毕业设计（论文）-QLY2轮胎起重机动力系统开发设计.pdf

QLY2 轮胎起重机设计开发（动力系统设计开发） 目录 1.1.1. 1. 绪论绪论绪论 绪论 1 1.1 引言.1 1.2 起重机行业的概况.1 1.2.1 国外起重机的发展趋势.1 1.2.2 国内起重机的发展趋势.2 1.2.3 我国轮式起重机今后发展趋势及国内外发展对策.5 1.3 课题背景和任务5 1.3.1 课题设计背景.6 1.3.2 课题设计任务.7 2.2.2. 2. 总体设计方案总体设计方案总体设计方案 总体设计方案 7 2.1 QLY2 工业轮胎起重机主要性能参数.8 2.2 整机承载荷的计算.8 2.2.1 自重载荷 G（或用 PG表示）8 2.2.2 起升载荷9 2.2.3 运行载荷9 2.2.4 机构起运（制动）产生的水平惯性载荷10 2.3 本章小结.13 3.3.3. 3. 动力系统方案动力系统方案动力系统方案 动力系统方案 13 3.1 动力系统的总成结构13 3.2 动力系统的工作原理14 3.3 动力系统的总体设计16 3.4 本章小结16 4 4 4 4 动力系统各部分选型及计算动力系统各部分选型及计算动力系统各部分选型及计算 动力系统各部分选型及计算 16 4.1 发动机的选型和计算16 4.1.1 发动机所需功率的计算及选型17 4.1.2 发动机的主要参数18 QLY2 轮胎起重机设计开发（动力系统设计开发） 4.2 取力器的设计和计算.19 4.2.1 取力器的设计.19 4.2.2 取力器的计算.31 4.2.3 轴的结构设计.21 4.2.4 低速轴的设计.24 4.2.5 轴的结构设计.28 4.2.6 轴承的选用与校核.29 4.2.7 箱体材料的选择.31 4.2.8 密封与润滑.32 4.3 减速器的选型和计算.32 4.3.1 传动装置总体设计.32 4.3.2 V 带设计 32 4.3.3 各齿轮的设计计算.34 4.3.4 轴的设计.37 4.3.5 校核.40 4.3.6 减速器的润滑45 4.4 本章小结46 参考文献参考文献参考文献 参考文献 46 致 谢47 附件 A开题报告 附件 B英文翻译 QLY2 轮胎起重机设计开发（动力系统设计开发） 第 1 页 共 48 页1 1.1.1. 1. 绪论绪论绪论 绪论 1.1 引言 轮式起重机是工程机械产品中重要组成部分， 它由于机动性好而被广泛应用 于矿山、建筑、港口、油田等领域。轮式起重机主要有三种基本套型：汽车起重 机、轮胎起重机、全路面起重机。在国内市场上，随着国家扩大内需政策的推动 ， 投资的提高，个体和私营用户的壮大，2001 年产品销量达 5208 台，销售收入为 20.85亿元，2002 年产品销量达 8000 台， 销售收入接近 30 亿元： 在国际市场上 ， 仅北美，欧洲市场年销售额就达 54 亿美元，可以说市场巨大。 中国目前正处于大力发展基础设施建设的关键时期， 而起重机则成为这些建 设中不可缺少的一员。其中，小型多功能轮胎起重机的应用尤其受到关注。在油 田、公路建设，旧城改造，港口码头，仓库运输，短程搬运等方面，小型多功能 轮胎起重机有着十分明显的优势。 1.2 起重机行业的概况 1.2.1 国外起重机的发展趋势 近 20 年世界工程起重机行业发生了很大变化,RT(越野轮胎起重机)和AT(全 地面起重机)产品的迅速发展,打破了原有产品与市场格局,在经济发展及市场激 烈竞争冲击下,导致世界市场进一步趋向一体化.目前世界工程起重机年销售额已 达 75 亿美元左右.主要生产国为美国、日本、德国、法国、意大利等,世界顶级公 司有 10 多家,世界市场主要集中在北美、日本/亚洲和欧洲. 欧洲作为工程起重机 的发源地,也是经济非常发达的地区,代表轮式起重机的最高水平,最负盛名的生 产企业有利勃海尔、德马克、同时还有森内博根、德国格鲁夫等该地区主要 现状为：主要生产全地面起重机、履带式起重机、紧凑型轮胎起重机,也生产少 量汽车起重机.汽车起重机一般为通用底盘组装全地面上车,即以改装为主,其产 品技术先进、性能高、可靠性高.另外,美国工程起重机相对落后于欧洲水平,近年 来,通过收购了德国德马克;随后,马尼托瓦克兼并了包括美国格鲁夫公司在内地 国内大部分工程起重机企业,使美国起重机行业蓬勃发展.主要生产企业为马尼托 QLY2 轮胎起重机设计开发（动力系统设计开发） 第 2 页 共 48 页2 瓦克,特点是技术先进、性能较高、可靠性能高,其中汽车底盘技术和全路面技术 领先于欧洲.1 美国既是生产工程起重机的主要国家,又是最大的世界市场之一.由于日本、德国 起重机工业的迅速发展及 RT 和 AT 产品的兴起,美国厂商曾在 6070 年代世界 市场中占有的主导地位受到削弱,从而形成美国、日本和德国三足鼎立之势.近几 年美国经济回升,市场活跃,外国厂商纷纷参与竞争.美国制造商的实力也有所增 强,特雷克斯起重机公司的崛起即是例证。 2 1.2.2 国内起重机的发展趋势 我国在 1957 年生产第一台 5 吨机械式汽车起重机到现在已有 50 年历史,它 的生产大致经历了以下几个阶段：1957-1966 年以生产 5 吨机械式汽车起重机为 主;1967-1976 年以生产12 吨以下小型液压汽车起重机为主;1977-1996以 16-50 吨中大吨位液压汽车起重机产品发展较快。 自 1979 年开始,我国采用进口汽车底盘和关键液压件自行设计生产出了 6 吨,20 吨液压汽车起重机之后,国内一些起重机生产厂家采用技贸结合方式,分 别引进日本多田野、加藤、美国格鲁夫和德国利勃海尔,克虏伯的起重机产品技 术.这些企业经过多年来对引进丢术的消化、吸收、移植使国产轮式起重机某些 新产品的性能水平达到了国际 80 年代初的水平,产品产量也逐年有所提高.由于 受客观条件的限制,当年的技术引进主要着重体现在技术软件的引进,而没有引 进全套的先进加工设备,没有与相关的配套件的引用同时进行,因此国内长时间 不能提供高质量,高性能的基础配套件,到了 90 年代我国轮式起重机的技术水平 与世界先进水平相比曾一度缩小的差距又拉大了。3 当前,国内轮式起重机厂自行设计的产品技术水平大多还相当于国际 70 年代初, 中期水平,只有少数产品在吸收国外先进技术基础上,经过更新换代达到了 80 年 代初的水平,随着国家经济建设的蓬勃发展,国家重点工程项目建设的份份上马, 一些大型关键工程一般都采用国际公开招标方式采购机械设备.国外新型轮式起 重机和二手设备因此大量进入中国市场,使同内用户对国外起重机性能,作业可 靠性,效率等方面有了较深入的了解,从而也认识到了国产起重机无论在制造质 量,外观造型方面,更主要的是在技术性能方面与国外轮式起重机差距较大.国内 不少用户为了达到作业高效率以确保工期按时完成,宁可花较多的钱购买进口起 QLY2 轮胎起重机设计开发（动力系统设计开发） 第 3 页 共 48 页3 重机或购买国外二手起重机.这种形势下,国产轮式起重机当然面临很大的冲击 和压力。8 1.2.3 我国轮式起重机今后发展趋势及国内外发展对策 (1)整机性能,由于先进技术和新材料的应用,同种型号的产品,整机重量要轻 20%左右,随着结构分析应用和先进设备的使用,结构形式更加合理,高性能,高可 靠性的配套件,选择余地大,适应性好,性能得到充分发挥,电液比例控制系统和智 能控制显示系统的推广应用,操作更方便,舒适,安全,保护装置更加完善,向吊重量 大,起升高度,幅度更大的吨位方向发展.9 (2)我国工程起重机的国内发展对策 最近两年,我国工程起重机市场像工程机械的其它行业一样经历了火爆市场的高 峰,目前各工程起重机生产厂家和配套厂家都已经恢复了活力,为我国工程起重机 行业的发展奠定了经济基础.必须首先解决整机可靠性低的问题.目前,我国工程 起重机与国外水平相比,最大的差别莫过于可靠性差,故障反馈率高,而反馈最大 的以配套件为多.我们应该在行业内开展像高新技术产品竞赛活动,逐渐淘汰低技 术含量,低性能产品,开发符合中国国情的全地面起重机产品,提高行业整体水平. 随着我国汽车起重机市场的全面开放,受国外最先进技术的起重机产品的冲击,性 价比将成为生产厂家和用户关心的永恒主题.10只有可靠性得到保证,故障反馈率 的大大降低才能保证我国的起重机行业向大吨位发展,迈进. (3)我国工程起重机的国外发展对策 积极实施“走出去”战略,博弈国际大舞台,现已成为行业主要企业对国内市场回 落的有力武器.与狼共舞,须做到“你中有我,我中有你” 工程起重机国际化,要跨过三道“关口”即：核心技术关,产品规模关和海外市场 拓展能力关.通过规范出口经营机制,树立团队思想共同开发市场的精神,加强与 对外建设公司的联系以及利用海外的销售代理商等手段得到充分的保证.11这样 才能使我国的工程起重机达到世界顶端水平. 1.3 课题设计背景和任务 1.3.1 课题设计背景 轮式起重机的现化设计方法： 随着计算机技术的广泛应用和系统工程、优化工程价值工程、人机工程等现 QLY2 轮胎起重机设计开发（动力系统设计开发） 第 4 页 共 48 页4 代设计理论的不断发展，促使许多跨学科的现代设计方法出现，使起重机设计进 入高质量、高效率的阶段。 (1)计算机辅助设计(CAD) 计算机辅助设计是随着计算机及其外围设备发展而迅速形成的一门新兴的 现代设计方法。它的发展与应用，对提高设计质量和效率、提高产品的市场生存 和竞争力发挥十分明显的作用。 电子技术和计算机技术的发展使计算机辅助设计 硬件设备性能得以提高，各种硬件设备不仅已成了产品，而且已成为 CAD 的一般 配置。目前，计算机辅助设计方法已成为工程技术人员进行创造性设计活动不可 缺少的手段。 (2)模块化设计 模块化设计是根据模块化原则，设计一些基本的模块单元，通过不同的组合 形成不同的产品， 以满足用户的多种需要。 起重机模块化设计以功能分析为基础 ， 将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，可能互换，选用不同的模块进行组合可形 成不同类型和规格的产品。 (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，现已在起重机结构计算中应用。 (4)优化设计 优化设计方法可根据产品要求，合理的确定和计算各种参数，以期达到最佳 的设计目的。 (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时间变化过程的仿真模似， 得 到仿真输出参数和结果，以此估计和摊断实际运行的各种数据，并在对起重机进 行动态分析计算时采用。 1.3.2 课题背景 国内汽车起重机在经历了 1993 年的巅峰之后， 从1994 到 1996 年连续三年 QLY2 轮胎起重机设计开发（动力系统设计开发） 第 5 页 共 48 页5 阁销下滑，企业的订货量和销售收入严重滑坡。1997 到 1998 年下滑势头停止， 并出现了缓慢回升迹象。1999 年以来，在国家扩大内南非政策的指导和拉动下， 轮式起重机行业出现了较快的增长势头。1999 到 2001 年销售收入增长了 22%， 产量增长了 18%预计到 2005 年国内需求量将达到 5000 台左右。分析几年市场需 求情况，8t 产品增长幅度不大，16t、25t、50t、销量 2000 年比 2001 年分别增 长了 33.2%、62.8%、101.6%，这说明市场将更多的需求中大吨位的汽车起重机。 为了增加产品的竞争力， 锦州重型机械股份有限公司决定研制新型 25t 汽车起重 机。 1.3.3 课题设计任务 此次毕业设计我的主要任务:对 QLY2 轮式起重机动力系统的设计,动力系统 设计包括发动机选型，减速器选型以及取力器的设计,最终完成总装图、部件图 以及本机连接关键零件图及任务设计说明书。 本课题的主要目的:通过毕业设计,使学生掌握工程机械产品设计的基本方 法、基本技巧和基本过程,熟悉计算机辅助设计和技术文件的写作方法.掌握 QLY2 轮胎起重机的动力系统设计及计算和主要零部件的设计技巧. QLY2 轮胎起重机设计开发（动力系统设计开发） 第 6 页 共 48 页6 2.2.2. 2. 总体设计方案总体设计方案总体设计方案 总体设计方案 2.1 QLY2 工业轮胎起重机主要性能参数 如表 3-1所示 表 2-1 QLY2 轮胎起重机主要性能参数表 2.2 整机承载荷的计算 为了保证起重机安全工作，起重机本身应具备三个基本条件： (1) 金属结构和机械零部件应具有足够的强度、钢度、和抗屈曲能力； (2) 整机具有必要的抗倾覆稳定性； (3) 原动机具有满足作业性能要求的功率，制动装置提供必需的制动力矩。 设计起重机时，必须首先确定能够作用在起重机上的外载荷，以作为计算起 重机稳定性、支腿压力，或轮压、机构零部件和金属强度以及选择原动机功率的 依据。作用在起重机上的外载荷应根据实际情况而定，主要有：起升载荷、起重 机自重载荷、风载荷、重物偏摆引起的载荷、惯性和离心力载荷以及振动、冲击 引起的动力载荷等。 2.2.1 自重载荷 G（或用 PG表示） 自重载荷包括起重机的金属结构、 机械设备、 电气设备等（不包括起升载荷 ） 的重力载荷。载荷的作用方式及简化的力学模型可以分别考虑，一般情况下，起 重机的机械设备和电气设备可视为集中载荷作用在设备安装的位置中心， 桁架的 最大额定起重量 N K 2000基本臂长度(m)4 最大起重力矩(kn*m)28全伸臂长度(m)7 回转速度 (r/min)02驱动方式4*2 外形尺寸（mm） 4570X4270X18 60(展开) 最大爬坡度%12% 最小转弯半径 （m）2.5m最小离地间隙（mm）275 起升速度 (m /min)7行驶速度(km/h)20 QLY2 轮胎起重机设计开发（动力系统设计开发） 第 7 页 共 48 页7 自重视为作用在结构节点上的集中载荷，箱型结构的自重作为均布载荷处理。自 重载荷通常都比它的工作对象的重量大得多。自重载荷根据具体结构形式，以集 中或均布载荷作用在相应的位置上。起升质量突然离地起升或下降制动时，自重 载荷将产生沿其加速度相反方向的冲击载荷作用。 在初步设计时根据同类型、参数相近的机型初步估计为 12T。起升载荷突然 离地起升或下降制动时，自重载荷将产生沿其加速度相反方向的冲击载荷作用。 在考虑这种工况的载荷组合时，应将自重载荷乘以冲击系数1，本机设计中选 择1= 1.05 即： （2-1）123480N05 . 1 8 . 912000 10 GG 2.2.2 起升载荷 起升载荷是指起升质量的重力，本机设计中钢丝绳地质量忽略不计。 (1) 起升动载系数，物品突然离地起升或下降制动时，对承载结构和传动 2 机构产生的附加动载作用。 （2-2）36 . 2 817 . 0 117 . 0 1 2 V (2) 突然卸载冲击系数，当起升质量部分或全部卸载时，将对结构产生动 3 态减载作用。减小后的起升载荷等于突然卸载的冲击系数与起升载荷的乘积。 3 （2-3） m m)1( 1 3 3 式中m起升质量中突然卸去的那部分质量（kg） ； m起升质量； 3= 0.5。 即起升载荷为： （2-4）185024N2.368 . 98000P 2 Q P 2.2.3 运行载荷 运行冲击系数，起重机运行时，由于路面凹凸不平会使运动的质量在垂直 4 方向产生冲击作用。因此，应将自重载荷和起升载荷乘以大于 1 的运行冲击系数 。 4 QLY2 轮胎起重机设计开发（动力系统设计开发） 第 8 页 共 48 页8 （2-5） 1 2 4 1.100.058 1.100.058 9.77222.23 Vh 式中v运行速度； h路面的高度差。 即运行载荷为： （2-6）174832N2.239.88000 4 Q PP 2.2.4 机构起动（制动）产生的水平惯性载荷 (1) 运行惯性力 PH 起重机运行机构起动或制动时，起重机的自身质量以及起升质量产生水平 惯性力 PH为： (2-7) 5 1.5 6000 0.585220 H Pma N 式中:m运行部分的质量； a起动（制动）加速度，参考值见表； 5平均取5=1.5。 (2) 回转和变幅运动时的水平惯性力 PH 臂架式起重机回转和变幅失， 起升质量和起重机运动部分的自身质量产生水 平惯性力。起升质量产生的水平惯性力 PHQ，按吊重钢丝绳偏离铅垂线的偏摆角 所引起的水平分力计算： (2-8)NPP zQHQ 70000875.080000tan 式中:-起升载荷； Q P 吊重钢丝绳相对铅垂线的偏摆角，选值如表 3-2所示： Z 表 2-2 运行机构加（减）速度 a 及加（减）速时间 t 运行速度 （m/s） 行程长的中、低速起 重机 常用的中、高速起重 机 加速度大的高速起重 机 QLY2 轮胎起重机设计开发（动力系统设计开发） 第 9 页 共 48 页9 表 2-3 L的推荐值 5. 起重机风载荷分为工作状态风载荷和非工作状态风载荷两类。 (1) 风载荷计算公式如下： （2-9） WA PCK qA 式中：C风力系数； KA风力高度变化系数； q计算风压（N/ m） ； A起重机或起吊物品垂直于风向的迎风面积（m） (2) 根据表 3-4计算起重机的风压如下： 表 3-4 起重机计算风压（N/ m） 加（减） 速时间 （s） 加（减） 速度 （m/s2） 加（减） 速时间 （s） 加（减） 速度 （m/s2） 加（减） 速时间 （s） 加（减） 速度 （m/s2） 4.008.00.505.00.67 3.157.10.445.40.58 2.506.30.394.80.52 2.009.10.225.60.354.20.47 起重机类型 装卸用门座起重 机 安装用门座起重机汽车和 轮胎起重机 n 2min n,故 a-a 剖面安全. S S (2)b-b 截面右侧 抗弯截面系数3=0.1533=14.887m3 dW1 . 0 抗扭截面系数 WT=0.2d3=0.2533=29.775 m3 又 Mb=174 Nm,故弯曲应力 MPa W Mb b 7 . 11 887.14 174 MPa ba 7 . 11 0 m 切应力 MPa T WT T 32 . 4 775.29 7 . 128 MPa T ma 16 . 2 2 由 附 表10-1 查 得 过 盈 配 合 引 起 的 有 效 应 力 集 中 系 数 。 1 . 0, 2 . 0, 0 . 1,76 . 0 ,81 . 0 ,89 . 1 , 6 . 2 KK 则 74.37 02 . 0 7 . 11 81 . 0 0 . 1 6 . 2 300 1 ma K S QLY2 轮胎起重机设计开发（动力系统设计开发） 第 41 页 共 48 页41 74.27 16 . 2 1 . 016 . 2 76 . 0 0 . 1 89 . 1 155 1 ma K S 36.22 74.2774.37 74.2774.37 2222 SS SS S 显然 S,故 b-b 截面右侧安全。 S （3）b-b 截面左侧 WT=0.2d3=0.2423=14.82 m3 b-b 截面左右侧的弯矩、扭矩相同。 弯曲应力 MPa W Mb b 48.23 41 . 7 174 MPa ba 48.23 0 m 切应力 MPa T WT T 68 . 8 82.14 7 . 128 MPa T ma 34 . 4 2 （D-d）/r=1r/d=0.05，由附表 10-2 查得圆角引起的有效应力集中 数。 由附表 10-4 查得绝对尺寸系数 36 . 1 ,48 . 1 KK 78 . 0 ,83 . 0 又。则 1 . 0, 2 . 0, 0 . 1 16 . 7 02 . 048.23 83 . 0 0 . 1 48 . 1 300 1 ma K S 38.19 349 . 4 1 . 034 . 4 78 . 0 0 . 1 36 . 1 155 1 ma K S QLY2 轮胎起重机设计开发（动力系统设计开发） 第 42 页 共 48 页42 72 . 6 38.1916 . 7 38.1916 . 7 2222 SS SS S 显然 S,故 b-b 截面左侧安全。 S 4.3.5 校核 高速轴轴承 N ll lFr 966 5 . 52153 5 . 523784 FR1H 32 3 FR2H=Fr-FR1H=1377-966=411N N ll lFt 352 5 . 52153 5 . 521377 FR1V 32 3 Fr2V=Ft- FR1V=1377-352=1025N 轴承的型号为 6008，Cr=16.2 kN （1）FA/COr=0 （2）计算当量动载荷 FF f P AR P r YX 查表得 fP=1.2 径向载荷系数 X 和轴向载荷系数 Y 为 X=1，Y=0 =1.2（1352）=422.4 N FFfP AR P r YX 验算 6008 的寿命 288002448486 384 16667 4 . 422 16200 3 3 Lh 验算右边轴承 2880099177 384 16667 10252 . 1 16200 3 3 Lh 键的校核 键 1108L=80GB1096-79 则强度条件为 MPa lk dT p 5 . 33 003 . 0 08 . 0 032 . 0 /65.1282/2 QLY2 轮胎起重机设计开发（动力系统设计开发） 第 43 页 共 48 页43 查表许用挤压应力所以键的强度足够键 2128L=63 MPa p 110 GB1096-79 则强度条件为 MPa lk dT p 95.30 003 . 0 063 . 0 044 . 0 /65.1282/2 查表许用挤压应力 MPa p 110 所以 键的强度足够联轴器的选择联轴器选择为 TL8 型弹性联轴器 GB4323-84 4.3.6 减速器的润滑 1.齿轮的润滑 因齿轮的圆周速度12 m/s，所以才用浸油润滑的润滑方式。 高速齿轮浸入油里约 0.7 个齿高，但不小于 10mm，低速级齿轮浸入油 高度约为 1 个齿高（不小于 10mm） ，1/6 齿轮。 2滚动轴承的润滑 因润滑油中的传动零件（齿轮）的圆周速度 V1.52m/s 所以采用飞溅润 滑， 4.4-本章小结 本章对QLY2起重机动力系统的各个主要部件进行了选型和计算， 通过详细 地计算确定了合适的发动机，减速器，设计了较为合理的减速器，本章也是本次 设计的重中之重，所以比较复杂。但是同样作为核