（机械工程专业论文）250t履带起重机臂架设计.pdf

c i a s s i f i e dl d e x ：t h 21 at h e s i ss u b m i t t e dt o t h ef a c u l t yo fg r a d u a t eo fs h a n d o n gu n i v e r s i t y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g d e s i g no f 2 5 0 tc r a w l e rc r a n eb o o m c a n d i d a t e ：s h im i n g ja n s p e c i a l t y ： m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g s u p e r v i s o r ：p r o f z h o us h e n j i e s h a n d o n gu n i v e r s i t y , j i n a n 。p r c h i n a m a y , 2 0 1 0 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导 下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研 成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：盆尊越! 丕日期：担：竺： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：趔西! 霉导师签名： 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1课题的研究背景及意义1 1 1 1履带起重机发展现状l 1 1 2 履带起重机发展趋势3 1 2 起重机现代设计方法概述4 1 3 课题的主要内容6 第2 章履带起重机整体设计7 2 1总体方案的确定7 2 2方案确定准则10 2 2 1 机台铰点位置的确定：1o 2 2 2大型结构件的初步设计1 l 2 2 3 整机稳定性计算1 1 2 2 4 整机起重性能的确定1 l 2 2 5 机构设计12 2 3 本章小结12 第3 章履带起重机臂架设计计算1 3 3 1臂架计算原则及方法13 3 1 1 结构简化与计算模型的建立13 3 1 2 工作载荷及载荷组合1 4 3 1 3臂架的强度计算l5 3 1 4 刚度计算16 3 1 5臂架整体稳定性计算17 3 2 主臂工况臂架强度计算18 3 2 1主臂工况载荷l8 3 。2 2主臂工况受力分析及应力计算19 i 山东大学工学硕士学位论文 3 2 3 主臂工况刚度计算2 5 3 2 4 主臂工况整体稳定性计算2 6 3 - 3 塔式工况臂架强度计算2 8 3 3 1 塔式工况受力分析及应力计算2 8 3 3 2 刚度计算一4 6 3 3 3整体稳定性计算4 6 3 4臂架整体平面外稳定性计算4 8 3 5 本章小结5 0 第4 章起重性能曲线的确定5 1 4 1整机抗倾覆稳定性决定的起重特性5 l 4 1 1主臂工况51 4 1 2 塔式工况5 3 4 2结构强度决定的起重特性5 5 4 2 1扳起架应力计算5 5 4 2 2动支撑应力计算5 6 4 2 3定支撑应力计算5 7 4 3 机构起重能力5 8 4 42 5 0 t 履带起重机起重性能特性曲线5 8 4 5 本章小结6 0 第5 章起重机臂架有限元分析6 l 5 1 臂架有限元分析模型一6 1 5 1 1 结构简化6 1 5 1 2 载荷组合一6 1 5 1 3有限元离散6 2 5 1 4 载荷处理一6 4 5 2 臂架有限元分析结果6 4 5 2 1主臂工作形式计算结果6 5 5 2 2塔式工作形式计算结果6 8 5 3 臂架结构的强度评定7 9 5 4 臂架杆件的刚度与局部稳定性计算与评定一8 l 目录 5 4 1臂架杆件刚度及局部稳定性应力计算j 8 1 5 4 2臂架杆件局部稳定性评定8 4 5 5臂架强度与局部稳定性评定结论8 4 5 6 本章小结8 6 结束语8 7 参考文献8 8 致 射9 l 摘要 摘要 履带起重机是广泛应用于国民经济各领域的一种起重设备，以其接地 比压小、爬坡能力强、可带载行驶，并可借助附加装置实现一机多用等特 点，在电力建设、桥梁施工、石油化工、水利水电等行业领域得到了广泛 应用。随着国民经济的发展，对其性能安全的要求也越来越高。未来起重 机发展的趋势为安全设计与安全控制，持续向超大吨位发展，模块化、系 列化、人性化设计。 履带起重机设计的核心部分是总体设计，包括方案选择、技术参数的 确定、总体布局、大型构件强度和稳定性、整机稳定性、机构设计等方 面。通过研究分析给出了整机布置原则及计算方法，整机的总体设计要充 分结合市场的实用性，要结构简便，便于安装运输、易操作，通用性强、 标准化高。 臂架是起重机工作时重要的承载部件之一，其力学性能对整机的安全 使用有直接影响。在变幅平面内，臂架下端用销轴与上车相连，相当于臂 架的固定铰支座：臂架头部由变幅拉索连接，相当于臂架的可动铰支座。 因此在变幅平面内臂架简化为两端铰支的简支梁。在回转平面内，臂架下 端左右两侧的销轴连接分别简化为固定铰支座和可动铰支座。臂架整体而 言，在回转平面内可视为下端固定上端自由的悬臂梁。通过研究分析确定 了臂架的计算方法并建立了计算模型。根据标准要求，确定了计算载荷及 安全评价准则。其次，通过有限元软件进行分析校核，本课题详细研究了 载荷的加载方式及滑轮组等效分析等，并结合实例分析了臂架各单元的受 力情况且进行了应力评定。另外对臂架的整体稳定性、局部稳定性也进行 了具体的分析。目前的臂架设计，现有的规范尚没有对臂架的整体平面外 失稳问题进行说明，本文则通过实例对臂架的平面外失稳进行了分析探 讨。 履带起重机的起重性能一般由整机抗倾覆稳定性、结构强度和机构起 重能力这三个要素来决定。选取既能满足强度又能满足稳定性要求的起重 量，来作为相应工况下的额定起重量。通过研究分析得出了性能曲线的确 i - 山东大学硕士学位论文 定方法。曲线接近，交点合适，表示整机的强度和稳定性均被充分利用， 通过计算机程序进行绘制，有利于整机的优化。论文还结合2 5 0 t 履带起 重机实例进行了性能曲线的绘制。 关键词履带起重机；臂架设计；有限元分析；性能曲线 a b s t r a c t a b s t r a c t c r a w l e rc r a n ei sal i f t i n ge q u i p m e n tw h i c hi sa p p l i e dt oe a c hf i e l do f n a t i o n a le c o n o m yw i d e l y ，w i t hc h a r a c t e r i s t i co fs m a l lg r o u n dp r e s s u r e ，l a r g e g r a d ea b i l i t y ，l o a dt r a v e l i n g ，e t c a n d w i t ht h eh e l po fo t h e ra u x i l i a r i e s ， m u l t i p u r p o s ef u n c t i o nc a nb ea c h i e v e d ，w h i c hl e a d st o w i d ea p p l i c a t i o ni n f i e l d so fe l e c t r i cc o n s t r u c t i o n ，b r i d g ec o n s t r u c t i o n ，p e t r o c h e m i c a li n d u s t r y ， h y d r o e l e c t r i cp o w e ra n ds oo n w i t ht h eg r o w t ho fn a t i o n a le c o n o m y ，h i g h e r s a f e t ya n dq u a l i t ya r er e q u i r e d i nt h ef u t u r e ，t h ed e v e l o p m e n tt r e n do ft h e c r a n ei ss a f e t yd e s i g na n dc o n t r o l ，e x t e n d i n gm o r ef i e l d sw i t hl a r g et o n n a g e p r o d u c t sa sw e l la sm o d u l a r i z a t i o n ，s y s t e m i z a t i o na n dh u m a n i z a t i o n t h ec o r ec o n t e n to f c r a w l e rc r a n e sd e s i g n i n g i so v e r a l l d e s i g n ， i n c l u d i n gs c h e m es e l e c t i o n ，p a r a m e t e rd e t e r m i n a t i o n ，g e n e r a ll a y o u t ，l a r g e s t r u c t u r es t r e n g t ha n ds t a b i l i t y ，o v e r a l ls t a b i l i t y ，m e c h a n i s md e s i g na n ds oo n t h ep a p e rp r e s e n t sp r i n c i p l eo fo v e r a l ll a y o u ta n dc a l c u l a t i o nm e t h o dt h r o u g h r e s e a r c ha n da n a l y s i s m a r k e ta v a i l a b i l i t ys h o u l db ef u l l yc o n s i d e r e di nt h e o v e r a l l d e s i g n s i m p l es t r u c t u r e ，e a s yi n s t a l l a t i o n ，t r a n s p o r t a t i o n a n d o p e r a t i o na r ea l s od e m a n d e d ，s oa r eh i g hc o m m o n a l i t ya n dh i g hs t a n d a r d b o o mi so n eo ft h ei m p o r t a n tl o a d - b e a r i n gs t r u c t u r e si nc r a n ew o r k i n g c o n d i t i o na n di t sm e c h a n i c a lp r o p e r t yi n f l u e n c e ss a f eu s eo ft h ec r a n ed i r e c t l y i nl u f f i n gp l a n e ，b o o mf o o ti sc o n n e c t e dt os u p e r s t r u c t u r ew i t hs h a f t s ，w h i c h c a nb es e e na sf i x e dh i n g es u p p o r to ft h eb o o ma n dt h et o pp u l l e db yr o p ea s m o v a b l eh i n g es u p p o r to ft h eb o o m t h e r e f o r e ，i nl u f f i n gp l a n e ，t h eb o o mc a n b es i m p l i f i e dt oh i n g e d - h i n g e ds i m p l eb e a m i ns l e w i n gp l a n e ，t h es h a f t s i n s t a l l e dt or i g h ta n dl e f to fb o o mf o o ts e c t i o nc a nb es i m p l i f i e dt of i x e da n d m o v a b l eh i n g es u p p o r ts e p a r a t e l y s ot h eb o o mc a nb ed e s c r i b e da sc a n t i l e v e r b e a mw i t hf i x e df o o ta n dm o v e dt o pi ns l e w i n gp l a n e b o o mc a l c u l a t i o n m e t h o di sd e t e r m i n e da n dc o m p u t a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e dt h r o u g hr e s e a r c h a n da n a l y s i si nt h et h e s i s t h ep r i n c i p l eo fl o a dc a l c u l a t i o na n ds a f e t y 山东大学硕+ 学位论文 a s s e s s m e n ti sa l s od e t e r m i n e di na c c o r d a n c ew i t ht h es p e c i f i c a t i o n a n dt h e n ， l o a d i n gm o d ea n de q u i v a l e n ta n a l y s i so fp u l l e yu n i ta r ei n v e s t i g a t e du s i n g f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) p r o g r a mi nt h e p a p e r a n a l y s e sa b o u tt h e s t r e s so fe a c hb o o mu n i ta n ds t r e s sa s s e s s m e n ta r ep e r f o r m e dc o m b i n i n gw i t h i n s t a n c e s ，a n do v e r a l la n dl o c a ls t a b i l i t yo ft h eb o o ma r ea n a l y z e da sw e l l f o rt h ep r e s e n tb o o md e s i g n i n g ，t h e r ei sn oe x p l a n a t i o nf o rg l o b a lo u t o f - p l a n ei n s t a b i l i t yo ft h eb o o mi nt h ee x i s t i n gc o d e s t h et h e s i sp r o v i d e s a n a l y s i sa n dd i s c u s s i o no nt h ep r o b l e mb ye x a m p l e s c r a w l e rc r a n e sl i f t i n gp e r f o r m a n c ei sd e t e r m i n e db ya n t i o v e r t u r n i n g s t a b i l i t y ，s t r u c t u r es t r e n g t ha n dm e c h a n i c a ll i f t i n gc a p a c i t y l i f t i n gc a p a c i t y w h i c hm e e t st h er e q u i r e m e n t so fs t r e n g t ha n ds t a b i l i t yi ss e l e c t e da st h er a t e d l o a di nr e l e v a n tm o d e d e t e r m i n a t i o nm e t h o do fp e r f o r m a n c ec h a r ti s o b t a i n e dt h r o u g he x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha n da n a l y s i s c l o s e u pc u r v ea n d s u i t a b l ei n t e r s e c t i o ni n d i c a t et h a ts t r e n g t ha n ds t a b i l i t yo ft h ec r a n ei s f u l l y u t i l i z e d t h ec u r v ei sd r a w nt h r o u g hc o m p u t e rp r o g r a mw h i c hi si nf a v o ro f r e a l i z i n gt h ec r a n eo p t i m i z a t i o n a n dt h ep e r f o r m a n c ec u r v eo f2 5 0 tc r a w l e r c r a n ei si n t r o d u c e da sa ne x a m p l ei nt h ep a p e r k e yw o r d s ：c r a w l e rc r a n e ；b o o md e s i g n ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) ； p e r f o r m a n c ec u r v e i v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 履带起重机是广泛应用于国民经济各领域的一种起重设备【l 】，以其接地比压 小、爬坡能力强、可带载行驶等优点，并可借助附加装置实现一机多用等特点， 在电力建设、桥梁施工、石油化工、水利水电等行业领域得到了广泛应用，具有 其它起重设备无法替代的地位【2 】。随着现代经济的高速发展，市政工程、工矿企 业、码头、风电、核电等方面建设规模越来越大，履带起重机凭借其特有的优 势，应用日益广泛，产品的系列、性能和功能日趋完善。 1 1 1 履带起重机发展现状 1 1 1 1 国外履带起重机发展现状【3 】国外主要生产履带起重机的公司多集中在 德、美、日三国1 4 , 5 】，这些公司的共同特点是生产规模大，都形成了系列产品。具 有代表性的主要有利勃海尔、特雷克斯德马格、马尼托瓦克和神钢等。系列产品 型谱较完善，市场占有率较高。 ( 1 ) n 勃海尔 利勃海尔l r 系列履带起重机型谱见表1 1 ，目前已投入市场 的最大吨位产品为l r l l 3 5 0 ，更大吨位产品正在研制过程中。l r 系列履带起重 机整体上代表了国际先进水平，采用l i c c o n 控制系统安全可靠。大吨位产品上 安装了全球卫星定位通讯系统，可对产品进行实时监控。 表1 1利勃海尔l r 系列履带起重机型谱 ( 2 ) 特雷克斯- 德马格特雷克斯- 德马格c c 系列履带起重机型谱见表1 - 2 ，已 投入市场的c c 8 8 0 0 1t w i n ( 3 2 0 0 t ) 由2 台c c 8 8 0 0 1 ( 1 6 0 0 t ) 组成，是目前世界 上最大吨位的履带起重机，其最大起重力矩4 3 9 0 0 吨米，最大起重能力3 2 0 0 t 山东大学硕士学位论文 1 2 m 运输最大宽度为3 5 m ，单件运输最大重量6 0 t 1 6 1 。 表1 2 特雷克斯德马格c c 系列履带起重机型谱 ( 3 ) 曼尼托瓦克曼尼托瓦克履带起重机型谱见表1 3 ，目前已投入市场的最 大吨位产品为2 1 0 0 0 ( 9 0 7 t ) 。曼尼托瓦克产品在一定程度上体现了不拘形式的设 计风格，2 1 0 0 0 的下车有4 组8 条履带，j 下在研制的3 1 0 0 0 ( 2 3 0 0 t ) 产品具有可 变位配重装置( v a r i a b l ep o s i t i o nc o u n t e r w e i g h o ，可以在吊装过程中自动展开。 表1 3 马尼托瓦克履带起重机型谱 表l - 4 神钢履带起重机型谱 ( 4 ) 神钢神钢履带起重机型谱见表l _ 4 ，主要有针对亚洲市场的7 0 0 0 系列和 针对欧美市场的c k e 系列。目前已投入市场的最大吨位产品为s l 6 0 0 0 ( 5 5 0 t ) 。 神钢产品与德国产品相比，技术性能仍有较大的差距，但日本产品的制作精细化 第1 章绪论 程度较高。 1 1 1 2国内履带起重机发展现状 国内生产履带起重机的厂家主要有徐重、抚挖、中联重科、三一、山东拓能 重机等公司。2 0 0 4 年以前，国产履带起重机的最大吨位仅为1 5 0 t 。近年来，国内 履带起重机发展迅速，技术水平提高很快，系列型谱不断得到完善，已经形成 5 0 1 0 0 0 t 完善的产品系列型谱。已投入市场的大吨位起重机有徐重的4 5 0 t 、 6 5 0 t ，抚挖的3 5 0 t 、5 0 0 t 、6 0 0 t ，中联重科的4 0 0 t 、6 0 0 t ，三一的4 0 0 t 、6 3 0 t 、 9 0 0 t 、1 0 0 0 t ，山东拓能重机的1 2 0 t 、2 5 0 t 、3 6 0 t 。目前，与世界先进国家相比， 国产履带起重机在产品设计、主要性能参数、模块化生产等方面已具有一定的可 比性，差距则主要体现在材料、设计和制造【7 1 、工艺、外观、优化设计、零部件 配套能力和相关软件等。 1 1 2 履带起重机发展趋势 根据国内外履带起重机的发展现状，未来履带起重机可能呈如下趋势发展： ( 1 ) 安全设计与安全控制策略随着全球经济的持续发展，世界上超大型履带 起重机不断突破，大型吊装记录不断刷新。伴随着千吨级以上大型物件的一次吊 装施工作业，重物的单笔吊装价值越来越大，作为特种设备的履带起重机的安全 设计及安全控制必将成为未来履带起重机发展的重中之重，智能化操作控制系 统、远程故障诊断和实时监控等将会成为产品的标准配置。 ( 2 ) 向超大吨位发展随着电力、石油化工、造船、工程建筑等行业的蓬勃发 展，工程建设规模越来越大，施工周期越来越短。为了提高工程建设的施工质量 和施工效率，施工单位摸索了以空间换时间的新型作业模式，对超大型起重设备 的需求愈来愈多。吊装设备的大型化、重型化、专业化也体现了广阔的市场前景 【7 1 。同时，超大吨位履带起重机的研制也必将极大的拉动材料、制造、电气等专 业技术的发展。履带起重机持续向超大吨位发展必将引起两点质的飞跃：第一， 超起工况将成为履带起重机的标准工况，超起原理及超起装置的完善及技术突破 将成为产品研发的重点；第二，新型结构设计将成为产品设计的核心。 ( 3 ) 严格的单件运输成本控制成为必然面对全球化的国际市场，单件运输尺 寸及运输重量稍有超差，即会带来运输成本成倍的增加，为此严格控制最大单件 山东大学硕士学位论文 运输重量与运输尺寸，是打造国际化产品的必然要求。新材料、新工艺、新设计 方法及新型结构等将得到越来越充分的应用。 ( 4 ) 打造专用和多功能的变型产品面对越来越成熟的市场和差异化细分的客 户需求，具有领先意识的企业越来越重视打造专用的履带起重机变型产品，加快 技术更新以巩固行业地位。利勃海尔的l r l 4 0 0 2 w 和特雷克斯德马格的 c c 2 8 0 0 1 n t 即为针对风电市场开发的专用起重机。同时，强夯起重机，多功能 履带起重机的开发，也极大拓宽了履带起重机的使用范围。 ( 5 ) 模块化、系列化、人性化随着履带起重机核心技术和专业技术的日趋成 熟，具备完善的产品系列型谱的专业生产厂家越来越多。面对竞争激烈的国际市 场，实现产品模块化、系列化开发，提高通用化与模块化程度，重视人性化与人 机工程学，降低成本，提高产品竞争力，是产品持久生存的立足之本。 1 2 起重机现代设计方法概述 最初，起重机的设计方法采用以古典力学和数学为基础的半理论、半经验等 设计方法，设计过程反复多，周期长，设计的精度差。随着计算机技术的广泛应 用和各种现代设计理论，如系统工程、优化工程、价值工程、可靠性工程、创造 工程、人机工程等的不断发展，促使许多跨学科的现代设计方法出现。这些新方 法与起重机的结合，将使起重机的设计进入崭新的的高质量、高效率的新阶段。 ( 1 ) 概率极限状态设计法在概率设计法基础上，进一步建立结构可靠性指标 与极限状态方程之间的数学关系。在设计表达式中采用分项载荷系数，这些分项 载荷系数也是根据各载荷变量的统计特征在概率分析的基础上经优选确定的【引。 ( 2 ) 优化设计优化设计是数学规划与计算机技术相结合的产物，适用求解无 法用明确的数学模型描述的非数值量优化问题。其应用范围几乎涉及到所有传统 优化设计方法难以解决的优化问题，尤其适用于复杂和非线性问题，如组合优 化、工程优化设计、拓扑结构优化、系统辨识和控制等。 ( 3 ) 可靠性设计随着现代工业技术的发展。起重机的作用越来越大，功能逐 渐增加，对其要求也越来越高，可靠性问题因此而日渐尖锐。我国对起重机可靠 性的研究始于8 0 年代，目前主要处于对产品的可靠性试验、可靠性指标评估和 失效分析阶段1 9 j 。 第1 章绪论 ( 4 ) 有限元法设计有限元软件技术的发展是现代化建设发展的需要，也是有 限元理论水平和软件水平发展的必然结果。由于计算机技术的快速发展更新和并 行计算环境的发展，完成大规模、详细的线性或非线性有限元分析已成为现实， 对完成复杂结构或多自由系统的分析十分有效。有限元法【lo 】能针对起重机实际使 用的结构边界条件进行定量的分析计算，并能提供丰富的、反映实际工况的计算 结果，已成为起重机设计的一个重要工具。 ( 5 ) 模块化设计用模块化设计【l l 】替代传统的设计方法，是起重机设计的发展 方向之一，将起重机上同功能的基本单元、部件、组合单元，设计成不同用途、 有相同连接要素和可互换的标准模块，通过不同模块的组合，形成多种类型和规 格的起重机。目前模块化设计方法主要有结构分析法和功能分析法，前者适用于 零部件结构特征相对明显的产品，后者适用于零部件功能相对独立的产品【1 2 , 1 3 】。 履带起重机的模块划分【1 4 】原则：保持各模块在功能和结构方面的独立性和完整 性；各模块间的接口要素便于连接和分离；模块与模块之间的关联尽量少 1 5 , 1 6 , 】。 模块化设计在我国起重机系列设计中也有了初步应用。太原重型机械学院开发的 门式起重机专家系统【l8 j 就是应用模块化设计的最好例证。 ( 6 ) 计算机辅助设计计算机辅助设计( c a d ) 是一种用计算机软硬件系统辅助 人们对产品或工程进行设计的方法与技术，包括设计、绘图、工程分析等设计活 动，它是一种新的设计方法，也是一门多学科综合运用的新技术。目前，德国、 美国、日本等一些知名的起重机公司都广泛运用c a d 方法进行起重机的设计。 ( 7 ) 虚拟设计 虚拟设计i l8 】是2 0 世纪9 0 年代发展起来的一个新的研究领域， 是计算机图形学、人工智能、计算机网络、信息处理、机械设计与制造等技术综 合发展的产物，在机械行业有广泛的应用前景。具有高度集成、快速成型、分布 合作等特征。虚拟设计技术是由多学科先进知识形成的综合系统技术，其本质是 以计算机支持的仿真技术为前提，在产品设计阶段，实时地并行地模拟出产品开 发全过程及其对产品设计的影响，预测产品性能、产品制造成本、产品的可制造 性、产品的可维护性和可拆卸性等，从而提高产品设计的一次成功率。它也有利 于更有效更经济灵活地组织制造生产，使工厂和车间的设计与布局更合理更有 效，以达到产品的开发周期成本的最小化、产品设计质量最优化、生产效率的最 高化。 山东大学硕士学位论文 1 3 课题的主要内容 起重机技术是一门综合技术【l9 1 ，其发展更多依赖与相关技术领域技术的发 展，如力学、材料科学、电气技术、自动控制、机械加工理论等。因此追踪其他 领域技术发展并借鉴其优秀成果，有利于本领域技术的发展与突破。本课题主要 研究的内容： ( 1 ) 履带起重机总体方案设计履带起重机设计的核心部分是总体设计，包括 方案选择、技术参数的确定、总体布局、大型构件强度和稳定性、整机稳定性、 机构等方面。本文详细介绍了整机布置原则及计算方法，整机的总体设计要充分 结合市场的实用性，要结构简便，便于安装运输、通用性强、标准化高。 ( 2 ) 臂架设计履带起重机臂架结构形式一般为中间等截面、两端变截面的四 弦杆空间桁架。主弦杆与腹杆均采用钢管结构，以提高臂架抵抗屈曲的能力，并 减小风载荷。一般大吨位履带起重机均采用高强度管材，降低自重，提高起升能 力。臂架是起重机工作时重要的承载部件之一，其力学性能对整机的安全使用有 直接影响。本文详细介绍了臂架的计算方法及计算模型的建立，并通过有限元分 析软件详细分析了臂架各单元的受力情况。并对臂架的整体稳定性、局部稳定性 进行了具体的分析。目前的臂架设计，现有的规范尚没有对臂架的整体平面外失 稳问题进行说明，本文通过实例对臂架的平面外失稳进行了分析探讨。 ( 3 ) 起重机性能确定方法履带起重机的起重性能一般由整机抗倾覆稳定性、 结构强度和机构起重能力这三个要素来决定。选取既能满足强度又能满足稳定性 要求的起重量，来作为相应工况下的额定起重量。同一臂长不同幅度下强度和稳 定性控制的起重量分别形成两条性能曲线，两曲线交叉不重合。两曲线接近，交 点合适，表示整机的强度和稳定性均被充分利用；若两曲线相差悬殊，需对构件 强度与整机稳定性的相关参数做适当调整。本文详细介绍了性能曲线的确定方 法，并通过计算机程序进行绘制，有利于整机的优化。 第2 章履带起重机整体设计 第2 章履带起重机整体设计 2 1 总体方案的确定 起重机总体方案的确定主要由以下几个方面决定：一是基本臂工况起重机械 的总重一般小于额定起重量；二是主机以及其他部件的外形尺寸设计要方便运 输；三是用户的需求；四是起重机械的工作环境；五是选用的原材料及部件要便 于采购，要系列化、标准化。综合上述因素，本章在起重机设计规范【2 0 1 和相关的 履带起重机设计规范 2 1 - 2 3 】的基础上，吸收和借鉴国内外相关技术资料，建立了履 带起重机整体设计体系。 起重机的方案可依据履带起重机的结构形式和功能划分，从臂架的组合方式 可选择主臂工况、固定副臂工况、塔式工况和超起工况( 超起主臂工况、超起固 定副臂工况、超起塔式工况) 。固定副臂工况是固定副臂与主臂夹角相对不变， 通过改变主臂角度实现变幅。塔式工况是主臂角度相对不变，通过改变副臂的角 度实现交幅。超起工况就是通过增加超起装置【2 4 】提高整机的稳定性，充分发挥臂 杆的强度及主机结构强度，从而提高整机的起重性能。般情况下，大型履带起 重机都涵盖上述工况。 a ) 山东大学硕士学位论文 j 艺番嚣 。罗j 雩j 若 l h11 4 8 ，誓孝i 。慧f 制r j 第2 章履带起重机整体设计 d ) 图2 - ld e m a g 公司c c 6 8 0 0 臂杆组合 图2 1 为d e m a g 公司设计的c c 6 8 0 0 方案组合。 其中s h 重型主臂； l h 轻型主臂； s s i 重型主臂超起； l s i ，一轻型主臂超起； s w 一塔式； s w s i r 塔式超起； l f v l 一固定副臂超起( 混合主臂) ： s f v l 固定副臂超起( 重型主臂) ； l f 轻型固定副臂； 履带起重机的额定起重量指的是基本臂的名义起重量，此起重量只是在试验 山东大学硕士学位论文 时检测的指标，在实际工作中很少用到，特点是幅度小，由臂杆强度所决定；通 常主臂工况的主臂最大角度不超过8 3 0 ，各种工况的最大工作范围是由整机的稳 定性所决定。 塔式工况主臂最大角度一般控制在8 5 0 8 7 0 ，此范围是依据主臂和塔式副臂 的整体型心的高度和稳定性决定的，塔式工况的工作特点就是塔式主臂的角度是 固定的，起升高度高，工作范围大，在工作过程中通过副变幅实现工作范围的调 整。塔式工况的额定起重量一般是由臂杆的强度决定的，工作范围取决于副臂的 长度及角度，副臂的最大工作角度一般不超过7 5 0 ，最小工作角度一般不小于 3 0 0 ，此范围是基于臂杆的整体稳定性和整机的稳定性决定的； 超起工况的确定是基于上述工况的计算结果，通过增加超起装置提高整机的 稳定性，充分发挥臂杆的强度及主机结构强度，从而提高整机的起重性能。 2 2 方案确定准则 履带起重机的技术参数表示了起重机的规格和主要技术性能，一般根据设计 任务书的要求，并参考同类机型的性能参数而定。履带起重机的性能参数包括额 定起重量，工作范围，最大起重力矩，发动机功率、工作速度，接地比压，整机 外形尺寸、运输尺寸及重量等。这些参数将作为起重机各部件的设计依据。 2 2 1 机台铰点位置的确定 机台铰点的位置【2 5 】关系是履带起重机设计的关键之一，包括臂架与机台的连 接铰点，扳起架与机台的连接铰点、桅杆与机台的连接铰点，铰点的位置直接影 响整机的布局、性能及成本。臂架铰点的位置一般靠近回转支承，避免产生附加 弯矩。扳起架与机台的连接铰点要靠近臂架与机台的连接铰点，便于形成相对固 定的几何关系。带桅杆的履带起重机桅杆与机台的连接铰点要充分考虑桅杆的长 度、扳起架的长度及夹角、臂架拉索等，要通过一定的经验和算法确定最佳位 置，其位置一般靠近并高于臂架与机台的连接铰点。带桅杆的履带起重机扳起架 与机台的连接铰点一般同桅杆与机台的连接铰点为同一位置。 机台是重要的承载构件。机台上安装卷扬机构、发动机、液压系统、控制系 统等部件，臂架、扳起架、桅杆也通过铰点连接在机台上，以承受起升载荷。机 台的布局要从安拆方便、便于维护保养、运输方便等综合考虑，力求机台布置紧 第2 章履带起重机移体设计 凑，高度低，重量轻。从机台的受力角度分析，应力求铰点位置分散，避免局部 应力过高及失稳。 2 2 2 大型结构件的初步设计 结构件的设计主要考虑其强度、刚度及稳定性等因素，它决定了整机的起重 能力，同时也影响整机的稳定性。 臂架是履带起重机最重要的承载构件，在进行臂架初步设计时，首先要确定 臂架的截面尺寸、主弦杆和腹杆的规格、材质等。这些参数可参考同机型产品并 通过计算进行优化调整。 臂架的强度设计、稳定性设计将在下述章节进行详细论述。 机台与下车大型结构件的设计：机台与下车大型构件的受力复杂，它们已不 是简单的梁结构，而是板与箱形梁组合式结构。这些构件不仅要考虑强度、刚度 与整体稳定性，更重要的是构件局部应力和局部稳定性问题。采用规范中的方法 已很难精确计算，解决问题的最有效手段就是有限元法。 2 2 3 整机稳定性计算 起重机抗倾覆稳定性是指起重机在自身和外力的作用下抵抗倾覆的能力。促 使起重机倾翻的因素很多，如起重机超载、风载过大、动载荷过大、地基不实 等。通常按最不利的载荷组合与工况对起重机做整体稳定性分析。文献 2 0 1 规定 了抗倾覆稳定性计算原则，即当稳定力矩的代数和大于倾覆力矩的代数和时，则 认为起重机整机是稳定的。履带起重机属于流动式起重机，应验算验证在下列载 荷状态下整体抗倾覆是稳定的： 无风试验或运行时；有风工作或运行时；向后倾翻；非工作风作用时。 2 2 4 整机起重性能的确定 整机起重性能表示不同臂长不同幅度的起重能力，是衡量整机性能的重要指 标。它根据结构强度、机构能力和整体稳定性，选取既能满足强度又能满足稳定 性要求的起重量，来作为相应工况下的额定起重量。同一臂长不同幅度下强度和 稳定性控制的起重量分别形成两条性能曲线，两曲线交叉不重合。两曲线接近， 交点合适，表示整机的强度和稳定性均被充分利用；若两曲线相差悬殊，需对构 件强度与整机稳定性的相关参数做适当调整。履带起重机的起重性能，一般情况 山东大学硕+ 学位论文 下，在幅度小的情况下是由结构强度决定的，在幅度较大时是由整机的稳定性决 定的。 2 2 5 机构设计 履带起重机的机构一般分为起升机构、变幅机构、回转机构和行走机构，分 别完成起升、变幅、回转和行走及其复合动作。机构初步设计主要完成机构的受 力分析、发动机及液压电控系统的选型 2 6 1 。起升和变幅机构初步设计完成钢丝绳 的拉力计算及倍率的选取；回转机构初步设计完成回转阻力距的计算，并根据整 机的轴向力与力矩选取合适的回转支承；行走机构的初步设计完成行走阻力的计 算。履带起重机行走时必须克服以下行走阻力【2 7 】：地面对履带运行的阻力，不稳 定运动时的惯性阻力，坡道阻力，风阻力，转向阻力口引，行走装置的内阻力，但 这些阻力并不是同时出现。带载行走阻力同时含有起升载荷引起的行走阻力。 综上所述，起重机的整体设计直接影响产品的性能，但是在整体设计过程中 尤其是大型履带起重机要充分考虑新型高强度材料的运用，尽量降低接地比压【2 9 】 及整机自重，单件的尺寸要符合道路运输要求；组装拆卸方便，提高通用化与模 块化程度，重视人性化与人机工程学，降低成本，提升产品竞争力。 2 3 本章小结 本章从履带起重