高空作业车的转台结构设计及有限元分析【6张CAD图纸和说明书】

摘      要
  本课题针对GKZ系列车型转台部分的要求工作装置，对GKZ型高空作业车回转机构进行设计及分析。高空作业车由液压马达、回转减速器及回转小齿轮、回转支承等组成。进行回转时，液压马达输出动力，通过回转减速器减速后带动输出轴上的小齿轮旋转，小齿轮与回转支承的齿圈啮合，由于回转支承的齿圈与车架刚性连接，因而回转减速器带动与之相连的转台回转。
本课题确定了高空作业车回转机构的传动方案，采用的单排四点接触球式回转支承，此类支承的主要优点是同时承受轴向、径向力和复合力矩。适用子中小型起重机。转台的结构设计采用的是倒π型结构，前后两个高强板，左右各一个支承板，再加两个加强筋形成。对转台采用PRO/E进行建模，将建好的模型通过转化放入ANSYS中进行有限元分析，分析出变形最大和受应力最大的接触面，对分析的结果的提出改进方案，对改进后的方案进行有限元分析比较, 确定最佳方案。本方案的设计为同类转台的结构设计提供了理论依据和分析方法。
在课题设计的过程中使用的方法有：（1）在结构设计过程中主要对转台的的受力情况进行分析，计算出转台的受力大小和转台的自重，对传动齿轮的设计及强度校核，运用绘图软件PRO/E进行建模。（2）将模型导入ANSYS中，对转台的受力情况进行分析查看其分析的结果，确保转台的变形和所受的应力均能符合设计要求。

[关键词]：高空作业车； 转台结构设计；有限元分析；ANSYS        

Constructional design and analysis for turn-table of aerial work platforms

Abstract
According to the requirement of working devices of turn-tables in the machine series type GKZ, this paper presented the constructional design and analysis for slewing mechanism of aerial work platforms. The aerial work platforms comprised hydraulic motors, rotary speed reducers, revolving pinions, slewing bearings and so on. When the turn-table slewed, the hydraulic motor transmitted power output which enabled pinions on the output shaft to revolve. Pinions were meshed with ring gear on slewing bearings. Due to rigid connection between the ring gear on slewing bearings and the chassis, turn-tables were rotated by rotary speed reducers. Gear plan for slewing mechanism of aerial work platforms and constructional design for turn-table were presented.
Gear plans transmission for slewing mechanism of aerial work platforms was provided in which single-row four-point contact ball slewing bearings were adopted. The advantage of this type of bearing, which suited small and medium crane, was that it can bear axial force, radial force and compound moment at the same time. Configurations of anti type π were adopted in constructional design for turn-table, in which there were two high strength plates in tandem, two eudipleural supporting plates and two stiffened panels. Modeling and simulation of turn tables were obtained using PRO/E. The obtained modeling was transformation and analyzed by ANSYS Finite Element Analysis software. Consequently, contact area in the maximum of deformation and stress were analyzed. According to the results, improved schemes were presented, which were further analyzed and compared by finite element analysis. Finally, the best scheme was founded. This project provided the approaches of constructional design for the similar type of turn-table in theory.
The following methods were used in this project: 1) Force situation of turn tables were analyzed in constructional design, and force variation and mass of turn-tables were calculated. The design and intensity of transmission gear were checked. Modeling and simulation were obtained using drawing software PRO/E; 2) The modeling were imputed into ANSYS and bearing force of turn-tables were analyzed. The results ensured that the deformation of turn-tables and their bearing force would meet the design requirements.

[Keywords]: Aerial work platform; Turn-tables; Constructional design; Finite element analysis; ANSYS

目  录
第一章   绪  论 1
§1．1  引   言 1
§1．2  高空作业车的国内外发展概况 1
1.2.1高空作业车的国外发展趋势与动向 2
1.2.2高空作业车国内现状、差距与如何提高的方法 3
§ 1.3  高空作业车的组成 5
1.3.1工作机构 5
1.3.2金属结构 6
1.3.3动力装置 6
1.3.4控制系统 7
§ 1.4  本课题研究的意义 7
第二章   高空作业车的转台的结构分析 8
§2.1  高空作业车的转台总体结构设计 8
2.1.1转台的组成 8
§2-2  转台的受力分析 13
2.2.1转台的自重G 14
§2-3  上下臂的受力分析及计算 16
2.3.1上臂的受力分析 17
2.3.2下臂的受力分析 19
§2-4  回转支承装置的计算 21
2.4.1回转支承装置的计算载荷 21
2.4.2转盘式回转支承装置的计算 22
2.4.3按承载能力曲线选取合适的回转支承型号 22
2.4.4转盘式回转支承装置的计算 24
2.4.5按承载能力曲线选取合适的回转支承型号 24
§2.5  传动齿轮的计算 25
第三章   转台的有限元分析 28
§3.1  有限元方法的基础知识 28
§3.2  有限元分析软件ANSYS 30
§3.3  转台结构的有限元分析 34
3.3.1  实体建模 34
3.3.2计算模型 34
3.3.3有限元模型 36
第4章   结   论 43
致       谢 44
参 考 文 献 45

第一章   绪  论
§1．1  引   言
   工程机械广泛应用于经济建设的各部门，并且在整个经济发展中占有十分重要的地位。解放以后，我国的机械工业在十分薄弱的基础上，经过近五十年的艰苦努力，从小到大，从修配到制造，从仅仅仿造一般机械产品到能制造大型、中型、精密设备，从制造单机到制造重大成套设备，逐步形成了一个门类比较齐全，具有较大规模，较先进技术水平和成套水平不断提高的工业体系。
       80年代以来，工程机械发展速度快。其主要原因:一是我国在改革开放政策指引下，经济发展快，对工程机械的需要增多;二是从中央到地方给与发展的优惠政策，增加资金注入，加以扶植;三是引进国外多项先进技术，经过消化吸收，产品技术水平提高;四是，企业经过组织结构调整，相互合作，并在竞争中促使相互提高。但是我国工程机械与国外工业发达国家相比较以及与国内建设要求相比还有不少差距，还有许多问题A待研究解决。随着目前高科技产业的发展，尤其是计算机的出现及其广泛应用，它带动了整个工业的发展，在机械行业更为引人注目，设计上的优化等使机器向高精密化发展，带来了一场新的变革。当然一向以笨重著称的大型工程机械，更有着广阔的发展余地。
高空作业车作为一种大型的工程机械设备，日前广泛应用在船舶、建筑、市政建设、消防、港口货运等行业，是新兴的技术产业，有着广阔的发展前景。高空作业机械是在工程起重机械基础上发展起来的产业系统，只有二十几年的历史。尽管我国在高空作业车设计制造上取得了一些成绩，但是国内生产制造的高空作业机械同国外同类型高空作业机械产品相比仍有一定差距，土要表现为技术含量低、大型的较少、结构笨重、作业时微动性能差等问题。
§1．2  高空作业车的国内外发展概况
高空作业车的分类方式有好多种，按臂架的展开方式分类，有折叠式和伸缩式及混合式三种;按臂架的形状分类有，直臂式和曲臂式;按驱动方式分类，有自动式、拖动式和手动式等等。
1.2.1高空作业车的国外发展趋势与动向
国外高空作业机械属新兴行业，是在工程起重机械基础卜发展起来的高新技术产业系统，只有二十几年的历史。目前，专业生产高空作业机械的公司比较少。近年来，由于汽车起重机销售量下降及市场平淡，一批汽车起重制造公司，相继发展高空作业机械，但总计年产量仍不能满足市场需求，正处于发展时期。[1]
作业车的发展趋势
          国外高空作业机械，发展迅速，技术水平不断提高。工业发达国家，一般都有专门的跨国公司和集团主营和兼营高空作业机械，如美国GROVE公司(格鲁夫)和GENIE(吉尼公司)、英国COLES公司、S I-MON公司(西蒙)、意大利RICO(利高)、芬兰BRONTO公司(波浪涛公司)、日本的多田野和爱知株式会社等。高空作业机械的底盘分通用型和专用型，采用通用汽车底盘的高空作业机械，机动灵活，能快速转移，作业高度较高，采用专用底盘的高空作业机械，即自行式高空平台车，适用于固定场所作业，具有微动行驶，扩大作业半径等特点。
          为了满足实际工程的需要，高空作业车的作业高度越来越高，随之作业半径也越来越大。 操作越来越简单可靠，自动化程度不断提高。如GENIE(吉尼公司)的自行式直臂式高空作业车、自行式曲臂式高空作业车、自行式剪型高空作业车。由于采用自动化控制，高空作业车的微动性能好，定位也来越来越准确。但根据不同的工况条件，考虑到造价等原因，拖动式和手动式很有实用价值，目前在一些场所仍被广泛使用。此类高空作业车有拖动式曲臂高空作业车和手动式物料升降机。
      作业车的发展动向
          高空作业车的发展主要动向是实现六化、三性，以提高高空作业机械的适用性。
          六化:即液压化、最优化(采用计算机辅助设计)、轻量化(采用高强度材料减轻构件重量)、机电液一体化(如安全保护、报警装置等)、通用化、系列化。
          三性：可靠性、安全性和舒适性。
          各大公司产品技术水平、品种、数量、质量均有较大发展和提高，竞争激烈，不断向世界各地推销，占领市场。
      新技术及其作用
         为了满足高层建筑的复杂情况，要求人们不断改进举高车，以适应施工、灭火等需要，以及举高车制造公司间日趋激烈的竞争，促进了举高车技术的发展。
      新技术的采用，使发达国家80年代的举高车在性能和安全上有较大的提高，这主要体现在三个方面：
          (1)在公安消防上，提高救生和灭火能力。在80年代，发达国家通过改进举高消防车的臂架结构和液压系统，使其救人和灭火能力有了大幅度的提高。登高平台消防车，70年代的最大工作高度是40m, 80年代后期，芬兰波浪涛公司又推出67.5m的登高平台消防车，而且这两种车的登高平台载重能力达450 kg，显著地提高了救生能力。
          (2)提高应付不利环境的能力。在高层建筑火场上或在施工现场上，有时会遇到地面不平、场地狭窄等情况。如何在这些不利情况下使举高车充分发挥救生和灭火能力或载人施工的能力，也是举高车新技术开发的主要方向之一。在这方面比较突出的日本森田泵公司，在新一代云梯消防车上采用了电子计算机调平技术。
           (3)提高安全性。如在80年代德国的马基路斯、麦茨、森田和芬兰的波浪涛公司等纷纷采用了靠电子计算机控制举高消防车的支腿梯架的操作和显示等技术，这种技术提高了云梯操作自动化程度，从而避免了因操作人员的失误而导致的危险。
1.2.2高空作业车国内现状、差距与如何提高的方法
国内高空作业机械发展刚刚起步，只有十几年的发展历史，虽然起步晚，由于高空作业机械制造企业的努力，已逐步走向稳定的发展轨道。[2][3]
现状
          从80年代开始抚顺起重机总厂、武汉起重机厂、四川度岩机械厂、长江起重机有限责任公司、杭州园林机械厂、北京攀尼高空作业车有限公司、徐州重型机械厂等开始着手研制高空作业车和登高平台消防车，投放市场。抚顺市起重机总}一生产的CDZ32型登高平台消防车已出口泰国。最近四川长江起重机有限责任公司，研制的QZC5120JGKS25型高空作业车是最近向推向市场的一种新产品。该产品采用现代设计手段设计，填补了国内25m伸缩臂式高空作业车的空白。