对起重臂的结构设计产生了一定的启发。由于本次设计的对象是起重臂，那么我们在设计起重臂结构的过程当中要首先考虑的是伸缩臂的连接形式，然后根据伸缩臂的规定长度来选择恰当的节数，并且通过查阅大量的文献和机械设计手册，准确地计算出出每节伸缩臂的尺寸长度。在设计每节起重臂的界面的时候，本文从材料力学的角度对抗弯模量、危险截面强度进行了校核和验证，最终我们对界面的尺寸和界面的形状做出了确定。关键词:随车起重机；起重臂；结构设计Lorry-mounted crane jib structure designAbstract:In this paper, the introduction had a more detailed analysis of the domestic and foreign lorry crane industry development and introduced the domestic and foreign lorry crane manufacturer, the type of product and prouct trends more detailed. The design of a small crane arm design, design boom in the course of the first to consider the telescopic boom is the connection forms, in accordance with the provisions of telescopic arm length choose a suitable number and access to relevant information calculated that each Festival stretching the length of arm size. In the design of each section of the arm to the mechanical application of the bending modulus and dangerous section of the check and cross-section of the strength of checking and verification of the final section the size and shape of a cross-section of the set.Keywords: lorry crane ; boom; Structure design 1 绪论1.1 课题背景自从有了人类文明，如何搬运物体变成了人类实践活动的一部分，这样的活动已经持续了上千年。随着人类科技的进步，单纯的人力搬运已经不能满足大型物料搬运了，那么作为物料搬运重要设备的随车起重机，在社会生产过程中应用越来越广泛，作用也越来越大，同时也对随车式起重机的要求也越来越高。借助于当今科技的进步，推动了随车式起重机的设计和制造能力的提高。随着世界经济一体化，激烈的国际竞争是人才的竞争更是科技的竞争。这些都促进了随车式起重机市场的变革和技术的革新。 在滁州学院机电学院我经过了四年的专业学习，对机械产生了浓厚的兴趣，现面临毕业，为了检验四年的学习是否使得自己具备了一定的能力；也为自己以后能够在自己的工作岗位上得心应手；更为了能够通过毕业设计给老师和母校交一份满意的答卷。所以我选择了随车式起重机重臂的结构设计来对我这四年的学习做一个总结。1.2起重机的介绍 起重机是在一定范围内垂直提升和水平搬运重物的多动作起重机械，又称吊车。起重机主要用来吊运成件物品，其具有间歇性运动的工作特点，即在一个完整的工作过程包括：取料、运移、卸载等。按照结构分类，我们可以将起重机分为臂架型起重机和桥架型起重机。臂架型起重机包含有门座起重机、塔式起重机、自行式起重机、浮游起重机、桅杆起重机、等；桥架型起重机包含有龙门起重机、桥式起重机、缆索起重机等。经过粗略统计，我国有大约12家汽车起重机生产厂家，其中徐重、北起、长起、浦沅、泰起和锦重六家在随车式起重机行业中占有主导地位。1.3国内随车起重机行业的格局 从20世纪70年代末我国的随车式起重机行业开始起步，近几年由于经济的增长，随车式起重机的产销总量呈现迅猛的增长势头。据报道可知，徐州徐工随车起重机有限公司、石家庄煤矿机械有限责任公司、武汉汽车起重机厂、湖南专用汽车制造厂、山西长治清华机械厂等作为随车式起重机的龙头企业。 徐州随车起重机公司组为了适应市场需求和跟上社会经济的迅速发展，于2001年9月徐州随车起重机公司正式组建完成。在消化吸收国外先进技术的基础上生产SQ系列伸缩臂式、折叠臂式随车起重机，并由航天部定点生产国防工程专用随车起重运输装填车、雷达车等产品，其产品曾批量出口伊拉克等国家。近两年来，依靠技术创新，取得了较快发展，2002年开发了近20个新产品，在国内处于领先地位，成为我国随车起重机行业的后起之秀。石家庄煤矿机械厂是我国较早生产直臂卷扬随车起重机的工厂，其产品风格和日本多田野TM-23系列相似，具有一定的市场覆盖率。山西长治清华机械厂是航空航天部直属企业，早期生产直臂式随车起重机。该厂引进瑞典希亚伯（HIAB）公司生产技术后，生产折臂式产品，无起升机构，采用变幅方式进行重物升降，具有欧洲产品的风格。 虽然我国通过对外开放搭上了世界经济发展的末班车，但是由于我国随车起重机起步相对较晚，由于国家的基本国情并不是很乐观，所以随车式起重机的发展速度并不快。最近几年，随车式起重机有了较快的发展，但是与国外相比，我们与国外相比还有很大的差距。根据最新研究成果发现，多田野在吊钩埋入式方面又提出了一种新的创新。这种方法是将吊钩水平收紧在吊臂的下平面上，当起重机行驶时，吊钩和绳索不会防碍驾驶员的视线，在雨天行驶还可减少钢索的油水飞溅到驾驶室正面的玻璃上，提高了行驶的安全性，也可防止以往的钢索固定方法，由于钢索舒适：多田野随车起重机的全部操作，都能用位于车架两侧的操作杆加以控制，操作极其轻便，不会使人感到疲劳，在升降、伸缩、回转、起落、支腿伸缩五个操作手柄上，均贴有明显的形象化标记，而且在回转手柄上切有细槽，因此即使在夜间也极易识别。还配置有线遥控装置，通过一根15长的电缆，操作者可一手拿按钮，另一只手扶重物，准确地进行起重作业。1.3.1随车式起重机力矩小 据有关资料显示，直臂卷扬是我国随车起重机的主要型号，严重受限于汽车底盘，起重力矩小，并且在其他指标方面也落后于国外。究其根源，由于资金限制，目前国内企业在随车式起重机的研究方面投入并不多，控制系统、液压系统=的技术水平与国外相比，也有很大一段差距。1.3.2操作不方便，安全装置不齐全 我国随车起重机仅装有起升高度限位及平衡阀、溢流阀等一般安全装置，全部为手动操作。而国外早已将电子技术广泛运用到随车起重机上，如带有微电脑的力矩限制器及防倾翻保护器等，并且已实现了有线与无线遥控。 1.3.3外形不美观目前，我国随车起重机外形过于呆板，忽视了和汽车外形的协调，但是国外对随车起重机外形有非常的重视，不仅在要求外形和颜色与卡车一致，而且还要求满足城市的主题。1.4 国外随车起重机行业现状在国外，随车起重机行业起步于20世纪40年代，距今已经有形成了几十年了，并且国外的起重机具有品种系列化、功能多元化、机电液控制一体化等鲜明的特点。同时国外由于劳动力缺乏，他们非常讲究工作效率，施工中基本不采用人工装卸。随车式起重机凭借其操作灵活性高，技术成熟，价格公道，其在国际市场占有很大的比例。目前，国际上有日本、意大利、德国、瑞典、美国、加拿大等国家的公司生产随车式起重机，其规模型号大约有几十种。欧洲国家从上世纪四十年代开始生产随车起重机，其中主要厂商有PALFINGER奥地利）、FASSI（意大利）、HIAB（瑞典）、FERRARI（意大利）、TIRRE（德国）等；在亚洲地区生产随车起重机的厂商主也有许多：多田野（日本）、加藤（日本）、尼克（日本）。在世界有名的起重机公司之间，各公司品种多元，功能齐全，特色鲜明，最吊臂长度已超过30m，大起重量已超过60t，最大起重力矩已超过1000kN。下面本文将罗列几家公司介绍一下。1.4.1瑞典世界上较早生产随车起重机的国家位于瑞典HUDAISA城的希亚伯（HIBA）公司，是近五十年来世界上居领先地位的、最富有创造力的随车起重机制造公司，早在1947年就生产了第一台起重机。该公司在丹麦、荷兰、西班牙设有分厂，并在60多个国家建立了完备的销售和服务网。HIAB公司生产的一般用途折臂式随车起重机，设计十分紧凑，行驶状态时的外形尺寸较小。除生产一般用途的随车起重机外，HIAB公司还生产伐木随车起重机、船用起重机、铁路轨道车随车起重机。此外HIAB公司还配备了多种附加装置如抓斗、吊篮、钻头、特殊板叉、装轮胎机械手等，使随车起重机除起重作业外还可完成散装物料装卸、钻孔、高空作业、成堆建筑板料装卸以及大型轮胎拆装等项工作，实现了一机多用。1.4.2意大利世界上随车起重机生产厂家最多的国家 意大利随车起重机年产量达万台，而且50供出口。该国的生产特点是：工厂小、产量大、品种全、出口多。共有FERRARI、PESCI、CORMACH、HEIAL等十多家生产厂，规模从几十人到一百多人，但每个工厂的年产量都在千台以上，且各厂均有自己较完善的系列产品。FERRIR公司设在意大利艾米利亚（EMILI）的PERRARI公司，从1970年以来就制造随车起重机，1998年以后该公司建立了一个完整的铰接的折臂式随车起重机“S”系列。 PESCI公司建厂于1860年，现在是专门生产铰接的折臂式随车起重机的公司，有SL、SM、SP三个系列品种。PESCI公司的产品，具有多节起重臂，并且可装有多种形式的附加伸长臂，并可选用种类繁多的附件，如钢丝绳卷扬机、抓斗、吊桶、遥控装置等。 CORMACH公司的一般用途随车起重机可用于拖曳和起吊集装箱。特殊用途的随车起重机可用作伸缩臂救险车。CORMACH公司产品的特点是吊臂伸缩采用了多级复合油缸，车架装设了前后H型支腿，四支点保证整车具有良好的稳定性。HEILA公司 HEILA公司的产品品种比较齐全，其特点是起重臂为折臂加伸缩式，并可加装副臂，以扩大其工作范围。1.4.3日本建立了对随车起重机综合评价的新概念维修业与建筑业的繁荣，致使日本国内市场对随车起重机的需求量大增，加藤、多田野、由尼克三家公司，是日本随车起重机的主要生产厂，它们的产品结构相似，因此只重点介绍一下多田野株式会社的产品。多田野生产直臂式、折臂式两种随车起重机，以直臂式为主。直臂式产品的特点是：吊臂为五边形断面，采用全动力伸缩，转台以3支点方式固定在车架上，此种支撑方式，能分散起重机在不平路面上行驶时产生在车架上的扭转应力，还配备了高起动力矩轴向柱塞马达的起升机构，能保证顺利起吊易于损坏的货物，其支腿可全伸或半伸，这样就使在狭窄工地上作业成为可能。此外备有幅度指示器、重量显示、过卷报警、吊钩安全止动销等多种安全装置。日本人根据当今的市场需求，建立了对随车起重机产品特征综合评价的新概念，即美观、安全、舒适、简单。美观：多田野随车起重机的外观设计，要求和城市的景观相协调，因此采用了带圆角的造型，以减轻人们过去对起重机的威压感。在着色上，实现了与卡车的一体化。安全：多田野随车起重机的安全装置，基本上是按照与汽车起重机相同而配置的。最近该公司又推出一种整机稳定性报警装置，它是根据液压支腿反力，测定出油缸的内腔。1.5 随车起重机的市场随车式起重机在国内还属于新型行业，目前正处于成长期。近年来，随着科技水平的进步和人类生活要求的提高，国内在随车起重机方面投入了大量的科研资金，取得了满意的成绩，并迎来前所未有的发展机遇。据不完全统计，2004年随车式起重机行业销售总量在3000台左右，2005年市场需求仍在保持平稳上升，预计2006年需求量还将上涨在10%20%，市场需求量为32003400台。 根据图1-1所示，虽然国家对社会主义市场经济仍在不断调控，但随着国家对环境的进一步规范，随车起重机将在我国保持持续增长的趋势。就目前行业发展来看，目前虽然我国随车起重机的底盘销量只占有卡车销售量的1，但是从国际化的角度来看日本随车起重机占卡车销量的25%左右，我相信随着我国汽车产业的飞速发展，随车起重机发展前景非常乐观。图1-1 2003年各生产企业市场占有率1.6 随车起重机的分类 随车起重机可分为桁架臂式和箱形臂式这两种。由于桁架臂自重较轻，所以其可接到数十公尺，因此桁架臂随车式起重机起重性能好。但是随车式起重机的吊臂需人工接长，特别不便，其基本臂不宜过长，以便于行驶转移。所以现在桁架吊臂做成折叠式，在转移时折叠成短臂，便于行驶，到工地后迅速撑开，投入作业。在伸缩式箱形吊臂上也常设有折叠式的副吊臂为适应快速转移，充分发挥随车起重机的机动性。更是由于液压伸缩机构的出现，伸缩式式吊臂得在各行各业得到了广泛的应用。吊臂在随车式起重机行驶过程中缩在基本臂内，无妨于高速行驶，当工作时伸缩臂伸到所需长度。所以随车式伸缩臂起重机有转移快，利用率高，准备时间短，同时能进入仓库、厂房、伸入窗口工作等优点。但考虑到吊臂自重较大，在大幅度时起重性能较差。 根据相关资料显示，世界上起重量在100吨以上的伸缩吊臂的随车起重机已有50多种，吊臂长度在60到90米左右，最大者已达100米。起重量超过100吨的箱形伸缩臂的轮胎式起重机为数尚不多(最大为250吨)，发展历史不长往往由于受到材料、自重结构、行驶尺寸和臂端挠曲等限制，箱形吊臂不能太长，一般在40米以内，个别最大者达50米左右。1.7 随车起重机现代设计方法概述 当今时代是计算机的时代，随着计算机技术的广泛应用，伴随着优化工程、系统工程、人机工程、价值工程等现代设计理论的不断完善和发展，促使许多学科交叉的现代设计方法出现，那么我国对随车式起重机的设计将进入高效的阶段。我们将以有限元分析方法作为工具，通过计算机使得力学分析从人工中解放出来，也是得计算力的从线性向非线性转变。结构分析往往是要解决的实际工程问题，如今机械结构已经不是单个的机械零件，而是多个复杂结构件的组合，或者是整个产品的大型复杂问题。那么我们在随车式起重机的起重臂结构比作复杂，必须必须引进局部的边界条件作局部分析。但是，从结构总体受力来看，局部的边界条件往往使结构的实际传力状况发生扭曲，结构件之间的弹性连接变为了刚性连接，无法正确反映结构件之间的实际传力关系。利用结构的这种局部分析结果评估结构整体受力后的结果，往往导致较大的误差。在工程设计中，局部分析不能替代整体分析，整体分析由于规模大、难度高，往往成为十分迫切与关键的瓶颈问题。但是，大容量、高速度计算机技术的发展，对整个产品进行结构分析，已经成为十分现实的问题了。飞机的整体求解，起重机的整体求解，都是这类大型复杂结构分析的典型例子。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。大型高效起重机的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。1.7.1计算机辅助设计(CAD) 计算机辅助设计是随着计算机普及而迅速发展起来的一门新兴的现代设计方法。计算机的发展与应用，对提高设计效率和质量、提高产品的质量具有特别明显的作用。同时电子技术和计算机技术又是相辅相成的，电子技术促进了计算机技术的发展，计算机技术有加快了电技术的更新换代，电子技术的发展使计算机的硬件性能提高，各种硬件设备不仅已形成了产品，而且己成为计算机辅助设计的一般配置。目前，计算机辅助设计方法已成为工程技术领域进行创造性设计活动不可缺少的手段之一。1.7.2模块化设计 模块化设计是一种先进的设计方法，其根据模块化原则，设计一些基本的模块单元，通过形形色色的组合以至于形成不同的产品，来以足不同用户的不同需求。本文将以随车起重机起重臂的模块化设计以功能分析为基础，将随车起重机上同一功能的基本部件、元件、零件设计成具有不同用途、不同功能的模块，这些模块具有相同的连接要素，可以互换，选用不同的模块进行组合可形成不同类型和规格的产品。1.7.3有限元设计 有限元设计是根据变分原理求解数学、物理问题的一种数值计算方法。它能整体、全面、多功能随意组合，进行静力、动力、电场、磁场等分析。对完成结构复杂的系统分析十分有效，现己在随车起重机结构计算中应用。1.7.4优化设计 优化设计方法可根据产品要求，通过选择合理的参数，以期达到最佳的设计目的。1.7.5动态仿真设计 国外近年来在起重机设计中采用了动态仿真设计的新方法，即用计算机对机构与结构在各种工况下承受载荷进行运行状态随时间变化过程的仿真模拟，得到仿真输出参数和结果，以此来估计和推断实际运行的各种数据，并在对起重机进行动态分析计算时用。1.8 随车起重机的组成及工作原理 随车起重机是将起重作业部分装在载重货车上的一种起重机。由于能载货、能起重、能载货、机动灵活等显著的优点，随车式起重机广泛应用于交通运输、土木建筑业（包括建筑工程、公路桥梁工程、市政修建工程、机械化基础工程等）电业、野外作业、石材业、码头的货物装卸及远距离转移货物，加装附加装置后，还可用于桥梁维修、高空架线及检测等作业中。 随车起重机将起重机安装在通用或专用汽车底盘上低盘性能等同于同样整车总重的载重汽车，符合公路车辆的技术要求，因而可在各类公路上通行无阻。此种起重机一般备有上、下车两个操纵室，作业时必需伸出支腿保持稳定。起重量的范围很大，可从8吨1000吨，底盘的车轴数，可从210根。是产量最大，使用最广泛的起重机类。2 机械部分的设计及验算2.1主要性能参数 随车起重机的主要性能参数是工作性能指标，也是我们进行机械设计的依据，主要包括起重升高度、起重力矩、自重、起重量、工作速度、工作幅度、通过性能等。2.1.1额定起重量随车起重机额定起重量是在各种工况下安全作业所容许起吊重量的最大质量值，包括取物装置重量。2.1.2工作幅度在额定起重量下，起重机回转中心的轴线距吊钩中心的距离。工作幅度决定起重机的工作范围。2.1.3起重力矩起重机的工作幅度与相应起重量的乘积为起重力矩，它是综合起重量与幅度两个因数的参数，能比较全面和确切地反映起重机的起重能力。2.1.4起升高度起升到最高位置时，钩口中心到支撑地面的距离。在标定起重机性能参数时，通常以额定起升高度表示。额定起升高度是指满载时吊钩上升到最高极限位置时从钩口中心至支撑地面的跟离。对于动臂式起重机，当吊臂长度一定时，起升高度随幅度的减小而增加。2.1.5工作速度随车起重机的工作速度主要指起升、回转、变幅、伸缩臂机构及伸臂收放的速度。起升速度指吊钩平稳运动时，起吊物品的垂直位移速度;回转速度指起重机转台每分钟转数;变幅速度指变幅时，幅度从最大(最小)变到最小(最大)所用的时间;伸缩臂速度指起重臂伸缩时，其头部沿伸缩臂轴线的移动速度。2.1.6自重指起重机处于工作状态时起重机本身的全部质量，它是评价起重机的综合指标，反映了起重机设计、制造和材料的技术水平。2.2随车起重机参数确定参考同吨位级别的产品技术参数，并依据所选底盘的参数情况，初定主要技术参数为:最大额定起重量(kN) : 2 最大起重量力矩(kNm): 5.6基本臂长度(m) : 1.8全伸臂长度(m) : 5主臂节数: 3最大工作幅度(m) : 3.3最大起升高度(m) : 2.5回转速度(r/min): 02. 5液压系统的最大流量（L/min） 40额定压力（Mpa） 20输出功率（KW） 202.3随车起重机吊臂截面类型选择随车式起重机伸缩吊臂的材料一般选用15MnTi，按照经验最好采用高强度的低合金钢。在形状选择方面，伸缩吊臂的截面积都选择矩形。其高宽比一般维持在1.21.9范围内。侧板一般选用薄钢板，厚度在326毫米范围内，我们通常会让侧板薄一下，因为可以减轻起重臂的重量，但是也得好好考虑其机械臂的失稳问题，那么有时候我们会在钢板上扎一条横向筋，为了增加它的刚度。也为了减轻重量，我们将在侧板上开大孔，并卷边加强。考虑到稳定性，底板我们将做的比侧板厚一点，一方面我们可以使截面中性轴下移，从而减少下底板上的压缩应力，同时另外一个方面满足下底板局部稳定的需要，在尽量减少自重的情况下，吊臂应尽量做成等强度式粱。整个箱形吊臂也可做成头稍细，根稍粗的棱锥体状，但大多数采用贴加强板的方法来改变截面的面积特性，在局部高应力处采用加强板局部加强。箱形吊臂做成各种截面形式：a)矩形，b)正梯形，c)倒梯形，d)八角形，e)椭圆形，f)大角形，g)五角形，h)槽形，i)角钢组合式。a.矩形的箱形截面最危险处为四角焊缝处，经过实际测试，我们发现在该处应力最大，也是应力集中的地方。为了增加工件寿命和坚守应力集中，可以采用其他截面形式。在钢材进过比较发现，在相同截面积也相同时，不同的截面形状可以得到不同的抵抗局部失稳的能力和不同的抗弯模量。经过比较分析，可以得出较合理的截面形式为椭圆形和八角形。b.梯形截面的横向抗弯刚度和抗扭刚度比矩形好。由于正梯形侧板的上半部拉应力较大，提高了侧板的稳定系数。c.倒梯形的下底板窄，可以避免下底板的局部失稳，其失稳是常见的失效形式。d.角钢组合式截面，材料的受力将集中在四个受力最大的角上。同时，由于焊缝出现在中部，这将大大改善了应力集中的现象。侧板上冲压棱形孔，一方面减少了吊臂质量，一方面巧妙的将侧板变成腹杆，有效地避免了板的局部稳定问题。但是，该技术工艺要求高，制造过程复杂，制造成本高。除去上述截面d,e,f,h外，其余截面在传递横向力和扭转时，我们将另外配置侧向滑块轴承。往往，因为滑块轴承在盖板上，或在侧板正下方时，对于工件将产生附加局部弯曲，或局部压缩，对于板的稳定稳定性不利。所以，在截面d,e,f,h,I等型式中避免了这种不利因素。对于吊臂不同部位，我们可以采用不同强度的材料，这样可以充分发挥钢材的性能，如上盖板用高强度的钢，下盖板用普通钢。正如上面所叙述的，想要进一步减轻箱形吊臂的重量，我们在采用高强度钢材的同时，小也需要确定合理的横截面积，以便于满足侧板的稳定性。尤其是在大型起重机上，这种问题尤其突出。 故我选择侧板2mm, 底板2.2mm。外臂高为185mm,宽为145mm;一节伸缩臂高为165mm,宽为125mm;二节伸缩高为145mm，宽为105mm。2.4箱形吊臂连接尺寸的确定箱形吊臂连接尺寸的确定包含下列的内容：一是吊臂根部铰点位置的确定，二是吊臂各节尺寸的确定；三是变幅油缸铰点的确定。2.4.1吊臂根部铰点位置的确定 经过查阅大量的文献，箱形吊臂根部铰点的位置与起升高度，吊臂长度和幅度有关。那么，我们将设吊臂的工作长度为Lw, 则： Lw=(H+b)-h/sin=1.8+1.5-2/sin30=5m 式（2.1） 式中b为吊钩滑轮组最短距离，其一般取值约为1.5-2米；eo, e1为根部铰点和头部滑轮轴心离吊臂基本截面中心线的距离，其带有符号，在中心线以下者往往表示为正，反之为负，Q代表吊臂仰角。从公式(2-1)中可见根部铰点离地高度h的大小在一定程度上影响了吊臂长度，如果其取大了，将使臂长减短，那么将使整车重心抬高。因此，h要选取得不大不小，一般在1.5-3.0米。但是，当根部铰点位在吊臂截面中心线上方时，则h可取大一些，反之则取小一些。当H以系列标准中规定的基本臂极限起升高度D代入，以L代入，其值小于最大仰角可从公式中求得基本臂工作长度,一般在计算中可忽略以求得的2Q，代入公式并以规定的最小幅度值代入，可得到吊臂根部铰点离回转中心的距离: e=(eo-e1)sinQ， 式(2.2)当Q取值较大时，则在一定的值下，e值变小，反之，则e取值较大。在其他条件不变的情况下，e取值大，可使上车重心后移，对于行驶时的前轴轴荷有利。但往往我们会为了同时满足R和H的要求，取较小值而使吊臂受力不利，取得较大些，吊臂根部铰点离回转平台面的高度h。为： h=h-h2-h1 =2-0.15-0.5=1.35m 式（2.3） 式中h为回转支承装置的高度，一般取值为01502米。这里需要指出，在确定吊臂根部铰点时，我们通过查阅机械手册，可参考同类型起重机的尺寸。往往在在吊臂根部铰点位置确定以后，我们再需利用前面所规定的最大起升高度H：将其代入公式(21)计算出主吊臂最大长度。随车起重机的结构复杂，是多个结构件的组合而成的，它包含转台、吊臂、伸臂、底架等结构件，以及变幅、回转、起升、伸缩等机构。在实际作业过程当中，吊臂相对于转台可以自由进行变幅与伸缩。而吊臂与转台的组合结构可绕回转中心360度自由转动。因此，对整机系统的分析，不仅需要需要研究人员将所有的结构件及机构加以考虑，而且需要将作业过程中的不同载荷工况加以考虑。为了控制整机分析的规模，模型的建立既要尽量理想化、简单化、典型化，又要较客观地反映出整机（特别是结构件连接部位）的应力分布、变形(刚度)及失效等问题。随车起重机最危险的工况是起重作业工况，它的传力路线是：重物吊臂变幅油缸支撑转台回转支撑底架伸臂垂直油缸地面。作业运动表明，吊臂的变幅、伸缩及吊臂与转台的组合结构的回转，对底架与四个伸臂的结构变形与应力水平有较大影响，有必要选择多种典型的作业工况加以计算。同时，还要根据工程规范，考虑风载、惯性载、作业场地的不平等多因素对整机受力的影响。整机系统的复杂性与控制分析规模的需要，整机模型的简化基于下述原则：确保整机的传力路线完整；确保整机典型作业工况的实用性；关键结构件的基本参数化；将整机分析与结构件分析紧密结合。吊臂的简化:首先，简化各节吊臂之间的连接结构及伸缩机构，吊臂简化为薄壁四边形或六边形盒体模型。为确保结构刚度，应注意变幅油缸支撑部分、根部与顶部的结构加强。吊臂的子结构坐标系的原点取在吊臂根部转轴的中心，X轴沿臂体方向指向顶部，Y轴与地面平行，Z轴指向上盖板方向。这样，吊臂与整体系之间的转换矩阵仅由两个角度确定：吊臂与地面的夹角，转台绕Z轴的转角180。若转台角等于零度，则吊臂顶部指向车的正前方。臂的简化:首先，简化各节吊臂之间的连接结构及伸缩机构，吊臂简化为薄壁四边形或六边形盒体模型。为确保结构刚度，应注意变幅油缸支撑部分、根部与顶部的结构加强。吊臂的子结构坐标系的原点取在吊臂根部转轴的中心，X轴沿臂体方向指向顶部，Y轴与地面平行，Z轴指向上盖板方向。这样，吊臂与整体系之间的转换矩阵仅由两个角度确定：吊臂与地面的夹角 ，转台绕Z轴的转角 180。若转台角 等于零度，则吊臂顶部指向车的正前方。整体结构的基本特点是结构规模大、组合形式复杂。目前，国际上解决大型复杂结构的分析问题通常选择子结构方法，或者结构超单元方法。由于超单元实际上是子结构的一种表达形式，因此这里仅说明子结构分析技术。对于任何一个大型复杂结构，总可以划分为若干结构件（简称为子结构），它们靠边界节点与整体结构相关连。如果将所有的子结构的边界节点组成一个集合，那么这个集合便表征了这个大型复杂结构的连接骨架，称之为边界结构。只要把各子结构对有关边界节点的刚度效应（或影响计算出来，并施加在这些边界节点上，则解决大型复杂结构问题便转变为求解规模小得多的若干子结构及边界结构问题。 当然，当边界结构和子结构足够大的时候，我们还可以再剖分为若干二级或三级的子结构。当然，这种多重子结构的使用，将带来分析流程的复杂化。那么，如何有效地剖分整体结构，这才是研究的难点。2.4.2吊臂各节尺寸的确定 进过查阅相关机械设计手册，我们发现主吊臂的最大长度Lmax，是由基本臂结构长度和伸缩臂外伸长度组成,Lmax=L01+L2+L3=L01+(L2+a2)+(L3+a3)=1.8+(1.45+0.15)+(1.45+0.15)=5m (2.4)式中L2，L3为伸缩臂的伸缩长度，而伸缩长度往往取同一长度L，则外伸长度L2=L3= L+a0 ， a2,a3为二、三节臂缩回后外露部分的长度，一般也取同一数值(a=025米)。若a0为臂头滑轮中心离基本臂端面的距离， 则基本臂结构长度(L21)加上a0即为基本臂的工作长度.见(2.2) L。L01十a0L1+a0=1.75+0.05=1.8m 式（2.5）式中a0为臂头滑轮中心离基本臂端面的距离而 a0(K一1)a=(3-1)*0.25=0.5m 式（2.6） 代入公式，得：LmaxL-(K-1)a+(K-1)L=L01+(K-1) L+(K-1)a= L。+(K-1) L=5m式（2.7）式中 K为吊臂的节数，这一参数取决于吊臂的最大长度和基本臂长度。基本臂工作长度L。可以取得比从公式(2.1)求得的大一些，但往往受到整车极限长度的限制。而主吊臂最大长度取决于起重臂的最大起升高度，经过查阅大量的文献，我们可以通过表21确定吊臂节数。再从公式(2.7)和(2.1)求得各节伸缩量. 第i节伸缩臂缩回后，除外露部分长度外，在前节(2.1)节臂中的长度为加上伸出后仍在前节臂内的那部分搭接长度, 搭接长度力求短些，以减轻吊臂重量。但是太短了，将使搭接部分反力增大，引起搭接部分吊臂的盖板或侧板局部失稳，同时也使吊臂的间隙变形增大。因此，搭接长度要选得适当，一般为伸缩臂外伸长度的1415(吊臂较长者取后值，较短者取前值，同步伸缩者可取后值),各节伸缩臂插入前一节臂内都留一段距离c，这是结构上的需要。我选择主臂为1800mm,二三两臂为1600m。 表2-1起重机吊臂节数最大起升高度H1（米）10-1516-1920-2930-40吊臂节数K22-33-44-52.4.3铰点位置确定 铰点的位置我们可以参考同类型起重机的数据来选取。再通过作图法，即可以修正参数。那么我们应指出，根部铰点O的位置并不是肯定会落在回转支承装置的前方滚道上。如果为使整个上车重心往后移，可将铰点O落在回转支承装置的后方滚道上。若考虑到在最大起重力矩工况时的变幅力不要过大，因而希望此时的力臂为最大，则最大受力时的变幅油缸的根部铰点将落在以最大力臂，为半径的圆的切点上，不论铰点O在何处，铰点O1,O2,O3；三者的几何关系必须满足公式。2.5 吊臂的危险截面的校验进过大量的测试，我们发现吊臂危险截面为固定臂与活动臂的接缝处。为此在设计的过程中，我们将对其强度和伸缩板的稳定性进行严格的校核计算。通过前面的参数确定，我们可以发现截面尺寸等条件如下：吊臂最大受拉：RD =61.74KN 吊臂拉力到危险截面的距离：L1D=1.6m，L2D =1.6m, L3=1.8mD危险截面对于X轴上部抗弯模量：WS=50 m3腹板的高度：H0=0.3m危险截面对于X轴下部抗弯模量：WX=65 m3臂的厚度：=0.004m许用应力(材料选用15MnTi)：=269Mpa（1） ，所以强度满足设计要求。截面腹板局部稳定性验算：查表得：MPa=78所以截面局部不失稳。（2） ，所以强度满足设计要求。截面腹板局部稳定性验算：查表得：MPa=85所以截面局部不失稳。（3） ，所以强度满足设计要求。 截面腹板局部稳定性验算：查表得：MPa=77 所以截面局部不失稳。2.6 吊臂的强度校验 吊臂的强度校核是机械臂结构设计的关键部分，吊臂的受力和变形需要分别考虑以下两种情况，在回转切向平面（z-x平面）和变幅平面（z-y平面）内各自分别考虑，这两种情况互不影响。也就是说，由于其对于矩形截面影响不大，我们可以先忽略了双向弯曲引起的弯扭现象，可用第四强度理论写出： 式（2.8）简化为： 式（2.9）设吊臂在6m处受力2.5KN,在4.5m处受力3.5 KN，在2.5m处受力5.5 KN。外臂高为185mm,宽为145mm;一节伸缩臂高为165mm,宽为125mm;二节伸缩高为145mm，宽为105mm。许用应力(材料选用15MnTi)：=322Mpa。就可以用公式校核如下：（1） （2） （3） 所以三臂截面不失稳。 2.7 工作压力选择表22 按载荷选择工作压力系 统 类 型 背压力MPa 简单系统或轻载节流调速系统0205 回油路带调速阀的系统0406回油路设置有背压阀的系统0515用补油泵的闭式回路O815 回油路较复杂的工程机械123回油路较短，且直接回油箱可忽略不计 一般，液压缸在受压状态下工作，其活塞面积为止，活塞杆径d与活塞直径D的关系，令杆径比5LdD，其比值可按表选取。 3.随车起重机有限元分析3.1 ANSYS Workbench简介 ANSYS有限元分析软件是世界上目前CAE的比较主流的分析软件。由于设计人员在传统的CAE软件设计研发过程中有许多不足和缺陷，对分析人员的能力要求非常高，同时在数据信息共享和传递过程中比较繁琐，而且在处理模型的过程中其能力一般比较弱。ANSYS凭借其友好的用户界面，多年来受到广大用户的喜爱，尤其是近年来兼并了FLUENT、CFX及Ansoft等软件，ANSYSCFX的集成技术在在ANSYS Workbench中取得了很大的进步，并且这个模块在应用的特别范围。3.2上下回转部分静力学分析 作为随车起重机中异常重要的支撑部分是上下回转部分，这部分连接着车架和伸缩臂，其能够满足回转和支撑的作用，往往由于工件基友受力情况非常复杂。这部分设计的好坏将直接影响到整个随车式起重机的安全性能。3.2.1上下回转部分的实体建模 我们的受力分析一般都是在ANSYS Workbench平台模型上所进行的，通常有间接法和直接法：面对结构并不复杂的工件，我们选择在该模块中直接建模，并通过旋转和拉伸这些基本的操作来完成比较简单的模型；有限元分析能够完成从工件建模到受力分析的完整过程，网格划分是有限元分析最为有效地建模分析方法。但是其也有不足之处，因为ANSYS并非专业的三维建模软件，在面对大型复杂工件的时候，其存在严重不足，其主要不足为： （1）在进行三维建模的过程中，ANSYS软件建成的工件模型比较粗糙，建模时不够直观并且费时； （2）由于ANSYS软件没有装配功能，建模的时候将接触的两个物体常常误认为是一个物体，所以在面对有接触关系的零部件时，该软件中将当做一个部件，除非建模的在零件之间留有空隙，但是如果这样做，将不能完全还原到几何模型的特征。 现在研究人员已经意识到这样的不足。通过优化和改进，ANSYS在与其他CAD建模软件之间已经可以能够建立无缝信息传递，也可以在建模软件中按照其要求建立相应的格式，再倒入到ANSYS中分析。3.2.2材料 经过大查阅文献，我们可以对随车起重机的上下回转部分选取TQ700MCD材料，这样的材料能够在性能方面进行大幅度的提高，材料都有非常高的刚度和强度，能承载很大的载荷，同时有很好的加工性能可以减少加工成本。其密度，弹性模量E=2.1，泊松比，屈服强度700Mpa。3.2.3单元的选取和网格划分 有限元分析的过程当中，误差是不可避免的，这往往是由模型的简化过度、网格单元的离散、边界条件不确定等原因引起的，其中以网格单元离散程度对计算结果有很大的影响，尤其是在精度和可靠性方面。网格划分的精度控制通常通过对分析计算结果观察，通过网格精度与计算结果变化来判断。观察：对模型初次静力学分析后，能在通用后处理器中，查看单元上没有作平均处理的十算结果。如：观察单元的应力等值线，通过将应力变化较大范围的网格密度加密一倍后进行分析，比较加密前后的分析结果，就可以辨别网格精细程度是否己满足要求。若前后两次的分析结果相差比较大，则需要继续加密网格精度；当网格精度加密对分析结果的影响不大，计算时间却成几何增长时，则停止网格精度加密，前一次的网格精度就是此模型在静力学分析中的最佳网格精度。 在网格划分的过程中，在对上下回转部分的挽歌划分先做抽中面处理，同时我们可以结合映射网格划分和自由网格划分这两种方法进行自由划分。网格选取要尽量规则，避免形状的畸形。在NSYS Worbench这模块中，上下回转部分模型的划分选取了这两种方法的混合，分别的壳单元（shell181)和六面体单元（solid186)，以壳单元为主。根据实验结果可知，壳单元适合比较薄到中等厚度的壳结构。退化的三角形选项是网格划分中的过渡单元，壳单元拥有应力刚化和大变形功能。最终得到83394节点，61835单元。其网格模型如图3.2所示。图3.2 模型网格划分3.2.4载荷的计算及约束的处理 经过大量的实验数据和文献介绍，选取随车起重机相关参数和指标，并结合相关规范。通常分析在随车起重机最危险工况，即起吊伸缩臂仰角为零，处于水平状态，伸缩臂全部伸展，长度为16.2mm时，起升额定重量3100kg。由Geometry中的Properties可知，臂架的质量为2614.7kg,上下回转部分质量为1224.2kg。 (1)自重载荷 (2)额定起升载荷 (3)自重振动载荷 取 （4）起升动载荷 （5）垂直载荷Q（6）风压P在正常工作时，该起重臂所能承受的最大风速为14.5m/s,工作时所允许的最大风速为 (7)作用在起重机伸缩臂上的风载 其中：C代表风力系数，经查阅机械设计手册，取1.75。由于风载荷相对垂直载荷差距太大，且风压面积不易测量，本文风压面积近似取伸缩臂第四节宽度乘于总长度，与实际风压面积相差不大，可忽略。 将伸缩臂末端的次折叠臂保留，将在端部建立坐标系加载一个远端载荷Remote Force分别加入垂直载荷和风载荷（按经验加入风载