（机械设计及理论专业论文）某工程机械机械手伸缩臂及其俯仰机构系统优化研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第t 页 摘要 本文主要针对如何在恶劣的隧道施工环境下架设混凝土湿喷机机械手伸缩臂喷射 头等作业工具来替代人工作业的问题。通过深入研究流动式起重机和混凝土湿喷机机械 手伸缩臂的工作特点，综合分析两者，类比技术成熟的流动式起重机伸缩臂技术后，提 出了机械手伸缩臂总成的设计方案，并由此展开对机械手伸缩臂及其俯仰机构系统优化 的研究。具体工作内容如下： 首先，本文对国内外的伸缩臂发展做了简要介绍，展现了该湿喷机机械手采用伸缩 臂结构的前景。在系统分析流动式起重机伸缩臂各款结构的基础上，提出了圆角矩形截 面机械手伸缩臂的设计方案。 其次，通过研究湿喷机机械手伸缩臂的各种工作状态和载荷情况，确定了该伸缩臂 9 种典型的工况。由类比流动式起重机的传统理论计算和验证校核方法，对该伸缩臂结 构进行了详细的设计，包括了伸缩臂布置与连接方式、构造尺寸以及变幅铰点等关键参 数。 考虑到采用传统理论计算比较粗略，在对伸缩臂的刚度、强度和稳定性的计算过程 中简化过多，影响了伸缩臂的计算精度；同时采用传统理论方法难以得到伸缩臂全面的 计算结果，特别是滑块处的局部应力，故本文在传统理论计算的基础上，采用目前比较 成熟的a n s y sw o r k b e n c h 作为有限元分析工具对该伸缩臂进行有限元分析。在a n s y s w o r k b e n c h 软件中建立完整的伸缩臂分析模型，并通过接触设置、网格划分、加载、约 束处理、求解以及后处理等一系列有限元分析步骤，完成对该伸缩臂的力学分析。 最后，通过a n s y sw o r k b e n c h 软件自身的c a d 、c a e 和优化模块之间的无缝数据 传输功能，利用结构优化设计理论对该伸缩臂进行了深入地有限元结构优化研究。寻找 影响该伸缩臂性能的关键因素，在伸缩臂轻量化研究方面取得一定的成效，为同类伸缩 臂结构的研发提供了参考。 关键词：伸缩臂；变幅铰点；有限元分析；结构优化 西南交通大学硕士研究生学位论文第n 页 曼邑皇曼曼置舅量曼皇曼曼皇皇葛皇皇量曼曼曼曹鼍葛皇皇皇篁皇曼寰曼曼富曼曼鼍! 詈鼍曼曼量鼍曼皇量量鲁鲁毫曼曼曼量舅舅皇量曼笪曼笪曼 a b s t r a c t t h i st h e s i sc o m b i n i n gw i t hap r a c t i c a lp r o b l e m , h o wt oe r e c to p e r a t i o nt o o l ss u c ha st h e i n j e c t i o ns y s t e mo fc o n c r e t ew e ts p r a y i n gm a c h i n e r yt os u b s t i t u t ef o rm a n u a lt o o l su n d e r a n a b o m i n a b l et u n n e lc o n s t r u c t i o ne n v i r o n m e n t 。t h r o u g hi n d e p t hc o m p a r i s o na n dr e s e a r c ht h e w o r k i n g c h a r a c t e r i s t i c so fm o b i l ec r a n ea n dw e ts p r a y i n gm a c h i n e r y , ac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i s b e t w e e nt h e mi sm a d e o nt h ea n a l o g yo ft h et e l e s c o p i cb o o mo fm o b i l ec r a n ew h i c hi s c o n s i d e r e da sam a t u r et e c h n o l o g y , at e l e s c o p i cb o o ma s s e m b l yd e s i g ns c h e m eh a sb e e n p r o p o s e d a n dt h e n , t h e d e t a i l e dd e s i g no ft h eb o o ma s s e m b l yu n i th a sb e e nc a r r i e do n s p e c i f i cw o r ka sf o l l o w s ： 。 a tf i r s t , s o m eb r i e fi n t r o d u c t i o n st ot h ed e v e l o p m e n to r i e n t a t i o no ft h et e l e s c o p i n gb o o m f r o md o m e s t i ca n df o r e i g na lem a d e t h e nb yi n t r o d u c i n gt h er e s e a r c hc o u r s eo ft e l e s c o p i n g b o o m ，u n f o l d e dt h ed e v e l o p m e n tt e n d e n c yo f t h ew e ts p r a y i n gm a c h i n e r yb yu s i n gt e l e s c o p i n g b o o mt e c h n i q u e 。b a s e do nt h ed e e pr e s e a r c ho nt e l e s c o p i n gb o o mt e c h n i q u e ，o n ek i n do f f i l l e t r e c t a n g u l a rs h a p e db o o m h a sb e e np r o p o s e d ht h ef o l l o w i n g ，b yr e s e a r c h i n gt h ev a r i o u sw o r k i n gc o n d i t i o n sa n dl o a d so ft h ew e t s p r a y i n gm a c h i n e r y , 9t y p i c a lc o n d i t i o n sw e r ed e t e r m i n e d a tt h es a m et i m e c o m p a r e dw i 也 t h et r a d i t i o n a lt h e o r yc a l c u l a t i o n sa n dv e r i f i c a t i o nm e t h o d so fm o b i l ec l a n g ，ad e t a i l e dd e s i g n o ft h et e l e s c o p i n gb o o ms t r u c t u r ew a sb e e nc a r r i e do u t t h ed e t a i l e dd e s i g n so ft h ek e y p a r a m e t e r s i n c l u d et h es t r u c t u r es i z e ，s e c t i o ns i z ea n dt h el o c a t i o n s o ft h ea m p l i t u d e h i n g e p o i n t sa n d e r e c o n s i d e r i n gt h a tt h et r a d i t i o n a lt h e o r yc a l c u l a t i o ni sq u i t es k e t c h y t h es t r e n g t h ，s t i f f n e s s ， a n ds t a b i l i t yo ft h et e l e s c o p i n gb o o mw a sc a l c u l a t e d , b u ti nt h ec a l c u l a t i o np r o c e s s ，m a n y s i m p l i f i c a t i o n si n f l u e n c e dt h ec o m p u t a t i o n a la c c u r a c yw e r eu s e d m e a n w h i l e ，i t i sd i f f i c u l tt o o b t a i nt h eo v e r a l lr e s u l t s ，e s p e c i a l l yt h es l i d e rl o c a ls t r e s s s ob a s e do nt h et r a d i t i o n a lt h e o r y c a l c u l a t i o n ，a n s y sw o r k b e n c hh a sb e e nu s e dt oa n a l y z et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h ew e t s p r a y i n gm a c h i n e r yt e l e s c o p i n gb o o mw h i c hi sc o n s i d e r e da sa m a t u r ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i i 页 1 i m i i i l l ! t o o l s t h ec o m p l e t e3 da n a l y t i cm o d e lo ft h et e l e s c o p i n gb o o mh a sb e e ne s t a b l i s h e di n a n s y sw o r k b e n c h a n dt h e n , t h em e c h a n i c a la n a l y s i so ft h et e l e s c o p i n gb o o mw a s c o m p l e t e da l t e ras e r i e so ff e a s t e p s ，s u c ha st h ec o n t a c tc o n t r o l l i n g ，t h em e s hd i v i d i n g ，t h e l o a da p p l y i n g ，t h ec o n s t r a i n th a n d l i n g ，t h es o l v i n ga n dt h ep o s t - p r o c e s s i n g f i n a l l y , w i t ht h e f u n c t i o no fs e a m l e s sc o n n e c t i o nt ot h ec a d ，t h ec a ea n dt h e o p t i m i z a t i o n m o d u l e sf r o mt h es o f t w a r ea n s y sw o r k b e n c h ，a n dp l u s t h es m a c t u r a l o p t i m i z a t i o nd e s i g nt h e o r y , o n ek i n do ff e a s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o nr e s e a r c hi sg i v e ni nt h i s t h e s i s f i n do u tt h ek e yf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c eo ft h et e l e s c o p i n gb o o m ，a n d a c h i e v et h el i g h t e rw e i g h tt a r g e ti nt h ef i e l do ft e l e s c o p i n gb o o m i tc a l lp r o v i d es o m e r e f e r e n c ef o rt h es a m et y p e so ft h et e l e s c o p i n gb o o ms t r u c t u r e k e yw o r d s ：t e l e s c o p i n gb o o m ；a m p l i t u d eh i n g e - p o i n t s ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；s t r u c t u r e o p t i m i z a t i o n i l i i _ i 暑i i i i 宣i i i i i i 暑 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 混凝土湿喷机作为一种施工设备广泛使用在地下工程、岩土工程等领域。由于隧道 等施工地点高度一般都在5 m 以上，人工喷浆时就需要使用脚手架等辅助工具，这样不 仅进度慢，而且费工、费力，作业效率低下；同时，在喷射过程中产生的振动、噪声、 粉尘污染问题也时刻威胁着作业工人的身体健康。使用机械手伸缩臂来替代人工作业是 解决上述问题的主要措施。 成都某隧道工程机械研究所在类比技术成熟的流动式起重机后，设想在起重机伸缩 臂端部架设喷射头等喷射工具来代替人工作业，研制出一种能在恶劣的隧道施工工况下， 具有良好的机动能力和高性价比的机械手伸缩臂。该伸缩臂不仅要求能够实现变高度还 要能够实现变幅度，以适应在不同环境下的工况要求。由于在施工作业过程中，该机械 手伸缩臂还需要作大范围的回转，使得该机械手伸缩臂的受力载荷程度和方向多变，明 显有别于通常的起重机伸缩臂。而且，该机械手伸缩臂工作时，伸缩臂处于全伸状态， 相应的工作幅度较大，导致其倾覆力矩亦较大。为保证其整机稳定性，应尽可能减轻伸 缩臂重量，降低其制造成本。 在满足各项设计指标的前提下，采用优化设计，尽可能降低伸缩臂的结构自重，对 该伸缩臂性能的影响至关重要。本文就以该伸缩臂为研究对象，通过建立合理的分析模 型，寻找影响该伸缩臂强度、刚度和稳定性的主要因素，在满足工作范围和载荷要求的 情况下，对该伸缩臂与变幅铰点的位置进行优化，使伸缩臂重量最轻。 1 2 国内外伸缩臂研究历程 随着科学技术的发展，特别是智能机器人技术的不断突破以及各种新材料、新技术、 新结构、新工艺的出现，工程机械伸缩臂有了日新月异的变化。2 0 1 0 年1 1 月在上海新 国际会展中心举行的b a u m ac h i n a 2 0 1 0 ，伸缩臂的多项记录再次被刷新。大型化、小 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 型化、智能化、节能环保将代表着今后伸缩臂的发展方向n3 。 作为一受力构件，伸缩臂在众多的工程机械中都有应用，如起重机、叉装车、高空 作业车、装载机等，如图1 1 所示。 ( a ) s w t c 伸缩臂履带起重机( b ) s w t h 系列伸缩臂叉车 ( c ) 伸缩臂式高空作业平台 ( d ) k r a m e r7 5 0 t 伸缩臂装载机 图1 1 伸缩臂的应用 1 2 1 伸缩方式发展历程 在工程机械发展的初期，由于各方面技术的不成熟，便于加工制造的桁架结构最能 满足臂架的各方面性能要求噜3 。因此，早期的臂架主要采用的是桁架结构。桁架式臂架 可以用角钢、钢管或异型钢结构焊接而成聆3 。这种结构的臂架具有重量轻，用料省，刚 度大，迎风面小等优点。但这种臂架属于定长臂，结构尺寸比较大，在移动和运输过程 存在诸多不便。箱型伸缩臂是伴随着流动式起重机发展而来，在起重机起重臂所经历1 3 0 多年的发展历程中4 3 ，箱型伸缩臂属于后起之秀。随着2 0 世纪6 0 年代液压技术的发展， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 箱型伸缩臂得到了飞速的发展，并成功的应用到各种工程机械上。如今，绝大多数的流 动式起重机都采用箱型伸缩臂，可是箱型伸缩臂伸缩方式的演变却经历了较漫长的过程， 从过去的手动伸缩式、液压机械动力驱动伸缩方式、液压气动插销伸缩方式，发展到 当今的单缸自动插销式伸缩技术阽1 。 1 手动伸缩式，被视为伸缩臂技术的起源。随着工业的不断发展，对吊装装备提 出了较高的要求，在满足较高的吊装高度的同时也要求有较高的机动性，箱型伸缩臂技 术便孕育而生。这种臂架在全伸状态下有较大的臂长，能满足对起升高度的要求；全缩 状态时能有较小的结构尺寸，又能满足机动性的要求。而在伸缩方式上，最早的箱型伸 缩臂采用的是螺杆传动或手动伸缩哺1 。 2 液压机械动力驱动方式，2 0 世纪6 0 年代，伴随着液压技术的发展，伸缩臂技术 也在快速发展。单缸、多缸、多级套缸、油缸。绳排等伸缩方式被广泛使用，如图1 2 所 示。 图卜2 油缸一绳排驱动方式 3 液压气动插销伸缩式，2 0 世纪8 0 年代末，在多级套缸方式的改进和提高下，与 气动插销相结合，可以实现自动伸缩。 4 单缸自动插销伸缩式，突破了之前所述的每节伸缩臂的伸缩都需要油缸或伸缩绳 排的观念。各节臂共用个伸缩缸，大大简化了伸缩机构，减轻了吊臂的重量，引领了 伸缩臂的技术进步。 1 2 2 伸缩臂断面形式的发展历程 伸缩臂作为主要承载部件，其外观造型、重量将直接影响着整机的性能。在伸缩臂 的研究中，不少中外学者都通过改变臂架截面形式的方式来达到减轻伸缩臂架重量的目 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 的。随着科技的不断进步，尤其是特大型精密加工设备和设计方法的不断发展，伸缩臂 截面形式也发生了巨大变化。纵观臂架截面形式的发展史，从早期简单的矩形，经历过 梯形、五边形、六边形到现在的八边形、“u 形、类椭圆形以及椭圆形截面。截面形式 的演变过程展现了伸缩臂在结构上的设计和加工更加科学，臂架的受力也日趋合理口3 。 口口口 ( a )( b )( c )( d ) 口、口0o ( e )( f )f i g )( h ) 图1 - 3 伸缩臂的几种典型截面形式 矩形截面是目前伸缩臂中使用最多的一种截面形式，与其他截面形式相比，其制造 工艺简单，只需由翼缘板和腹板焊接即可，同时又具有良好的抗弯和抗扭刚度。但这种 截面没有充分发挥材料的承载能力，为了使伸缩臂各节臂之间能很好地传递扭矩和横向 力时，需要设附加支承3 。 矩形截面在使用时，下翼缘板的压应力大于上翼缘板。为减小截面压应力，在制造 过程中下翼缘板比上翼缘板厚，使得截面中性层下移，从而达到减小下翼缘板压应力的 目的，同时提高其局部稳定性。截面腹板不需要承受很大的压应力，选取材料时比上下 翼缘板要薄，但为了避免发生局部失稳，增强腹板的抗屈曲能力，多采用设置加强筋的 方法。一般是在腹板的受压区域焊接有纵向加强筋或在腹板的外侧焊接斜向加强筋。 继矩形截面之后就是梯形截面。梯形截面的上翼缘板窄，下翼缘板宽，在几何尺寸 上使得截面中性层靠下，从而达到减小下翼缘板的压应力，提高了腹板的稳定性陋3 。 目前，对于某些重要用途的伸缩臂采用较多的是八边形和大圆角矩形截面。这两种 截面形式相比四边形截面，下翼缘板和腹板的实际计算宽度小，有利于提高伸缩臂的抗 失稳能力。而且前后滑块均支承在四角处，伸缩臂各板的局部弯曲变形小，有利于传递 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 置量i 曼曼曼曼量曼曼曼皇量量量曼皇曼量曼鼍量曼皇曼曼曼鼍曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼皇量曼曼皇曼量皇曼量曼曼曼詈曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼! 量 扭矩和横向力。因此，这两种截面形式的伸缩臂能很好地发挥材料的机械性能，有利于 减轻伸缩臂结构的自重。 椭圆截面和类椭圆截面是在大圆角矩形截面的基础上发展而来，而且相比于大圆角 矩形截面形式，椭圆截面和类椭圆截面形式的伸缩臂更能充分利用伸缩臂材料的性能， 提高侧向抗屈曲能力，但这两种截面形式需要设立侧向支承，而且制造工艺更加复杂， 目前很少用于伸缩臂制造中。不过，椭圆截面和类椭圆截面优秀的材料机械性能是今后 伸缩臂截面形式发展的一种趋势嘲。 1 3 课题主要研究内容 本论文主要是对前述的具体工况下伸缩臂系统作为研究对象，将有限元分析技术和 结构优化结合起来，运用机械优化理论对伸缩臂圆角矩形断面形式和变幅铰点的位置进 行整体、系统性的优化分析，探讨解决一些实际问题，既减少伸缩臂系统的重量，又提 高其工作性能，具体内容包括： 第一章绪论部分。主要介绍本文的研究背景，国1 内夕1 - 伸缩臂研究的历程，阐述本 论文研究的主要内容等。 第二章从流动式起重机伸缩臂的理论研究入手，根据混凝土湿喷机机械手对伸缩 臂结构的基本要求，设计适用于湿喷机机械手工作环境的伸缩臂结构。通过研究混凝土 湿喷机机械手伸缩臂的各种工况，根据传统的流动式起重机伸缩臂的设计方法，对伸缩 臂进行分析与计算，寻找影响机械手伸缩臂结构的关键因素。 第三章伸缩臂俯仰机构的研究。伸缩臂变幅机构三铰点的布置直接影响着伸缩臂结 构的性能，同时也制约着变幅油缸的合理选取。优化该三铰点的布置，以期得到具有良 好性能的伸缩臂俯仰机构和伸缩臂结构。 第四章伸缩臂结构的有限元分析。伸缩臂传统设计方法所建立的计算模型对伸缩 臂结构的力学特性分析并不足够精确，本章采用有限元法对机械手伸缩臂结构进行分析 与校核。 第五章伸缩臂结构的优化设计。在保证伸缩臂结构和零部件满足各项设计指标的 前提下，对伸缩臂进行轻量化研究，应尽可能减轻伸缩臂重量，以保证其整机稳定性， 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 ： 并降低其制造成本。 最后，通过阐述结论与展望，对全文进行总结，分析本文中的不足之处，并对机械 手伸缩臂未来研究进行展望，图1 1 为本文主体结构框图。 第一章绪论 解决伸缩臂截面问题解决伸：臂铰点问题 一。 _ _ _ - - - _ _ 图卜1 论文主体结构框图 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章伸缩臂结构的方案研究与计算 各种箱型伸缩臂的特点和工作方式决定了它们种类众多，在结构上存在着明显的差 异，而各种工况下的技术参数将决定着伸缩臂的结构类型n 训。本章主要研究混凝土湿喷 机机械手伸缩臂的各种工况，利用传统的力学方法，对伸缩臂进行分析与计算，找出制 约伸缩臂结构的关键因素，并对其进行初步的优化分析1 加副。 2 1 伸缩臂结构的基本参数 2 1 1 主要技术参数 本伸缩臂主要参考起重机伸缩臂结构进行设计，要求其结构简单，强度、刚度和稳 定性能够满足其使用要求。其参数要求如下： 伸绾昔盲荤i 图2 - 1 伸缩臂端部重心位置图 ( 1 ) 伸缩臂工作长度l = 5 5 m ，采用单级伸缩； ( 2 ) 伸缩臂末端负重载荷g o = 2 0 0 k g ，质心位置如图2 1 所示； ( 3 ) 伸缩臂末端工作载荷咫1 2 8 n ，为冲击载荷，且呈多种方向； ( 4 ) 伸缩臂伸缩移动速度1 ，1 = 2 0 0 m m s ，油缸设置液压锁，比例控制； ( 5 ) 相对水平方向，伸缩臂俯仰角度范围为3 0 。“0 。，油缸移动速度v 2 = 1 0 0 m m s ， 比例控制。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 1 2 计算工况 湿喷机机械手伸缩臂喷嘴部分的结构如图2 2 所示。工作时，主要是通过改变喷嘴 的角度来实现对不同工作部位的工作，如图2 3 所示。根据湿喷机机械手伸缩臂的工作 环境和需求，可以找出伸缩臂工作的主要工况，如表2 1 所示。 图2 2 喷嘴部分结构示意图 ( a ) 右侧喷射 ( c ) 左侧喷射 ( b ) 上侧喷射 图2 - 3 喷射动作示意图 ( d ) 下侧喷射 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 表2 1 湿喷机机械手伸缩臂主要工况 2 1 3 伸缩臂主要尺寸 伸缩臂多数制成矩形截面的箱型结构，在箱型结构内装有伸缩油缸，伸缩臂根部与 转台铰接，靠近伸缩臂根部装有变幅油缸，在伸缩臂的每个外节臂内装有支承内节臂的 棍子或滑块支座，如图2 4 所示。 伸缩油缸 图2 4 伸缩臂系统简图 1 f 申缩臂长度1 3 3 伸缩臂的最大长度k = 5 5 0 0 m m 是由基本臂的结构长度l 和伸缩臂外伸长度，i 组成 的： 七瞰= 厶+ 如+ ，3 + ，= 厶+ ( 髭+ 口2 ) + ( 巧+ 口3 ) + ， ( 2 1 ) 式中：鬈、鬈伸缩臂的伸缩长度； 口2 、口3 二、三节臂缩回后外露部分的长度。 第i 节伸缩臂缩回后，除外露部分长度a 外，在前一节( i - 1 ) 节臂中的长度为伸缩 臂的伸缩长度髟加上伸出后仍在前一节臂内的那部分搭接长度妒。即，第f 节伸缩臂的 结构长度为厶： 厶= 髟+ + 口f ( 2 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 皇量曼鼍量曼舅皇曼曼量皇量暑詈皇量量曼鲁曼鼍量曼! 蔓曼皇曼曼皇量鼍量量皇詈皇皇曼曼量量曼曹曼曼量舅舅曼詈! 曼皇曼曼曼鲁舅舅量量量曼量皇囊| 舅舅曼量曼曼皇曼曼舅曼曼 经过分析，取基本臂长l l = 3 2 0 0 r n m ，伸缩臂之间的搭接长度，l 。= 8 5 0 m m ，伸缩长度 = 2 0 5 0 m m ，第二节臂长l 2 = 3 15 0 m m 。 图2 - 5 伸缩臂结构长度简图 2 伸缩臂截面形式 伸缩臂的截面形式主要分为两种：多边形截面和曲边截面。目前我国的流动式起重 机主要采用的是多边形截面。在绪论部分已经详细介绍了几种伸缩臂的典型截面形式， 综合上述各种伸缩臂截面形式的优缺点，从制造工艺和制造成本等方面考虑，矩形截面 形式是一种较成熟的截面形式。该截面形式的伸缩臂由四块或两块压弯钢板焊接而成， 如图2 5 ( a ) 所示。相比于图( a ) ，图( b ) 的截面形式的优点在于，该截面形式采用双 “u ”型折弯钢板对焊，因此该截面只有两条焊缝，且焊缝位于应力相对较小的腹板处。 故本文拟采用图2 5 ( b ) 所示的圆角矩形截面形式。 ( a ) ( b ) 图2 5 伸缩臂的截面形式 3 材料选用 随着材料科技的不断进步，超高强度材料的应用不断涌现，材料的力学性能已经达 到较高水平。在伸缩臂材料的应用中，材料最高抗拉强度甚至已经超过1 0 0 0 m p a 。不过 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 l = i 皇曼曼曼曼曼曼曼鼍舅舅罾喜曼曼量皇曼曼曼蔓曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼 考虑到制造成本、局部屈曲和抗腐蚀的耐久问题，在一般的工程机械中，常用的材料还 是q 2 3 5 ，q 3 4 5 等。伸缩臂在工作时，各节臂之间主要是通过滑块的接触产生挤压和摩 擦来传递力。因此，滑块材料也是至关重要的，目前常用的滑块材料有尼龙和铸青铜。 在考虑到伸缩臂的截面尺寸较小，滑块尺寸也不宜过大，同时不会因为带载伸缩过于频 繁而出现过热烧损和老化的情况，本文选取： ( 1 ) 伸缩臂结构材料：q 2 3 5 ； ( 2 ) 安全系数：n = 1 3 4 ； ( 3 ) 材料许用应力 川：同= o - s n = 2 3 5 1 5 = 1 5 7 m p a ： ( 4 ) 伸缩臂滑块尺寸：k lx 恕x k 3 = 5 0 m m x 2 5 m i n x1 4 m m ； ( 5 ) 滑块结构材料：铸青铜。 2 1 4 载荷组合 载荷的确定一般有理论分析和实验标定两种方法n 劓。目前，我国对于载荷的确定主 要还是通过成熟的理论分析来确定。根据本湿喷机机械手伸缩臂的工作特点，参考起重 机的载荷分类与组合情况，将湿喷机机械手伸缩臂载荷分为四类：常规载荷、偶然载荷、 特殊载荷和其他载荷u 副。 在实际情况下，上述四种载荷不会同时作用于伸缩臂。在设计过程中，仅考虑最不 利的载荷组合。根据起重机设计规范g b 3 8 1 1 2 0 0 8 ，流动式起重机载荷组合分为三 类：载荷组合a 、载荷组合b 、载荷组合c 。在设计过程中为保证湿喷机机械手伸缩臂 的设计要求，选择最为恶劣的载荷组合进行加载计算。考虑实际工作的最危险情况，选 择载荷组合b 类载荷，即常规载荷和偶然载荷同时作用的情况。 1 常规载荷：指始终和经常作用在湿喷机机械手伸缩臂结构上的载荷，即湿喷机机 械手伸缩臂正常工作时必然出现的载荷，包括： ( 1 ) 自重载荷尸g ：指伸缩臂的结构、机械设备等的重力( 亦称固定载荷) 。包括： 连接喷嘴的各种液压管路、压缩空气管路、伸缩臂自重以及控制电线等。 ( 2 ) 作业载荷尸d ：指本机以额定负载作业时的总质量的重力。在这里，将喷嘴质 量和相应可能的输送混凝土质量看作起升载荷，而引入起升载荷这一概念。 ( 3 ) 水平惯性载荷助：指伸缩臂在整机运行、回转机构在起( 制) 动时引起的水 平方向惯性载荷和管线晃动载荷。 2 偶然载荷：指机器在正常工作状态下结构所承受的非经常性作用的载荷，主要考 虑： ( 1 ) 工作状态下的风载荷p 职根据起重机设计规范g b 3 8 11 - 2 0 0 8 ，视风载荷 是可以作用于任意方向的水平载荷。在结构计算时按照最不利的情况加以考虑，即在工 作状态下垂直于伸缩臂加载。根据起重机设计规范g b 3 8 11 - 2 0 0 8 ，风载荷计算公式 为： 易= c p a ( 2 3 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 式中：c _ 一风力系数，取c = i 8 5 ： 卜工作状态计算风压，取p = - 1 5 0 n m 2 ； 彳构件垂直于风向的实体迎风面积。 2 1 5 载荷系数计算 验算机器承载能力的过程中，载荷效应的确定需要考虑载荷系数。对于载荷系数的 计算，国外有一些参考方法n 耵。本文根据起重机设计规范g b 3 8 1 1 2 0 0 8 标准进行计 算。 1 起升冲击系数9 1 起升质量突然起升或下降制动时，自重载荷因出现振动而产生脉冲式增大或减小的 动力响应。考虑起升及制动过程中的动载作用，对自重载荷尸g 乘以一个起升冲击系数9 l 。 计算公式n 引： 仍= 1 口，0 d o 1 ( 2 - 4 ) 由于该伸缩臂对应的起升速度较小，近似的取q h = 1 0 5 。 2 起升动载系数缈2 当起升作业时，物品的惯性力将会使起升载荷出现附加动载荷的作用。在考虑起升 动力效应时，对额定起升载荷尸g 乘以一个起升动载系数矽2 。根据规范n 副： 仍= 仍血n + 忍v 口 ( 2 5 ) 式中：9 2 面r 与起升状态级别相对应的起升动载系数的最小值，按h c 2 选取，妒2 m 矿1 1 ； w 一稳定起升速度，岣= 0 1 m s ： 一 仍按起升状态级别设定的系数，按h c 2 选取，屈= o 3 4 ； 计算选取：仍1 1 5 。 2 2 箱型伸缩臂的计算阳1 对于起重机箱型伸缩式吊臂而言，伸缩臂的计算工况由起重机的起重特性曲线选 取，该特性卣线由伸缩臂强度曲线和抗倾覆稳定起重特性曲线的包络线来描述。在小幅 度时决定于强度曲线，在大幅度时决定于抗倾覆稳定性稳定曲线。在计算过程中，通常 选择强度曲线和抗倾覆稳定性曲线的交点作为伸缩臂设计计算的工况，即首先考虑最大 起重力矩这一危险工况进行计算。结合实际情况，首先选择机械手伸缩臂在水平全伸状 态作为最不利计算工况( 表2 1 ，工况4 、5 、6 ) 。 2 2 1 伸缩臂受力分析 l ? 伸缩臂在变幅平面承受的载荷 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 图2 6 燹幅平面伸缩臂受力衙图 ( a ) 伸缩臂受力简图；( b ) 伸缩臂计算简图 伸缩臂在变幅平面的计算简图可视为简支外伸梁，伸缩臂根部的铰接点和变幅油缸 的支承点视为简支梁的两个支点。伸缩臂在变幅平面的受力简图，如图2 - 6 所示： ( 1 ) 垂直载荷q ： q = q , , g o + 娄仍g ( 2 6 ) 1 j 式中：g h 申缩臂末端负重载荷，g o = 2 0 0 k g ； 仔- 1 申缩臂重力； 9 l 起升冲击系数； 9 2 起升动载系数。 ( 2 ) 伸缩臂在变幅平面承受的外力： 轴向力 n = o s i n u + e ( 2 - 7 ) 横向力恐： c = q c o s u + e ( 2 8 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 式中：f 1 伸缩臂末端工作载荷沿轴向的作用力； 毋伸缩臂末端工作载荷沿横向的作用力； l 广- f 申缩臂在变幅平面的倾角。 。 ( 3 ) 垂直载荷q 和末端工作载荷f 对伸缩臂轴线偏心引起的力矩帆r ： 帆】，= 仍g o qs i n u + f 1 e , ( 2 9 ) 式中：e 1 伸缩臂末端负重载荷与伸缩臂轴线的偏，t l , 距，e l = 1 6 0 m m ； e 2 _ 4 申缩臂末端工作载荷与伸缩臂轴线的偏心距，e 2 = 3 6 0 m m 。 2 f 申缩臂在回转平面承受的载荷 ( 1 ) 侧向载荷： 伸缩臂在回转平面的侧向载荷包括作业载荷偏置产生的载荷7 ：l = g ot a ng ，转化到伸 缩臂端部的伸缩臂风载荷和惯性载荷瓦= o 4 ( 昂+ 昂) ，还有湿喷机机械手伸缩臂在左右 喷射时，喷射头产生的作用力尼，以及在不同喷射方向时，作用在伸缩臂端部的侧向力 矩m z ：z 和扭矩坛，伸缩臂在回转平面的受力简图，如图2 7 所示： 侧向力乃： 图2 7 回转平面伸缩臂受力简图 瓦= 瓦+ 乙+ e ( 2 1 0 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 ( 2 ) 轴向载荷： 在计算回转平面内的载荷时，伸缩臂在变幅平面内承受的轴向力，同样也作用在 伸缩臂上。 ( 3 ) 伸缩臂端部的扭矩坛： = 6 ；qt a n a + f i g o 与+ 岛，砭 ( 2 1 1 ) 式中：k l 、虹一根据喷射方向取值，取七1 - - 0 ，l ，1 ，恕= o ，1 ，1 。 2 2 2 伸缩臂刚度计算 1 刚度计算 伸缩臂在压弯工况下，采用放大系数法计算伸缩臂端部挠度并作伸缩臂的刚度计 算。在变幅平面内，伸缩臂端部的静位移为五，在回转平面内，伸缩臂侧向静位移为石。 ( 1 ) 变幅平面： 正= 忑1 ( 允+ ，篓制蚺志( m ) 协 0 9 n _ o y ( 2 ) 回转平面： = 互1 ( 厶坞薯剐卅需( m ) 协 0 9 n 。 、 式中： h 申缩臂承受的轴向压力； 万一申缩臂在轴向压力n = 0 时，由变幅平面横向载荷引起的臂端挠度； 五，h 申缩臂在轴向压力n - - 0 时，由回转平面侧向载荷引起的臂端挠度； 心，h 申缩臂在变幅平面的临界力； m ，厂啪缩臂在回转平面的临界力； 广变幅平面内相邻两节臂之间的横向间隙，间隙大小由使用要求和工艺条件 决定，通常取赴= 2 - - 4 m m ； 今r 一回转平面内相邻两节臂之间的侧向间隙，取，= 2 - - 4 r a m ； 静一申缩臂的节数，k - - 2 ： 【厂卜1 申缩臂许用挠度： 一 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 乞r 一申缩臂臂长，工d + o 5 5 m - - 6 0 5 m 。 在计算变幅平面伸缩臂端部挠度时，其计算载荷只考虑有效载荷的静力作用，不计 自重和动载系数嘲。 2 f 申缩臂临界力计算 ( 1 ) 回转平面的临界力 ( b ) 图2 - 8 回转平面内伸缩臂临界力计算简图 在回转平面内，伸缩臂为一端固定，另一端自由的匾弯构件，如图2 8 ( a ) 所示。 在计算回转平面的临界力时，采用的公式： 2 貉 一( 2 - 1 4 ) 一式中：l 由伸缩臂在回转平面的支承类型决定的长度系数，1 = 2 ； 地箱型伸缩臂变截面长度系数，由公式( 2 1 5 ) 给出； 厶l 第一节臂的截面绕z 轴惯性矩。 其中，箱型伸缩臂变截面长度系数1 2 ： ( 2 1 5 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 1 - m 曼曼曼曼量甍皇曼曼皇量量量皇量皇曼量量置曼曼皇曼鼍曼曼曼曼鼍量曼詈寡曼量皇鼍量昌鼍皇皇曼皇鼍! 曼詈曼曼曼曼曼量毫曼舅曼皇量鼍皇量詈曼! ! 曼曼! ! 璺 式中：卜第f 节臂的截面绕z 轴惯性矩； 一 a 一节臂伸出后的长度与伸缩臂全长之比，如图2 8 ( a ) 所示。 ( 2 ) 变幅平面的临界力 图2 - 9 变幅平面伸缩臂临界力计算简图 变幅平面临界力计算公式： = 面1 f f 2 e 万, y l ( 2 - 1 6 ) 式中：5 1 第一节臂的截面绕y 轴惯性矩； 2 箱型伸缩臂变截面长度系数，由公式( 2 1 7 ) 给出； 其中，箱型伸缩臂变截面长度系数胞： 心2 ( 2 1 7 ) 式中：厶，广第f 节臂的截面绕y 轴惯性矩。 在求解临界力时，伸缩臂在变幅平面可视为简支外伸梁，由支承类型决定的长度系 数l 可根据文献 8 表5 2 查表差值求得。根据受力情况分析，伸缩臂的挠度曲线在臂 架液压缸支点与伸缩臂下铰点之间某位置的挠度等于零，因此在计算臂架长度三时，需 进行换算= k - 4 1 2 ，l 为变幅油缸支点与伸缩臂下铰点间的距离。此时叫= 4 l t 7 ， = l ；i t 。p 2 可以由文献 8 表1 1 - 2 查表计算求得。 3 横向载荷引起的伸缩臂端部挠度允 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 ( 1 ) 变幅平面的臂端挠度丘 在变幅平面内，箱型伸缩臂在端部横向载荷瓦和舰y 的作用下产生了挠曲变形，且 该变形在多节臂上产生叠加，因此臂端挠度丘： 厶= z + 2 + 。耳+ ， ( 2 1 8 ) 式中：俨第i 节臂的端点线位移，由公式( 2 - 1 9 ) 给出； 乳l 第f + l 节臂绕第i 节臂端部转动的角度，由公式( 2 2 0 ) 给出： 昂+ l 第i 节臂端部到伸缩臂端部的距离。 其中，在计算端点线位移石和伸缩臂转动的角度靠时，可以根据横向载荷和舰y 产生的弯矩作弯矩图并用图乘法求得： 彳= 厶+ 后= 筹( 譬一l j , + 等一钟刍讹训2 钆咆，州哪= 筹( 厶一强“培( 譬一2 l j , + 等一訇( 2 - 2 0 ) ( 2 ) 回转的臂端挠度向 在参考变幅平面的臂端挠度丘的计算公式后，可得到伸缩臂在回转平面上的臂端挠 度南的计算公式： 厶= z + 谚+ 。骂+ ， ( 2 - 2 1 ) f 2 lf = l 但是在计算变幅平面的臂端挠度允时，是将伸缩臂视为简支外伸梁；而在计算回转 平面的臂端挠度时，是将伸缩臂视为悬臂梁。 2 2 3 伸缩臂强度计算 吒；等+ ：；r _ 訇+ 硼m 2 仃】 ( 2 2 2 ) 吒；i + ：；( _ 二：葫+ 硼仃1 2 。2 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 磁一横向载荷在回转平面引起的计算截面弯矩，由公式( 2 2 4 ) 给出； m n _ 伸缩臂在变幅平面的临界力； 口：一申缩臂在回转平面的临界力； 彳伸缩臂计算截面的截面积； h 申缩臂计算截面对少轴的断面抗弯模量； 耽伸缩臂计算截面对z 轴的断面抗弯模量； 【川伸缩臂材料的许用应力。 其中，伸缩臂任意一点位置的计算截面弯矩计算公式为： 变幅平面： 鸠= 蚝+ r ：( l - x ) ( 2 - 2 3 ) 回转平面： m 。= m 。：+ r ( l x ) ( 2 2 4 ) 一 r 、， 对于翼缘板和腹板上的剪应力的计算公式则由下式给出： 翼缘板： z o - - - - 去+ 若印】 协2 5 ， 藏+ 薪【】 旺。2 腹板： = 去+ 老 州 协2 6 ， 式中：如、巧广翼缘板和腹板的厚度； b 、卜翼缘板和腹板的高度； 么o _ 翼缘板和腹板的中心线包容的面积； 磁_ 设伸缩臂扭转的扭矩。 2 伸缩臂重叠部分的强度计算 ( 1 ) 局部弯曲应力计算 目前，在解决箱型伸缩臂翼缘板和腹板在滑块处的局部弯曲问题时，采用的是薄板 弯曲的解析解乘以一个修正系数的方法，而这个修正系数是由实验测得。在理论分析时， 翼缘板和腹板可视为两边简支的无限长薄板，受集中力m 的作用。对于薄板局部弯曲的 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 弯矩必和m ： 心= m y = 鲁( 1 + ) 1 n 1 一c 。s ! ( 兰童11 + c 。s t t ( y - 善) = 五孕b = 曩翠b1 一c o s 掣1 + c o s 掣 d d ，( y 善) ( 2 - 2 7 ) 实际上，伸缩臂翼缘板和腹板的两边支承情况是介于简支边和固支边之间的，翼缘 板和腹板之间存在一定的相互约束，而滑块对翼缘板的压力也具有一定的分布规律，并 非以均布力的方式作用在翼缘板上n 。因此，通过修正后的伸缩臂局部弯曲应力计算公 式为： ：鲁- n ( 1 + ) 山 2 互万【1 + 川山 1 一c o s ! ( 兰童11 + c 。r r ( y - ：) 。垒。一羔l 。 l c o 。! ( 兰二兰! 。l + c o 。! ! ! 童2 bb 式中：卜翼缘板( 或腹板) 的厚度。 ( 2 2 8 ) 二三正二二习) v _ ； 图2 1