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35 履带 起重机 系统 设计 说明书 仿单 cad

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毕业论文（设计） 35 吨履带起重机臂架系统设计 学 生 姓 名 ： 林 兆 壬 学 号 ： 20070900 指 导 教 师 ： 赵成喜（讲师）于吉鲲（助教） 专 业 名 称： 机械设计制造及其自动化 所 在 学 院： 大 连 水 产 学 院 2008 年 6 月 目 录 摘 要 I 1 章 履带起重机概述 - 1 - 带起重机简介 - 1 - 外履带起重机发展状况 - 1 - 内履带起重机发展状况 - 3 - 带式起重机的发展趋势 - 5 - 带起重机臂架简介 - 5 - 人工作重点 臂架系统设计 - 8 - 第 2 章 臂架的结构形式 - 9 - 计参数 - 9 - 业工况 - 9 - 构速度 - 9 - 架的结构型式 - 9 - - 10 - 第 3 章 臂架系统的计算 - 12 - 选材料许用应力计算 - 12 - 6345B)许用应力计算 - 12 - 0用应力计算 - 13 - 臂的计算 - 13 - 大起重量工况计算 - 14 - 长主臂工况计算 - 25 - 臂的计算 - 26 - 大起重量工况计算 - 27 - 长副臂工况计算 - 36 - 杆的计算 - 37 - 定副臂撑杆整体稳定性的计算 - 37 - 定副臂撑杆下铰点销轴和单耳计算 - 40 - 索的计算 - 40 - 大连水产学院本科毕业论文（设计） 臂拉索计算 - 40 - 定副臂拉索计算 - 41 - 结 论 - 43 - 致 谢 考 文 献 - 45 - 大连水产学院本科毕业论文（设计） I 摘 要 履带起重机是广泛应用于 电力建设、市政建设、桥梁施工、石油化工、水利水电等行业 的一种起重运输设备，随着经济建设的发展，对其需求越来越大，对其性能的要求也越来越高。 本次设计的 35 吨履带起重机是 35 吨履带起重机的臂架系统设计，臂架是履带式起重机的重要构件之一，臂架设计 得是否合理，直接影响着起重机的起升能力。 本文主要内容包括：国内外履带起重机发展状况的比较，桁架臂的介绍，主臂、副臂及撑杆结构设计，臂架的强度、刚度和稳定性计算，臂架连接处强度的校核。同时完成臂架系统装配图，主臂、副臂及撑杆的装配图和相关零部件的工程图。设计过程采用 软件进行三维实体建模，并进行虚拟装配，最后应用其工程图模块转化为二维工程图。本次设计的 35 吨履带起重机参考了抚顺挖掘机制造责任有限公司的带起重机，并且严格按照起重机设计规范、机械设计手册进行设计，其性能和质量满足相关 要求。 关键词：履带起重机，臂架，强度，稳定性 大连水产学院本科毕业论文（设计） 5t is a of is in of in of is of is 5t is a is 5t s is of of to of of s a of of of of of of of at be as of We to D D is to In we to to 连水产学院本科毕业论文（设计） 第 1章 履带起重机概述 - 1 - 第 1 章 履带起重机概述 带起重机简介 履带起重机是将起重作业部分装在履带底盘上、行走依靠履带装置的流动式起重机， 可以进行物料起重、运输、装卸和安装等作业。履带起重机具有接地比压小、转弯半径小、可适应恶劣地面、爬坡能力大、起重性能好、吊重作业不需打支腿、可带载行驶等优点，并可借助更换吊具或增加特种装置成为抓斗起重机、电磁起重机或打桩机等，实现一机多用，进行桩工、土石方作业，在电力建设、市政建设、桥梁施工、石油化工、水利水电等行业应用广泛。履带起重机的带载行驶、臂长组合多、起重性能好、作业高度和幅度大是其独有的无与伦比的优势，具有其他起重设备无法替代的地位。 随着经济的高速发展，国家基本建设的规模越来越大，需要吊运 的物品的质量、体积和起升高度都越来越大，履带起重机愈来愈显示其优越性，市场容量迅速上升，引起了国际知名厂商的关注，国内起重机行业也兴起了履带起重机开发热潮。 外履带起重机发展状况 目前，国外专业生产履带起重机的厂家很多，德国的主要生产厂家有利勃海尔（）公司、特雷克斯 德马格（ ）公司、森尼波根（）公司，美国主要生产厂家有马尼托瓦克（）公司、林克 贝尔特（）公司、公司，日本的主要生产厂家有神钢（ ）公司、日立住友（ ）公司和石川岛（）公司，其中利勃海尔、特雷克斯 德马格、马尼托瓦克、神钢、日立住友等公司产品系列较全，市场占有率较高。表列出了国外履带起重机主要生产公司系列型谱。 德国利勃海尔（）公司 利勃海尔公司，一个以塔机起家、拥有余年历史的家族式跨国公司，是世界著名起重机生产厂家之一，该公司的产品技术先进，其生产的系列履带起重机最大起重量已达吨。 该公司产品主要特点有：系统为全液压驱动、电液比例控制， 可实现无级调速且传动平稳，具备完善的自拆装功能，主副钩可单独工作亦可交替使用，自动安全保护合理，大吨位履带起重机安装全球卫星定位通讯系统，厂家对其产品进行实时监控，另外为充分发挥臂架的起重能力、提高整机的稳定性大吨位履带起重机均增加了超起装置。目前的产品系列为型吨、型吨、型吨、型吨、型吨、型吨、型吨、型吨、型吨、型吨，在中国市 场上销售的履带起重机主要有型吨、型吨、型吨、型吨和型吨级履带起重机。 大连水产学院本科毕业论文（设计） 第 1章 履带起重机概述 - 2 - 德国特雷克斯德马格（）起重机公司 德马格原属德国曼内斯曼集团旗下的企业，由于该集团产业结构调整，产权转让给了特雷克斯。德马格的履带起重机制造和经营历史很长，技术上与利勃海尔有一定差距，但价格比利勃海尔稍低一点，又比日本产品高不少。德马格公司主要生产起重量从吨到吨的系列履带起重机，主要为型 吨、型吨、型吨、型吨、型吨、型吨、型吨、型吨、型吨、型吨、型吨、型吨。 德马格的系列履带起重机，进入中国市场也很早，在国内的有一定的市场占有率，这两年来，由于国内对大吨位履带起重机的需求大幅增长，该公司在中国的销售业绩不断攀升。 总的来说德国的履带起重机产品讲究高性能、高新技术，德国利勃海尔公司和特 雷克斯 德马格起重机公司的履带起重机代表了国际先进水平。 美国马尼托瓦克（）公司 美国马尼托瓦克公司是世界著名起重机设计制造厂家之一，它创建于年，当时是造船厂，年开始生产起重机，年开始生产制造多种类、多型号起重机。马尼托瓦克生产的履带起重机起重量从吨到吨，其吨及以上履带起重机产品的生产量在全球占有较大的份额。产品系列为吨、吨、吨、吨、吨、吨、吨、吨、吨、吨、吨、吨、 吨、吨。 该公司产品主要特点有：以水冷柴油机为动力，广泛采用可控变矩器（即系统）；为了改善和扩大司机视野，司机室可以上下左右调节位置，计算机监控，手触屏幕指令选择，先导比例控制，设计原则强调自装自拆功能。为了加大起重能力提高稳定性，采用了环轨型超起装置，环轨位于起重机行走装置的外围，让配重和臂架都作用于环轨上，则其所受到的载荷由环轨承担，环轨直径大，可大大提高整机稳定性和承载能力，其缺点是旋工前必须投入人力、物力和财力构筑“环轨”，施工中起重机无法移动，只能回转，限制了作业范围，吊装完毕后 ，还必须把它拆除。 日本国生产履带起重机情况 日本的履带起重机起步于年代，以机械传动为主，年代开始迅速发展，传动以液压为主。日本的主要生产厂家有神钢（）公司、日立住友（）公司和石川岛（）公司，日立住友是住友和曰立公司在年合并为“ ”品牌，主要生产起重量从吨到吨的系列产品，公司将销售市场转移至以中国为中心的亚洲市场，希望通过拓展中国市场，将其在全球的市场占有率扩大。 神钢（）公司早在年，开发了系列履带起重机，年开发了系列履带式起重机，年设计成功履带起重机，最大起重量吨，年升级换代为系列履带式起重机，现在部分系列升级为系列履带起重机，其开发的履带起重机产品系列化程大连水产学院本科毕业论文（设计） 第 1章 履带起重机概述 - 3 - 度高、性价比高，瞄准出口市场，深受发展中国家的欢迎，在全球范围内占有一定比例，主要生产的系列产品起重量从吨到吨，系列产品起重量从吨到吨。产品系列为吨、吨、吨、吨、 吨、吨、吨、吨、吨、吨、吨、吨、吨、吨、吨、吨、吨、吨、吨。近两年神钢（）在中国市场中吨位履带起重机的销售业绩较好。 总的来说，日本产品的技术性能与德国产品还是有相当差距，但其进步较快，价格比德国产品更有竞争力，所以它们还是比较适合我国一般履带起重机用户，它们在中国销售的产品规格大都为吨以下产品，也有少量达到以上的产品。 内履带起重机发展状况 我国生产履带起重机历史较短，“七五”期间以技术 贸易相结合的方式，分别从日本和德国引进中小吨位履带起重机生产技术，与世界先进国家相比，国内履带起重机的吨位小、系列化程度低、技术含量低，在设计和制造上还存在一定的差距。近年来，国内履带起重机发展迅速，技术水平提高很快，系列不断得到完善。 国内生产履带起重机的主有厂家有：徐州重型机械有限公司、抚顺挖掘机制造责任有限公司、中联浦沅、三一重工、抚顺工程机械有限公司、哈尔滨四海工程机械制造公司。据统计，各公司履带起重机的年产量从数台到台左右不等，产品以吨及以下吨位为主。 徐州重型机械有限公司 中国工程起重机的龙头企业，年，工厂斥巨资进行大规模技术改造，从国外进口多种高新设备，大型结构件的焊接和加工制造水平得到了大幅提升。该公司立足自主研发，向世界先进水平看齐，攻克了桅杆吊、臂架柔性随动调衡腰绳装置、分体式转台、计算机集成控制系统等的设计制造核心技术，已获得履带起重机方面八项国家专利，主要产品有、，系列齐全，多个产品填补国内空白，目前公司正在研制更大吨位履带起重机，将履带起重机系列做大做强。 抚挖 国内生产履带起重机历史 最长的企业，现已改制重组，更名为抚顺挖掘机制造有限责任公司，集原抚挖厂部分资产，进行了优化配置，主要产品有、等履带起重机。 中联浦沅 中国工程起重机主要生产企业，年开始进军履带起重机行业，年初推出吨履带起重机。 三一重工在年月上海的宝马会上展出了开发的吨履带起重机，目前在开发吨、吨履带起重机。 抚顺工程机械有限公司主要生产吨履带起重机。 大连水产学院本科毕业论文（设计） 第 1章 履带起重机概述 - 4 - 哈尔滨四海工程机械 制造公司主要生产吨履带起重机。 由于我国履带起重机起步晚，国内用户对履带起重机的认识较少，年之前市场容量较小，发展速度不快。近几年，国家基本建设规模扩大，国内用户对履带起重机优势的认识越来越多，履带起重机的市场升温较快，国外知名企业大规模进军国内市场，国内企业奋力与之较量，取得了长足的进步，但和国外知名企业相比，还有一定的差距，具体情况为： 品种少、产量低，但品种日见丰满、产量逐年递增 目前，国产履带起重机已经形成的产品系列，品种较少，中小吨位重复较多，而国外公司产品型谱的覆 盖面很大，最大起重量已达到吨；国内年产量低，只相当于国外一个公司的生产能力，未形成规模化生产，规模偏小就难以实现规模效益，使研发、销售、服务等整个价值链规模不经济。 为赶超世界先进国家，国内企业奋起直追。近年来，新品推出速度由 年种新品发展到 年、种新品，且新品吨位不断向大吨位发展，其中，仅徐重先后推出的新品就达、种，并且均为在国内率先推出的大吨位产品，伴随着新品推出的进程，以徐重为代表的实力型企业也已步入高端技术的成熟发展阶段，主要表现在四个方面：一是全面掌控了履带吊的几十项关 键核心技术；二是特种进口高强钢、特种复合材料等新材料、高端检测手段等新工艺的使用，确保了整机产品性能更可靠；四是经过连续多年的技改投入，整体制造工艺水平得以提升，有效满足高科技产品设计的需求。 在中国大型工程全面上马的环境下，自年以来的台发展到年的多台，年平均增长率约，即便在年受宏观调控的影响下，行业销量也比年销量增长近。此外，仅年上半年，国内履带起重机就进口台，国内需求的迅猛增长，使行业均看好履带吊市场，有实力的企业全力加大了对履带吊的研发投入，徐重 推出的中国首台吨履带吊就是在此环境下催生出的巨作。至此，国内履带吊已形成了吨 吨十几个型号较为全面的产品型谱，并且还呈现着继续向更大吨位发展的势头，从徐重相关部门了解到，吨、吨级履带吊的设计工作即将完成。 技术水平有差距但有全新突破 在系统及结构件的设计上仍存在一定的差距，大吨位产品功能尚不够齐全。徐重等企业全力进行攻关，为了简化拆装、减少辅助作业时间及对安装过程辅助起重设备的需求，徐州重型机械有限公司独家突破了桅杆吊专利技术，桅杆顶升机构能实现履带起重机的自拆装；目前正全力 攻克大型起重机的必备装置 超起装置的难关。向徐重这样的实力型履带起重机制造商，一向极为重视自主研发，经过持续投入和积累，已拥有十几项的核心技术，并持续在提升着自己的产品档次和竞争能力。在产品试验研究上下功夫，逐步完善试验、研究体系。并且，为确保设计的精确体现和产品性能和可靠性，公司定位国际化配套。总的来说，国外公司的履带起重机公司均有自己的核心技术，国内企业自己的核心技术正逐步形成，不断提升自己的产品档次和竞争能力是国内企业面临的紧迫任务。 产品可靠性有待进 步提高 大连水产学院本科毕业论文（设计） 第 1章 履带起重机概述 - 5 - 近几年，国内企业在履带起 重机技术上取得了一些突破，但由于起步较晚，与国外相比，产品可靠性还有待进一步完善提高。目前在产品开发过程中，立足国际化配套，性能和可靠性得到了很大提高。 国外市场拓展 今年上半年，国内履带起重机进口台，国内企业履带起重机出口仅为台，贸易逆差甚巨。国产履带起重机首先应在国内市场站稳脚跟，在短期内，加大对于进入门槛不高的发展中国家市场的拓展，也是扩大企业生产规模，推动国产履带起重行业快速成长的良策。 由国内外履带起重机的发展现状，可以看到履带起重机发展趋势有以下几个特 点： 为适应大型工程项目的需求，起重机正在迅速向超大吨位发展。 由于各种工程建设的大型化，所需的配套设备构件等的重量也不断增加，对超大型起重设备的需求也愈来愈多，为了实现起吊大的重物，在原有起重机的基础上增加超起装置，不仅扩大了履带起重机的工作范围，而且提高了履带起重机的利用率。目前履带起重机最大吨位已超过吨，例如德马格的型起重量为，利勃海尔的型起重量为。随着超起装置的不断完善，更大吨位履带起重机的开发已成为现实。 核心技术化 各大知 名企业均具有其独特的核心技术，并不断创新，努力保持在同行业内的领先地位。现在各大公司均下大力气研究开发自己的核心技术，以不断提升自己的产品档次和竞争能力。 操作控制系统的智能化 随着计算机技术和电子技术的不断发展，逐步完善的计算机控制技术和集成传感技术在履带起重机行业得到广泛的应用，先进的电子控制和电脑操作系统的配置已非常普便，德国利勃海尔公司在特大型履带起重机上还配备有全球卫星定位通讯系统。各种电子监控系统、运行作业时的在线故障检测和诊断、智能化总体控制等是今后履带起重机不断向智能化方向发 展的重要研究领域。 充分运用新技术、新材料、新工艺、新的设计方法，使整机性能大大提高 充分利用新技术、新工艺来提高产品质量，并不断开发新材料、新结构、新功能提高产品竞争力。例如抗拉强度的臂架材料已被广泛采用，从而大幅度地降低了臂架自重，提高了产品起重性能。整机的结构也逐渐采用高强材料，通过优化设计显著减轻整机重量，同时为保证整机稳定性，增加了必要的车身压重，这些都使得大吨位产品能够具有较高的性能和良好的经济性。 自行拆装系统 拆卸、组装性能是履带起重机的一个重要指标，由于履带起重机在公 路上无法自由行走，且体大笨重，必须拆卸才可运输，到达工作地点，再进行组装，需要辅助吊车。为减少或不用辅大连水产学院本科毕业论文（设计） 第 1章 履带起重机概述 - 6 - 助吊车，节省施工费用，因此研制自行拆装系统势在必行。目前中吨位履带起重机的自拆装系统已比较完善，大吨位的自拆装系统仍是难题。 模块化、系列化 工业生产方式和用户需求的多样性，使专用起重机的市场不断扩大，为了降低制造成本、提高通用化程度，采用模块组合的方式，形成不同类型和规格的起重机，以特有的功能满足特殊的需要，发挥出最佳的效用。例如履带起重机加装连续墙装置后即可实现成墙功能；履带起重机长主臂 时上部采用塔式副臂的臂节，组合成轻型臂，优化了臂架组合，拓展了吊臂的使用性能，节约了材料。目前，国外履带起重机的系列已较完善，国内也在不断完善起重机系列。 一机多用，扩大工作范围 为拓宽履带起重机的使用范围，国外履带起重机分为两个系列，一个是专业吊装履带起重机，一个是多功能履带起重机。多功能履带起重机除具备吊装功能外，还可以配置抓斗、打夯、打桩、钻机、电磁吸盘、连续墙挖掘等装置，进行其他作业。 重视产品变型和升级。 国际知名企业由于产品系列已较为完善，为了加快新产品推出的速度，不断地 在行业内巩固自己的地位，均十分重视产品的变型和升级，这样也具有良好的经济性。 人机工程化 按照人机工程原理，对驾驶室的舒适性、操作性、布局合理性、视野及安全更加考究，产品处处体现以人为本的理念，从操作方便性、舒适性、视野等无不符合人机工程学，甚至于一个扶手、一个梯子、走台板的布置、防滑措施等，另外，为了减轻维修保养的劳动强度，大型履带起重机上普遍采用了集中润滑系统 带起重机臂架系统简介 履带起重机臂架主体结构一般采用空间桁架结构，桁架结构与板梁结构相比具有重量轻、用料省刚度大、迎风面 积小等优点。 履带起重机的臂架组合方式有单主臂、主臂带固定副臂、主臂带塔式副臂 ,如图 1 所示。有时还采用超起装置、超短副臂、轻型臂等特殊组合方式。固定副臂工况是副臂与主臂的相对角度不变，通过改变主臂的角度来实现变幅。塔式工况是主臂相对不动，通过改变塔臂角度来实现变幅。从主臂变幅方式来看，有只带人字架的、只带桅杆的及人字架加桅杆的方式。这些方式可以任意组合，形成不同的方案。 大连水产学院本科毕业论文（设计） 第 1章 履带起重机概述 - 7 - (a) (b) (c) 图 1. 臂架组合方式 (a) 主臂 (b) 塔式副臂 (c) 固定副臂 (a) (b) (c) 图 2. 主臂变幅方式 (a) 桅杆； (b) 人字架； (c)人字架加桅杆 大连水产学院本科毕业论文（设计） 第 1章 履带起重机概述 - 8 - 人工作重点 臂架系统设计 臂架是履带式起重机的重要构件之一，通过臂架能够将货物提升到一定的高度，改变臂架倾角可以达到变幅的目的，以增大作业范围。对于履带起重机，臂架设计得是否合理，直接影响着起重机的起升能 力、整机稳定性。本次毕业设计的重点就是合理地设计臂架系统的结构，并对其进行强度、刚度、稳定性进行 大连水产学院本科毕业论文（设计） 第 2章 臂架的结构形式 - 9 - 第 2 章 臂架的结构形式 计参数 业工况 最大起重量幅度： 35吨 主臂，固定副臂长： 12 42 米， 9 15 米 安装固定副臂的主臂长： 24 36米 副臂安装角： 10,30度 构速度 主副起升机构速度： 0110米 /分 变幅机构速度： 035 米 /分 回转机构速度： 分 行走机构速度： 小时 爬坡能力： 30% 架的结 构型式 桁架式臂架可以制成轴线为直线形或折线形的机构型式。其中，直线形臂架结构简单、制造方便、受力情况好。其缺点是不能很好地利用臂下空间，特别是当起吊庞大货物时，降低了起重机的有效起升高度（图 折线形臂架可以避免上述缺点，能够更有效地利用臂下空间，但折线形臂架的结构复杂，受力情况不好。在横向水平力的作用下，臂架受扭 1。 目前比较常用的是直线形臂架，如果想要增大臂下的空间，扩大起重机的作业范围，也可以在直线形主臂的端部安装直线形副臂（图 同样也可以达到提高起升高度的目的。本次毕业设计就 是采用这种结构的。 桁架式臂架的截面一般为矩形，空间的杆系分为弦杆和腹杆，均由型钢制成，它们可以使用无缝钢管、角钢等。本次设计的臂架采用无缝钢管。 由受力特点决定，臂架在变幅平面内相当于两端简支，所以两片桁架通常制成中间为等截面的平行弦杆，两端为梯形。对于回转平面内相当于根部固定，端部自由的悬臂梁，通常制成根部尺寸大、端部尺寸小的的型式。为了能够拼成不同长度的臂架组合，臂架的中间部分可以制成几段规格相同的等截面臂节。各臂节间采用销轴连接，通过改变臂节的数量来改变臂架的长度。 对于桁架式臂架的结构要特别注意臂 架的端部、根部与拼接区这三处的构造，臂架端部应设计得很刚强，通常在端部用钢板来加强腹杆体系。在靠近根部一段长度内的变幅平面桁架用钢板大连水产学院本科毕业论文（设计） 第 2章 臂架的结构形式 - 10 - 加强，这样能更好的将力传到转台上去。此外，为了保证桁架式吊臂根部的水平刚度，旋转平面的桁架应设置较强的缀板，并使缀板尽量靠近支承铰点。 近年来，桁架式吊臂多数采用钢管制成中间等截面、两端变截面的四弦杆空间桁架。现代的桁架式吊臂主要采用圆管制造，应为圆管杆件抵抗屈曲的能力强，风阻力小，杆件接头处力的传递好，价格便宜。 图 线形与折线形桁架式臂架 1 直线形臂架； 2 折线 形臂架； 3 直线形主臂； 4 直线形副臂 图 架式吊臂的局部结构简图 （ a） 端部；（ b）根部。 随着国内大型工程的不断建设，对于履带起重机的需求量也不断增加，但是目前还是国外的厂家占据着我国这个大市场的绝大部分。基于这样的实际情况，我们要设计自己的产品，增强产大连水产学院本科毕业论文（设计） 第 2章 臂架的结构形式 - 11 - 品的竞争力，逐渐以自主产品取代国外产品，并努力争取开拓国际市场。虽然现在国内的设计技术相比国外来说还有一定的差距，但是我们也应该看到自己的进步，相信这个差距会随着我们的努力而逐渐减小。 为了增强设计的产品同国外及国内同吨位的其他产 品的竞争力，经济性也是本次设计过程中所要考虑的重要因素之一。比如在选择臂架形式的时候选择自重较轻的桁架式而不选箱形臂架，是因为桁架式自重较轻，一方面能够提高起升能力，另一方面可以节省钢材，减小成本。还有就是在选择臂架的材料的时候，由于这次设计的属于小吨位，普通的低合金结构钢即可满足性能要求，所以就没有选择性能更高的高强钢。这样做一方面可以充分发挥材料的性能，避免浪费，另一方面，高强钢货源紧缺，供货期较长，而普通结构钢相比之下就有很大的优势，并且价格相对比较便宜。在臂架的设计过程中，通过分析臂架的受力，调整臂 架的机构，充分发挥材料的性能，这样不仅可以提高起升能力，而且可以节省材料降低成本。 相信当产品推向市场的时候，将是一款有竞争力的产品，可以满足用户的需求，必将在小吨位履带起重机市场受到欢迎。 大连水产学院本科毕业论文（设计） 第 3章 臂架系统的计算 - 12 - 第 3 章 臂架系统的计算 臂架是履带式起重机的重要构件之一，通过臂架能够将货物提升到一定的高度，改变臂架倾角可以达到变幅的目的，以增大作业范围。 对于履带起重机，臂架设计得是否合理，直接影响着起重机的起升能力、整机稳定性。因此，合理地设计出具有足够强度、刚度和稳定性，自重又轻的臂架有着非常重要的意义。 选材 料许用应力计算 6345B)许用应力计算 主臂、副臂及撑杆均选用低合金结构钢 16拉强度 30 ，屈服强度 45 。材料的许用应力根据起重机设计规范中规定的方法进行计算 3，其中载荷组合选取考虑了基本载荷和附加载荷的载荷组合。 钢材屈服强度 s 与抗拉强度 b 的比值为： (所以应按表 14 决定。 安全系数 33.1n ； 拉伸、压缩、弯曲许用应力 (剪切许用应力 (端面挤压许用应力 ( M P M P 032 5 93 M P 1 12 5 大连水产学院本科毕业论文（设计） 第 3章 臂架系统的计算 - 13 - 0用应力计算 销轴均采用合金结构钢 40拉强度 35 ，屈服强度 40 。材料的许用应力根据起重机设计规范中规定的方法 进行计算，其中载荷组合选取考虑了基本载荷和附加载荷的载荷组合。 钢材屈服强度 s 与抗拉强度 b 的比值为： (所以安全系数应按表 14 中规定的选取。 安全系数 : 33.1n ； 基本许用应力 : (剪切许用应力 : (端面挤压许用应力 : (臂的计算 根据主臂长度的技术要求，将主臂顶节和底节均定为 6m，标准臂节的长度有 3m 两种长度规格。主臂长度参数及组合见下表 表 臂长度组合 主臂总长 12m 15 18 21 24 27 臂节组合 6+6 6+3+6 6+6+6 6+3+6+6 6+6+6+6 6+3+6 +6+6 主臂总长 30 33 36 39 42 臂节组合 6+6+6 +6+6 6+3+6 +6+6+6 6+6+6 +6+6+6 6+3+6+6 +6+6+6 6+3+3+6+6 +6+6+6 注：总计： 1个 6m 底节、 1个 6m 顶节、 2个 3m 标准节、 4个 6m 标准节 臂架在作业过程中，臂端承受起升载荷、拉索力及起升绳力的共同作用，如果带副臂，还将承受副臂及撑杆对它的作用力，由它的受力情况看，臂架主要承受轴向压力。其最不利的工况是吊载最大起重量 35t，风侧向吹， M P an b s M P 833 9 63 M P 9 43 9 大连水产学院本科毕业论文（设计） 第 3章 臂架系统的计算 - 14 - 工况，此时臂架受轴向压力和侧向载荷的同时作用。另一种危险的工况是最长主臂工况， 42 m 臂长、 度工况，此时臂架整体 的 稳定性较危险。 表 臂的截面性质 项 目 数 值 项 目 数 值 弦杆尺寸 (76 5 腹杆尺寸（ 40 个弦杆截面面积 (个腹杆截面面积 (个弦杆惯性矩 I (105 单个腹杆惯性矩 I (104 单个弦杆旋转半径 r (个腹杆旋转半径 r (准截面 惯性矩 109 标准截面 抗弯模量 106 标准截面 惯性矩 109 标准截面 抗弯模量 106 标准截 面 旋转半径 准截面 旋转半径 节 危险截面位置 (距 滑轮 )(1500 底节 危险截面位置 (距臂根 )(2500 顶节 危险截面 (宽高 )(631 532 底节 危险截面 (宽高 )(1200 592 顶节危险截面惯性矩 108 底节危险截面惯性矩 109 顶节危险截面惯性矩 108 底节危险截面惯性矩 108 顶节危险截面 抗弯模量 106 底节危险截面 抗弯模量 106 顶节危险截面 抗弯模量 106 底节危险截面 抗弯模量 106 大起重量工况计算 表 臂最大起重量工况数据 项 目 数 值 项 目 数 值 起重量 (35起升载荷动载系数 2 作幅度 (m) 升绳力 (架仰角 (升绳与臂架轴线夹角 (索与臂架轴线夹角 (升冲击系数 1 长 (m) 12 臂架自重 (t) 连水产学院本科毕业论文（设计） 第 3章 臂架系统的计算 - 15 - (1) 载荷计算 2 图 架受力简图 起升绳力 (式中， 2 起升载荷冲击系数 : ； Q 起升载荷； ,m 起升倍率与滑轮组效率： 根据力矩平衡原理，对臂架铰点取矩，得 拉索力 ： (式中， L 臂架长度； 臂架仰角； 1 臂架自重冲击系数； m 臂架自重； 起升单绳与臂架轴线夹角； g 变幅拉索与臂架轴线夹角； 臂架在危险截面的轴向力 变幅拉索力、臂架自重、起升载荷和起升单绳拉力合力 ： 12Q F s h g B 臂架 L 臂架截面性质 y y x x 宽 高 2 9 5 ( 1 6 i n 2 3 . 7/)s i n 1 . 8 5636.c o s 7 67c o gL s i n/()s i g L c o c o s( 大连水产学院本科毕业论文（设计） 第 3章 臂架系统的计算 - 16 - (臂架自重垂直于臂架轴线的侧向均布载荷 s 7 m g c o (旋转平面内 由货物偏摆和臂架风载及惯性载荷引起的 侧向集中力 T： (式中， 载荷是通过钢丝绳悬挂在臂架端部的，载荷在风力和回转机构的起动和制动过程中的惯性力作用下偏离铅垂线一个角度（规范规定 =3 6）； 臂架侧向风载，以 40折算到臂架头部 q L HP w ( (式中， 222 / 风侧向吹，工作风压为一类风压： 2/ C 风力系数， 076(70 232 取 ； q 计算风压； 结构充实率，对于钢管桁架结构，取 ； 两片相邻桁架前片对后片的挡风折减系数； 根据 ，取 。 4 0 (2) 临界力 算 变幅平面内： 8 yy n I 0121212m 臂架属于桁架结构，故取 n=2 查表 臂架变截面长度系数为：2= 在变幅平面内，臂架可看为两端铰支，故取长度系数 11 ； 长细比y(换算长细比hy 72c o 8 51c o s i n 7 s i n 7 o o g s i nQ s i n 5 3 大连水产学院本科毕业论文（设计） 柔性臂架自行式起重机倾翻载荷 - 2 - 柔性臂架 自行式 起重机 倾翻载荷 S. T. . K. 耳其安卡拉 中东科技大学机械工程学院 16531 摘 要 在这一项研究中， 自行式 起重机的特性是利用 基于 柔性多体动力学 理论建模 分析 得到的， 用以确定起重机不 产生倾翻危险的 起重量 。只有起重机的臂架被假设成柔性的，因为臂架是唯一一个在吊载过程中挠度 较大的 部件 。用数学方程描述起重机的刚性 部件 与柔性部件 之间 的 相互作用与耦合 ，并且开发了用于进行动力学分析的 应用软件。 变幅油缸的推力因臂架的 仰角 不同而不同，臂 架运动的同时，变幅油缸的推力被计算出来， 同时绘制出载荷曲线，并且将结果与用一台10吨的自行式工程起重机实验得到的数据进行比较。 作为机械系统的起重机一般被看成包含柔性部件的闭环的机械装置。 在以臂架的角度位置作为自变量来确定起重机额定起重量的时候，就需要用到动力学的解决方法。 目前只有极少数关于自行式起重机 的 动力学分析控制的研究，并且这些研究中的大部分 都 没有考虑部件的挠性。 立了一个动力学模型，用于控制一个同时进行三种运动 （回转运动、起升运动、变幅运动） 的柔性回转起重机 1。 只有主臂与副臂间的连接被假设成为柔性的，这样假设的目的是能够使载荷得到恰当的转化， 这样在转化结束时，载荷幅值的摆动能够以最快的速度衰减。这个能够对起重机进行实际载荷和额定载荷对比显示并加以限制的系统在巴尔干半岛上得到应用，这个基于微 型计算机 的 控制 系统 是通过油压和臂架仰角 来确定当前吊钩的实际载荷的。 在这篇文章中，起重机的特性是通过柔性多体动力学来分析得到的。 给出了 柔性多体动力学的 动力学和运动学方程 ， 同时开发了 对起重机进行动力学分析的应用软件。 在多体动力学分析时，系统的刚性联接和柔性运动通过运用绝对的耦合 和形 参 变量 用公式来表达 3, 4。 然后， 部件间的连接 和 指定的运动用约束方程来描述 。 柔性体是通过有限元方法来模拟的，形参变量 是通过模型转化 得到的， 用以代替弹性变量。 变幅油缸的推力因臂架的角度位置不同而不同，臂架运动的同时，变幅油缸的推力被计算出来，通过开发的应用软件来图示弹性效果。 同时绘制出臂架不同仰角的载荷曲线， 并且将结果与 起重机 制造厂家提供的 数据进行比较。 柔性臂架自行式起重机倾翻载荷 - 3 - 我们用 一台 930 型 自行式起重机的倾翻载荷控制的实验数据用于开发的软件的计算，并且 用了这台起重机的结构和参数 5。但这个分析方法只要经 过简单的修改就可以用于类似的起重机的分析。 重物吊在吊钩上，臂架起升，因为重物起升过高非常危险，重物的高度是通过 测量 起升绳 的长度 来控制的。在重物起升、下降和运输时，起重机是不能回转的， 这是由于一些限制条件，比如重物非常大或非常重、空间问题等。 在臂架的每一个角度位置都对应着一个最大载荷，超过这个载荷后起重机很有可能倾翻。因为臂架的仰角只有在重物起升或下降时才会发生改变， 而且恰巧 这 又 是个平面运动，所以建模和分析计算都是在二维空间进行的。 图 意 图 柔性臂架自行式起重机倾翻载荷 - 4 - 图 单位： 000;7500;823;850;65;455;350;05 图 1 表示实验用起重机的示意图， 图 2 表示它的动力学模型，模型共分成五部分。 横截面、材料特性及各部分的尺寸是通过技术数据文件和直接对实验起重机进行测量得到的。部件 1（臂架） 的横截面是个空心的多边形，壁厚为 t，如图 3 所示。 这个横截面的尺寸线性地从 大到 G，又线性地从 G 减小到 C，截面 G 和 C 的尺寸如图 3 所示。部件 2 是个圆柱形的杆，直径 25件 3 是个液压活塞杆，直 径 180厚 20件 4 是变幅油缸筒，内径230径 246 长 3440件 1 的弹性模量和密度分别为 200750kg/它部件的密度均认为是 7850kg/ 图 （臂架）横截面 .（单位： 柔性臂架自行式起重机倾翻载荷 - 5 - 当考虑 了 各部件的尺寸（长度和横截面）和弹性模量 ，就可以只认为部件 1（臂架）是弹性的，这样的话其他部件均被假设成是刚性的。 在对起重机进行分析时要考虑以下假设： 件 4）的质量中，液压缸质量的改变是由于考虑了缸内的液压油质量的改变； 且通过一根被看成是刚性杆的绳子连接到臂架 头部。这根绳子在平面内可以绕 只要这个杆相对于垂直位置的摆动很小并且这个杆仍然处于张紧状态时 这个假设就是正确的。 在正常操作速度和吊重下这些条件都符合 ； 用 是通过在起重机臂架升降过程中改变绳长来实现的。 令 示一个部件的结构，部件 k 的变形 通过这个 系数来定义， n 表示一个确定的结构。 令 k 表示结构 原点的位置， k 表示部件 利用有限单元法，部件 k的 的变形位移向量 ： u （ 1） 其中 是 形的单元形函数矩阵， 单元间联系的 坐标变换 矩阵，k 单元节点位移向量。 点 （ 2） 其中 点 Q 到 P 的变形后的位 置向量， 是 变形协调矩阵， n 的坐标变换矩阵， ， k 是用于减小弹性变形的模型转换变量， k 是模型形变向量。方程（ 2）可写成： （ 3） 其中 影响系数矩阵， 部件 连接各个部件的系统 N 的连接处和角度指示在速度水平上用运动学约束方柔性臂架自行式起重机倾翻载荷 - 6 - 程表示为： Cy=g （ 4） 其中 下式确定： y(1)T y(N)T （ 5） 方程： Q+d+F （ 6） 其中是约束反力向量， M 是质量矩阵， Q、 F 分别是 性力向量、阻尼力向量 和实际力向量，分别为： )()1(00， )()1(, )()1(, )()1(, )()1(（ 7） 质量矩阵 k 为 （ 8） （ 9） 其中 单元的数量， 单元的体积， 是它的密度。 00， 00（ 10） 其中 在仿真时，结构的质量和 用于组成 %的衰减。 在平面系统中， 小到 ，其中 k 是个标量。 成 ，其中 是 据 k 变换而来的。 当公式（ 8）和（ 9）中由空间决定的变量分离后，就能获得 3,4不随时间改变的矩阵。 )5()5()4()4()3()3()2()2()1()1()1( （ 11） 柔性臂架自行式起重机倾翻载荷 - 7 - 0)1(1 ， 0)1(2 ， 0)2(1 ， 0)2(2 ， 0)4(1 ， 0)4(1 （ 12） 0)2(2)2()2()1()1(1)1(11)1()1(2 )1()1( （ 13） 0)2()1()1(11)1( （ 14） 03)3(22)2()2( 32 DD （ 15） 043 ， 0444432 BB （ 16， 17） 0511111111111 （ 18） 31 （ 19） 臂架是靠驾驶员控制的液压缸来驱动的， 一般来说，运动的整个过程中液压缸以恒定的速度 0v 运动，所以臂架和活塞的振动都能控制在一个很小的水平上。为了避免冲击载荷的产生，活塞的开始运动时速度从 0增大到 0v 以及最终停止时从 0v 减小到 0，速度的变化假设成随时间呈摆线形变化。这个理想的速度曲线如图 4所示，并可用下列方程描述： 32232232230021011102s i i （ 20） 如果部件 1和 2 的绞点在不同的位置，这个系统将变成一个不能动的结构。系统之所以能够运动是因为 二者绞点位置相同。所以，部件 1和 2的约束方程是线性相关的。由于这个原因， 其中的一个约束方程可以分解以减少线性损耗。 图 柔性臂架自行式起重机倾翻载荷 - 8 - 图 重 升时间 30s） 图 重 升时间 10s） 图 、 8、 13的横向位移（载荷 升时间 30s） 活塞反力（ 臂架仰角（度） 活塞反力（ 臂架仰角（度） 横向位移（ m） 臂架仰角（度） 柔性臂架自行式起重机倾翻载荷 - 9 - 图 、 8、 13的横向位移（载荷 升时间 30s） 图 9.（ a）节点 13的横向位移的时间响应 （ b）节点 13的横向位移的 快速傅氏变换算法 用于 分析 实验用起重机的应用软件已经开发 完毕。 在这个软件中， 部件 1（臂架） 的 其中任 一个有限单元 的 形 函数 可以代换其他 任何一个 。 经对臂架的工作范围内，臂架运动 的 30s 过程 做了实验 2,选取这个速度是为了减小弹性变形的作用。 在研究中测量了液压系统的压力和臂架的仰角位置。 由于臂架的 振 动而引起的油压的 振 动已经通过控制系统过滤掉，所以在测量的数据中是看不到的。 实验起重机在起升过程中的吊重为 压系统油压的变化是在臂架运动的 30以 在臂架起升的 30压活塞的反力变化 与臂架仰角的变化有关，所以 可以根据 吊重 计算臂架处于不同仰角位置时的变幅油缸活塞反力。 臂架在起升的 30s 过程中不同仰角位置的变幅油缸活塞反力通过利用计算机代码 模拟出来，并且在图 5中给出。 臂架运动的 30s 过程的实验结果也同时在图 5 中给出。这些数据不包括活塞加速及减速过程。并且，由于臂架 振 动带来的影响已经被滤除，所以在图中是横向位移（ m） 臂架仰角（度） 柔性臂架自行式起重机倾翻载荷 - 10 - 不能看到的。 从图中可以看出，臂架运动过程中仿真的结果与实验数据非 常接近。 吊重 升时间 10s 时臂架不同位置的变幅活塞反力也通过计算机程序计算出来了，为的是模拟更有意义的弹性效果，如图 6所示。 在仿真时，臂架 被离散成 12个单元。其中 两个在 架横截面积从 线性地增加。另外的十个在 架的横截面积从 线性地减小。 部件 1 的阻尼是通过在最初两种模式基础上 依次 减小 2%来近似计算的。在模拟起升时间为 30s 时，假设臂架起升最初 后 减速过程。 在臂架起升时间为 10速和减速的时间分别假设为 1s。 吊重为 架起升时间为 300s 的两个工况时，节点 3（节点 3在臂架节点 之间）， 节点 8（位于臂架节点 之间），及节点 13（对应于臂架尖端节点 C） 的横向位移都根据臂架的不同仰角位置计算出来了， 分别表达在图 7 和图 8 中。 因为节点 3 的横向位移的数量级 为 10以这个节点的横向位移在图中是看不到的。 从图 5以看出活塞反力的幅度和平均值及节点的横向位移在起升时间为 100因此，臂架的弹性效果可以清晰 地 看出来。 在所有的仿真过程中，当臂架在起升过程中，变 幅活塞的反力 像 期望的一