（机械设计及理论专业论文）履带起重机准特性曲线的设计原理研究.pdf

l 、 p 。 厶： l i 旷 j at h e s i sf o rt h ed e g r e eo fm a s t e ri nm e c h a n i c a ld e s i g na n d t h e o r y s t u d y o nt h e d e s i g n p r i n c i p l eo f c r a w l e rc r a n e sp s e u d o - c h a r a c t e r i s t i cc u r v e b yt i a ny u a n z h e n g s u p e r v i s o r ：l i ng u i y u n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e 2 0 0 8 参 i 1 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 = 匹 思。 学位论文作者签名：目逸侄 日 期：咖3 年 闰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：旧适钇导师签名：凑级 签字日期： 加8 7 2签字日期：广吼7 | 一 l i 东北大学硕士论文摘要 履带起重机准特性曲线的设计原理研究 摘要 履带起重机在我国国民经济建设中起着十分重要的作用，而履带式起重机臂架结构 是履带式起重机的重要承载部件之一，其力学性能对整机的正常运转有直接影响。但是 目前国内在臂架初步设计时，一般是凭借设计者的经验，参考典型方案，初步拟定，逐 步完善，缺乏理论依据。 针对目前情况，本文以实际工程为背景，首次提出了履带起重机准特性曲线的概念。 准特性曲线有别于起重特性曲线，是在概念设计阶段，未完成整机设计之前，有关参数 尚未知的条件下确定的，仅对臂架结构的分析得出的特性曲线，它是臂架详细设计的基 础，对整机设计也有指导意义。 准特性曲线的设计，首先是臂架结构的原理设计。以基本臂臂长，主臂最大长度及 最大起重量为已知参数，从原理设计的角度出发，依据g b t 3 8 1 1 - 2 0 0 5 ，以刚度条件， 强度条件和稳定性条件为设计原则，给出基本臂的截面高度、宽度、主弦杆截面积、腹 杆截面积及节间长度与已知参数的函数关系；在基本臂初步设计完成的基础上，确定标 准臂节的相关结构参数。在臂架的结构确定以后，通过等应力和等力矩原则分别给出臂 架的准特性曲线及载荷特性表。 在以上分析和研究的基础上，本文采用v i s u a lb a s i c2 0 0 5 程序设计语言，链接m a t l a b 7 1 和a c c e s s 数据库开发了履带起重机准特性曲线设计系统。通过对q u y 6 3 0 机型验证， 本软件设计结果与实际机型相关参数的误差在允许的范围之内，具有一定的实用价值。 关键词：履带起重机；特性曲线；臂架设计；原理设计；软件开发 一 l ， 东北大学硕士论文 a b s t r a c t s t u d yo nt h ed e s i g np r i n c i p l eo f t h ec r a w l e r c r a n e sp s e u d o c h a r a c t e r i s t i cc u r v e a bs t r a c t b o i l e r sp l a ya l li m p o r t a n tr o l ei nt h en a t i o n a le c o n o m yc o n s t r u c t i o n ，a n dt h ej i bm e t a l s t r u c t u r ei so n ek i n do ft h ei m p o r t a n tl o a d - c a r r y i n gc o m p o n e n t so fc r a w l e rc r a n e i t s m e c h a u i c a lp r o p e r t i e sh a v ed i r e c t l yi n f l u e n c eo nt h ew h o l em a c h i n e sr u n n i n g h o w e v e r , n o w j i bd e s i g n i n gi sa l s om o s t l ym a n u a lw o r kd o n eb yt h ed e s i g n e r se x p e r i e n c e ，、v i t l lr e f e r e n c et o r e p r e s e n t a t i v ep r o j e c t s ，w h i c hi ss i m p l ys t u d i e do u ta n dp e r f e c t e d ，l a c k i n gt h e o r yb a s i s a c c o r d i n gt ot h ep r e s e n ts i t u a t i o n , t h ea u t h o rp u t sf o r w a r dt h ec o n c e p to f c r a w l e rc r a n e s p s e u d o c h a r a c t e r i s t i c c u r v et a k i n gap r a c t i c a le n g i n e e r i n gp r o j e c ta sr e f e r e n c e c r a w l e r c r a n e sp s e u d o c h a r a c t e r i s t i cc u r v ed i f f e r sf r o mt h el i f t i n gc h a r a c t e r i s t i cc u r v e i ti st h et h e l i f t i n gc h a r a c t e r i s t i cc r r v eo n l yc o n s i d e r st h eji b ss 1 m c t l j r ew i t h o u tc o n s i d e r i n gc r a w l e r c r a n e sw h o l es t r u c t u r ed u r i n gc o n c e p td e s i g np h a s e i ti st h ef o u n d a t i o no fd e t a i l e dd e s i g n a n dh a sg u i d i n gs i g n i f i c a n c eo fm a n i p u l a t o rd e s i g n c r a w l e rc r a n e s p s e u d o - c h a r a c t e r i s t i c c u r v e s d e s i g n b a s e so nt h et h r e ek n o w n p a r a m e t e r s - m a x i m u ml i f t i n gl o a d ，t h eb a s i ca r ml e n g t ha n dt h em a xl e n g t ho ft h eb o o m f r o m t h ep o i n to fv i e wo fp r i n c i p l ed e s i g n ，h a v i n gm a x i m u ml i f t i n gl o a da n dt h eb a s i ca r ml e n g t ha s k n o w np a r a m e t e r s ，b a s e do ng b t 3811 - 2 0 0 5a n ds t i f f n e s sr e q u i r e m e n t ，s t r e n g t hc o n d i t i o n s t a b i l i t yc o n d i t i o na sd e s i g nc r i t e r i a , t h ea u t h o rd e t e r m i n e sf u n c t i o n a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e k n o w np a r a m e t e r sa n dt h eh e i g h to ft h eb a s i cj i b ，t h ew i d t ho ft h ej i b ，t h em a i nc h o r d s s e c t i o n a la r e a , i n t e r n o d el e n g t ha n dt h ew e bm e m b e r ss e c t i o n a la r e a b a s e do nt h ep r i m a r y d e s i g no ft h eb a s i cji b ，t h ea u t h o rd e t e r m i n e st h er e l e v a n ts t r u c t u r ep a r a m e t e r so ft h es t a n d a r d m a s ts e c t i o n a f t e rt h e p r e l i m i n a r yd e s i g n o ft h ej i b ，t h ea u t h o rd e t e r m i n e st h e p s e u d o - c h a r a c t e r i s t i cc u r v ea n dt h e l o a dd i a g r a mo ft h eb a s i cj i bb a s e do ns t r u c t u r i n g p r i n c i p l eo fe q u a l i z i n gs t r e s sa n dc o n s t a n tm o m e n t b a s e do nt h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ha b o v e ，t h ea u t h o rd e s i g n st h es y s t e mo fc r a w l e r c r a n e sp s e u d o c h a r a c t e r i s t i cc u r v eu s i n gs o f t w a r ed e v e l o p e dm e t h o do fo b j e c to r i e n t e d - v i s u a lb a s i c2 0 0 5a n dc o n n e c t i n g 、) r i mm a t l a b7 1a n d a c c e s sd a t a b a s e a c t u a le x a m i n a t i o n q u y 6 3 0c r a w l e rc r a n es h o w st h a t ，t h i ss o f t w a r ew e l lm e e t st h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so f i i i i v | ? ， 东北大学硕士论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 国内外履带起重机发展状况1 1 1 1 概述1 1 1 2 国外履带起重机发展状况2 1 1 3 国内履带起重机发展状况4 1 2 论文的来源及意义5 1 - 3 论文的主要内容。6 第2 章履带起重机设计基本概念及基本参数7 2 1 臂架结构设计方法7 2 1 1 极限状态法7 2 1 2 许用应力法7 2 2 计算工况8 2 3 载荷分析9 2 3 1 载荷分类9 2 3 2 载荷系数1 0 2 3 3 风载荷计算1 3 2 4 载荷组合15 2 5 构件材料的许用应力一1 6 2 5 1 拉伸、压缩、弯曲的许用应力1 6 2 5 2 高危险度系数1 7 第3 章履带起重机基本臂理论设计的建立1 9 3 1 设计基本参数1 9 3 1 1 履带起重机形式1 9 3 1 2 臂架结构形式2 0 3 2 臂架截面设计2 1 v 1 东北大学硕士论文目录 3 2 1 臂架截面的几何特性2 1 3 2 2 臂架高度的确定2 2 3 2 3 臂架宽度的确定。2 4 3 3 基本臂质量及主弦杆截面积设计原理2 5 3 3 1 基本臂质量与臂架截面积关系2 5 3 3 2 臂架力学模型的建立2 6 3 3 3 基本臂质量及主弦杆截面积的确定3 0 3 3 4 臂端挠度计算3 7 3 3 5 臂架的最不利倾角。3 8 3 4 基本臂节间长度及腹杆截面积确定4 0 3 4 1 主弦杆节间长度确定一4 0 3 4 2 腹杆截面积确定4 1 第4 章履带起重机准特性曲线设计4 3 4 1 履带起重机准特性曲线的概念4 3 4 2 标准臂节的设计原理4 3 4 2 1 标准臂节截面参数确定一4 4 4 2 2 主臂不同臂长时变幅角的确定4 4 4 2 3 主臂不同臂长时最大起重量的确定4 6 4 2 4 标准臂节其他结构参数确定4 7 4 3 履带起重机准特性曲线的原理设计5 0 4 3 1 等力矩原则确定准特性曲线5 l 4 3 2 等应力原则确定准特性曲线。5 2 第5 章准特性曲线设计系统的开发5 5 5 1 系统的需求分析5 5 5 2 系统的功能5 5 5 3 系统的设计5 6 5 3 1 系统的开发环境5 6 5 3 2 系统的结构。5 8 5 3 3 数据处理6 2 5 3 系统的运行实例6 3 5 3 1 系统的唐动6 4 v i 东北大学硕士论文 5 3 2 系统的运行 5 3 3 小结 第6 章结论与展望 6 1 全文结论7 5 6 2 研究展望7 5 参考文献。7 7 致谢81 r 东北大学硕士论文 1 1 国内外履带 1 1 1 概述 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l l 】。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【2 1 ，如图1 1 。 图1 1 履带起重机在国内石化，建筑领域的应用 f i g 1 1t h ea p p l i c a t i o no fc r a w l e rc r a n ei np e t r o c h e m i c a la n dc o n s t r u c t i o nf i e l d 东北大学硕士论文第1 章绪论 1 1 2 国外履带起重机发展状况 国外生产制造履带式起重机的历史已经有几十年，技术非常成熟，形成了系统的履 带起重机设计理论。近年来，随着世界范围内大型水电，石化，建筑行业的发展，整体 起重工程越来越普遍，这就要求起重机的起重能力、作业幅度和高度越来越大，大型履 带起重机的市场需求随之增长【3 】。国外生产厂家在新形势下，研究了一些新技术和新结 构，吨位逐渐增加，具体如下： ( 1 ) 完备的产品系列 国外履带起重机行业的代表企业集中在德国、美国和日本。如德国的利勃海尔公司、 特雷克斯德马格公司、森尼波根公司，美国的马尼托瓦克公司、林克贝尔特公 司、p & h 公司，日本的神钢公司、日立住友公司和石川岛公司 4 1 ，各大制造公司的产品 历经几十年的风雨都已形成系列化。从5 0 t 的小起重量到3 2 0 0 t 的大起重量，市场占有 率较高。 ( 2 ) 变幅系统结构的改进 2 0 世纪9 0 年代前普遍采用柔性索具作为变幅系统的承载构件。索具制作方式是将 钢丝绳两端采用压制或浇注方式做成单双耳接头，长度与臂节匹配。由于索具安全系数 高，自重大，刚度小，弹性变形量大，易引起悬垂现象，进一步增大变幅载荷和臂架载 荷【5 1 。为此出现了新的结构型式高强度拉板，这种高强度拉板承载能力大，材料的 屈服极限超过1 0 0 0 m p a ，而且一次成型，不需焊接。由于弹性变形小，不存在悬垂现象。 采用数控加工，制作精度高，可省去平衡拉板间载荷的平衡梁。国外小吨位产品已普遍 使用。但考虑销轴连接处强度问题，拉板两端宽度较大，可达到中间部位的2 倍以上， 因此下料时材料利用率低。另外截面是矩形，侧向抗弯抗风振能力差。为节省材料、增 强侧向承载能力，特雷克斯德马格公司推出了钢管型式，该型式可以与臂架管材通用， 此外钢管各向几何特性相同，抗弯抗扭能力强【6 】。 ( 3 ) 主机结构的改进 为降低成本，减少结构件质量，高强度材料已作为主机结构的首选材料，屈服强度 达到5 0 0 m p a 以上。其结构尺寸明显减小。以l r l 7 5 0 型7 5 0 t 产品为例，转台、车架、 履带架结构除特殊用板( 履带与车架连接处) 外，主要承载板厚度均在3 5 m m 以内( 而 以往结构需要4 0 m m 以上，常用的是5 0 - 一7 0 m m 的板) 。并采用宽肢薄壁结构，极大地 提高了结构整体稳定性和承载能力 7 1 。主机结构的自重占整机( 基本臂) 自重的比例也 由通常的6 0 降到4 0 ，剩余自重完全由配重和车身压重分摊。可见其设计上的精益 2 东北大学硕士论文第1 幸绪论 求精，甚至细致到小小的履带板也要采用变截面型式。而履带板的总重通常占履带架总 成的4 0 ，采用变截面型式可使履带板总重降低1 0 。 ( 4 ) 增加作用空间的臂架组合变化 臂架组合中，除标准配备：主臂、主臂+ 固定副臂、主臂+ 塔式副臂、主臂轻重混 合的方式外，为适应市场需要，又新增添2 种组合方式：重型短副臂和副臂+ 副臂组合， 是重型短副臂组合，但副臂为特制，非常短，专用于化工用各种反应塔的吊装，有较高 的提升高度及一定的幅度，关键是超大的起重量，与同长度同幅度下的主臂作业起重量 接近，甚至超过其幅值。在欧美产品中都已开发应用。副臂+ 副臂组合，用于电力建设 方面，以增加作业空间，如风力发电设备的安装，总臂架组合长度可达到1 5 0 m 以上。 这种型式在利勃海尔公司产品得到应用。 ( 5 ) 系列产品的通用性 考虑产品设计和制造的通用性，欧美三大公司自身的配重从5 0 t 到1 2 5 0 t 产品均可 互换。臂节的互换性强，甚至对于同一型号不同产品也能做到互换。考虑运输尺寸限制， 臂架的运输宽度统一，从某种程度上简化了制造工艺。如特雷克斯德马格公司的 c c 2 2 0 0 、c c 2 5 0 0 、c c 2 8 0 0 型产品的臂架运输宽度相同，在3 m 以内。马尼托瓦克公司 产品对同尺寸不同绳径的卷扬机构，采用更换绳槽表面也可实现通用化。这些都为安装 运输使用提供了便利条件【引。 ( 6 ) 口臻完善的自拆装技术 为了最大限度地缩短转场时间，简化拆装，减少辅助作业时间及对其他辅助起重设 备的依赖，国外履带起重机都具有较强的自拆装功能。这给履带起重机带来了全新的生 命力，扩大了市场份额。自拆装系统是在充分利用主机已有构件功能的基础上，增设必 要的部件和传动件而实现的。 ( 7 ) 大屏幕显示及多个摄像监视器的使用 从人性化角度采用大屏幕彩屏可显示更多信息，包括吊装状态参数、机构工作参数、 故障诊断、报警提示，更主要的是可进行吊装工况选择与模拟演示，甚至可达到三维模 拟演示。另一个安全性考虑是多个摄像头监控，在司机室放置多个监视器进行实时显示。 使用各种电子眼，大大降低了操作人员的工作强度，提高了工作安全性。 由此可见，国外产品不是仅以满足基本功能要求为目标，而是更注重人性化理念和 产品细节，以新理念和细节设计赢得市场。每个细节的改进都需要不断的创新，以求产 品的精益求精。 - 3 东北大学硕士论文第1 章绪论 1 1 3 国内履带起重机发展状况 国内生产履带起重机历史较短，“七五 期间，由太重从德国，抚挖从日本分别引 进部分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。这需要我们在不断消 化吸收国外先进技术的基础上，立足于国际化配套，更快地提升产品质量和性能，扩大 生产规模。由于市场对超大型履带起重机的需求愈来愈多，更大吨位履带起重机的开发 已成为现实需求，这就要求国内企业必须加快大吨位产品的研发与储备，完善产品系列， 这也是在国内市场长期站稳脚跟，并进一步拓展国际市场的关键。目前国内履带起重机 存在的问题有1 9 1 ： 1 产品系列不全，超大吨位履带起重机严重短缺。例如，目前，国产履带起重机已 经形成5 0 , - - 4 5 0 t 的产品系列，但品种较少，中小吨位重复较多，而国外公司产品系列的 覆盖面很大，最大起重量已达到3 2 0 优；国内企业年产量低，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。 2 技术水平的差距，产品开发能力较弱。履带起重机制造企业产品更新换代较慢， 对大吨位产品的研发能力和系统成套能力、模块化设计和制造、计算机辅助设计和可靠 性设计的普遍应用等，尚待进一步提高。 3 产品可靠性不高，产品的质量和性能还存在很大差距。近几年，国内企业在履带 起重机技术上取得了一些突破，如上海三一科技有限公司已经开发成功6 3 0 t 和9 0 0 t 的 产品，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。 4 缺少完善的试验、研究体系。国内履带起重机的生产厂家普遍存在产品试验研究 的投入不够或心有余力不足，不完全具备自主试验、研究的条件，技术创新能力不足。 5 产品技术标准更新滞后，实施乏力。我国履带起重机技术标准的制定采取跟踪国 际标准和先进国家、地区标准的方式，但消化创新能力不足，更新滞后期间较长。先进 国家的知名品牌企业，都有自己的企业标准，并随着技术和市场的发展而及时更新。其 内控的企业标准都高于现行的国际标准，是他们保持品牌效应、参与国际市场竞争的有 效手段。我国制定履带起重机的机制和投入尚待提高，企业内控标准制定尚需自身动力。 近几年，针对上述问题，目前，国内一些知名企业，如徐州重型机械有限公司，上 海三一科技有限公司，抚顺挖掘机制造有限责任公司，正逐步加快完善试验、研究体系， 4 东北大学硕士论文 取得的成绩也相当大。如上海三一科技成功研发了最大起重量分别为6 3 0 t 和9 0 0 t 的液 压履带起重机，并也投入生产，还编制了 4 0 0 t 液压履带起重机产品标准。另一些大 型履带起重机制造企业采取与高校联合的方式进行履带起重机设计水平的提升。大连理 工大学工程机械研究所在履带起重机设计开发方面有自己的优势，通过与徐工集团徐州 重型机械有限公司和中联重科浦沅分公司的合作，建立了一套比较成熟的履带起重机设 计理论体系，在虚拟样机技术，臂架系统动力学仿真，有限元参数分析，桁架臂架寿命 预测等方面做了很多工作，成功研发了q u y 4 0 0 和q u y 6 0 0 的履带起重机，开发了履 带起重机总体设计软件，给出了多种臂架组合的起重特性曲线；上海交通大学对上车构 件的布置方案进行了优化设计研究 1 0 】，在并履带起重机液压，电子控制系统的故障诊断 方面做了很多工作，开发了大型履带式起重机远程状态监测系统i l l 】；山东大学机械工程 学院的周慎杰教授在履带起重机臂架及回转平台的有限元分析方面做了很多工作，提出 了适合桁架结构的简便有限元分析方法【1 2 】；其他高等院校在起重机优化设计做了许多有 成效的工作，如对履带起重机进行了静强度、静刚度、动刚度等多项控制指标的综合分 析优化设计等。 以上高校在推动国内履带起重机基础设计方面的做了很多有意义的工作，但在履带 起重机基础理论研究方面概念设计方面的工作尚有不足。 1 2 论文的来源及意义 履带式起重机是广泛应用于国民经济各领域的一种起重设备。随着我国经济建设的 发展，对其需求量越来越大，对其性能的要求也越来越高。但是目前国内履带式起重机 的开发能力、产品规模和质量都与国外有相当大的差距。 国内履带起重机设计在技术水平上的差距尤其明显。这方面的问题主要是大多中小 企业对设计研究分析不够，资金投入少，人员培训工作跟不上发展的需要，一直没形成 开发新产品或更新老产品的设计和应变能力，对引进的先进技术和产品，没有从设计的 角度进行消化，更没有能力进行再创新工作。没有形成合理的设计人员梯队，产品仍然 是几十年不变样，目前仍以照抄照搬为生存方式，没有自己的知识产权，只是在应付低 价拿来的合同。因此，我国在履带起重机设计方面面临的主要问题仍然是基础性理论研 究工作与技术创新不足。 针对以上问题，本文的研究工作正是为了提高履带式起重机的设计水平，从概念设 计的角度提出准特性曲线的概念。在概念设计阶段，在整机的结构参数尚未确定之前， 依据最大起重量，基本臂臂长及主臂最大长度这三个基本参数，确定臂架的相关结构参 - 5 - 东北大学硕士论文第1 章绪论 数，给出由起重机臂架本身结构所决定的起重特性曲线即准特性曲线，为下一步的 整机设计提供指导，为后期的臂架详细设计、有限元静动分析( 优化设计) 、臂架动力 学仿真等提供参数。准特性曲线是从初步设计到详细设计的重要环节，具有重要的意义。 同时，用软件将原理设计的过程程序化，开发履带起重机准特性曲线绘制软件可以 充分发挥工程设计人员的主动性、创造性、和计算机能力强、计算精确的特点，由计算 机完成履带起重机臂架结构的分析，给出准特性曲线，由工程设计人员完成履带起重机 臂架的评价、决策过程，两个有机的结合，可更有效地设计、计算。 1 3 论文的主要内容 本文的研究工作是与抚顺挖掘机制造有限责任公司合作课题“大型履带起重机总体 设计软件系统开发 课题的前期工作，对履带起重机的准特性曲线设计原理进行研究， 并设计履带起重机准特性曲线设计软件。该软件的开发可以达到节省设计时间，缩短设 计周期，加快产品投放市场的时间，使得企业新产品提前占领市场的目的。 本文的主要工作如下： ( 1 ) 已知最大起重量、基本臂长度及主臂最大长度的条件下，在变幅平面内，根据 压杆稳定理论，确定基本臂的高度；在变幅平面内，依据刚度条件确定臂架的 宽度。建立履带起重机臂架的力学模型，根据强度条件和整体稳定性条件确定 基本臂主弦杆的截面积及臂架质量，依据主弦杆单肢稳定性确定主弦杆的节间 长度，按压杆设计腹杆； ( 2 ) 在完成基本臂设计基础上，通过强度条件，稳定性条件确定标准臂节的主弦杆 截面积，主弦杆的节间长度及腹杆截面积； ( 3 ) 在完成臂架初步设计的基础上，依据等应力和等力矩原则确定主臂不同臂长时 的准特性曲线及载荷特性表格； ( 4 ) 基于前面的研究结果，用面向对象的软件开发工具v i s u a lb a s i c2 0 0 5 开发履带 起重机准特性曲线设计系统，该系统通过链接m a t l a b7 1 和a c c e s s 数据库，实 现基本臂和标准臂节的设计，以及准特性曲线的绘制和最后结果的保存。 本研究开发一套完善的履带起重机准特性曲线设计系统，该设计系统具有人机交互 设计和参数化设计功能，可以为新的大型履带式起重机设计提供开发平台，对于增强企 业对市场需求的相应速度，提升企业的竞争力具有重要的实际意义。 6 东北大学硕士论文笫2 章履带起重机设计基本概念及基本参数 第2 章履带起重机设计基本概念及基本参数 准特性曲线的设计，必须从臂架的原理设计开始。本章将探讨履带起重机臂架的设 计方法，分析起重机的计算工况，载荷组合，并对一些关键的载荷系数的选取，风载荷 计算进行阐述，为履带起重机的初步设计提供依据。 2 1 臂架结构设计方法 目前比较通用的两种臂架结构设计方法是许用应力法和极限状态法，这两种方法各 有自己的优点。 2 1 1 极限状态法 起重机金属结构的极限状态计算法的基础是：在起重机使用条件下，统计分析金属 结构的受载情况及其材料性能的均匀程度。其设计准则为：结构在包含有载荷系数门。和 结构重要性系数在内的组合载荷渤，c 作用下所求得的结构件或连接的计算应力仃， 不得大于相应的极限抗力也陆。极限抗力r 陆是结构件或连接的标准抗力r 和抗力系 数的商。极限状态法的表达式为： 吖由。c 算得) = 鲁 ( 2 1 ) 起重机金属结构必须满足两种极限状态：第一种极限状态是在起重机使用寿命期间 第l 类载荷重复作用下，或在第1 i 类和第1 类最大载荷作用下，金属结构构件丧失强度 或稳定性的承载能力；第二种极限状态是由于过大的弹性变形或振动，影响起重机的作 业和工作人员的安全，导致起重机不能正常使用。 以概率论为基础的极限状态设计法在建筑钢结构设计领域已被广泛采用，如我国的 建筑结构设计统一标准给出了对于承载能力极限状态的实用设计表达式，钢结构 设计规范中的静力强度和稳定计算也采用了这一设计原则。而在起重运输机械金属结 构领域内对这方面的研究工作还很不足，极限状态法的应用受到了限制1 3 州l 。 2 1 2 许用应力法 根据起重机使用经验确定的强度安全系数是许用应力计算法的基础。许用应力法目 前仍然是起重机金属结构计算中应用最广泛的方法。许用应力法属于定值法，应用简单 - 7 -，- r 1 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ 。_ 。一 东北大学硕士论文第2 章履带起重机设计基本概念及基本参数 方便，但其安全系数取为定值是其不足之处。 许用应力计算强度的表达式为： 仃一【叮】 ( 2 2 ) e m a x 卜】 ( 2 3 ) 式中：仃一，r 觚在不同载荷组合情况作用下，结构中产生的最大应力，m p a ； p 】，p 卜一结构材料的基本许用应力，m p a 。 ”詈 ( 2 4 ) 式中：仃。结构材料的屈服极限，m p a ； 疗安全系数，它决定与材料的均匀性、结构的重要性以及不同的载荷 组合。 综合考虑，本文在臂架设计计算时仍然采用许用应力法。 2 2 计算工况 起重机在工作过程中，要承受各种载荷( 如静载、动载、交变载、冲击载、振动载 荷等) ，起重机所承受载荷的复杂性不仅反映在载荷种类的多样性上，而且随着起重机 作业的工作状态的不同而表现出多变的特征。载荷是起重机及其组成零部件正常工作受 力分析的原始依据，也是零部件报废和事故原因判断分析的依据，载荷确定得准确与否 将直接影响计算结果的安全性和事故结论的正确性。 ( 1 ) 静载荷 起重机处于静止状态或稳定运行状态时，起重机只受到自重载荷尼和起升载荷圪 的静载荷作用。 ( 2 ) 动载荷 起重机在运动状态改变产生动载效应。但其工作状况不同，所产生的动载荷与附加 载荷的大小不同，对起重机设计的影响程度也不同。 起升与回转机构同时工作 在起升过程中，当起升载荷突然离地或下降制动时，臂架载荷将产生沿其加速度反 方向的冲击作用，承载机构将受到附加动载荷作用，需要考虑起升冲击系数和动载系数。 在回转过程中，由于回转机构制动将产生惯性载荷，回转运动将产生离心载荷，加上风 载荷，这就形成起吊重物的水平载荷，臂架自身也受到风载荷，同时产生回转惯性载荷 和离心载荷，离心载荷的值很小，在计算时可以忽略。 8 荷，臂架的风载荷和惯性载荷。 起重机带载行走 在此种工况下，由于路面不平引起的起重机冲击效应，用运行冲击系数乘以起重机 和起升质量的重力来考虑，同时还要考虑行走惯性载荷。在臂架的初步设计中，不考虑 该工况。 从以上的分析中可以看出，第一种工况即起升与回转机构同时工作时，起重机所受 到的附加载荷较多、较大，因此是起重机最危险的工况。如果在这种工况下，起重机能 安全工作，那么在其他两种工况下也能安全工作。故初步设计时，以该工况为设计工况。 2 3 载荷分析 载荷分析是对履带起重机在工作过程中受到的相关载荷及相关系数进行分析，为下 一步的载荷组合奠定基础。 2 3 1 载荷分类 作用在起重机上的载荷分为常规载荷、偶然载荷、特殊载荷及其它载荷等类别，只 有在分析有关的起重机各种可能的载荷状态时，才需要分别考虑这些载荷的不同类别。 ( 1 ) 常规载荷 是在起重机正常工作中经常发生的载荷，包括由重力产生的载荷及由驱动机构、制 动器作用在起重机和起升质量上，因加速度、减速度及各种位移引起的载荷。在防止屈 服、防止弹性失稳及需要时进行防止疲劳失效等能力验算中，应考虑这类载荷。 ( 2 ) 偶然载荷 是在起重机正常工作时不经常发生的偶然出现的载荷，包括由工作状态的风、雪、 冰、温度变化及运行偏斜引起的载荷。在防止疲劳失效的计算中通常不考虑这些载荷。 ( 3 ) 特殊载荷 是在起重机非正常工作时或不工作时才发生的特殊的载荷，包括由起重机试验、非 9 东北大学硕士论文 第2 章履带起重机设计基本概念及基本参数 工作状态风、缓冲器碰撞及起重机( 或其一部分) 发生倾翻趋势、起重机意外停车、传 动突然失效或起重机基础发生外部激励引起的载荷等。在防止疲劳失效的计算中也不考 虑这些载荷。 ( 4 ) 其它载荷 是在其它某些特定情况下发生的载荷，包括在起重机安装、拆卸及运输时出现的载 荷，作用在起重机的平台或通道上的载荷等。 2 3 2 载荷系数 ( 1 ) 起升冲击载荷系数 当荷重( 物品) 离开地面起升时，对起重机本身( 主要是对金属结构) 将产生振动激励。 起重机自身质量受到起升冲击而出现的动力响应，用起升冲击系数磊，乘以起重机自身 质量( 自重) 的重力来考虑。为反映这种振动引起载荷增大和减小的变化范围的上下限， 通常该系数为两个值： 我= l a ， ( 2 5 ) 0 口0 1 ( 2 6 ) 系数如用于起重机结构和它的支承设计计算中。 ( 2 ) 起升动载载荷系数 当荷重( 物品) 突然被提升离地，或在下降过程中突然在空中制动时，所起升质量的 惯力将对起重机的承载结构和传动机构产生附加的动载荷作用。此作用用一个大于1 的 起升动载系数如乘以起升载荷忍来考虑。赴的值与起升状态及起升驱动系统的控制情 况有关。 、h 习 j d用 饧葑 一一 iy 一 p 爿 p嗣 j 图2 1 系数欢 f i g 2 1c o e f f i c i e n t 如 起升状态级别 根据起重机不同的操作平稳程度和动力特性，将起升状态划分为h c ! h c 4 四个级 1 0 东北大学硕士论文第2 章履带起重机设计基本概念及基本参数 别，列于表2 1 中，应根据经验选择。相应的系数扇和九值也列于表2 1 中，并用图2 1 说明。起升状态级别通常根据起重机的各种具体特定类型选取，某些起重机的起升状态 级别举例可参见起重机设计标准附录c ( 资料性附录) 。无论对何种起升状态级别，如值 也可按试验或分析确定。 表2 1 色和也 t a b l e 2 1v a l u eo f 展a n d 如 起升无约束的地面荷重 在起升无约束的地面荷重时，其重力从在地面上承受突然转移到由起重机结构承受 时对起重机结构的动力效应，用系数中如乘以起升质量的重力来考虑( 见图2 1 ) 。 注：本条所述的动力效应，发生在起升吊具将荷重吊离地面的瞬间，且正在驱动机 构加速之时，是动能和驱动转矩共同造成的结果。 欢的取值由下式确定： 如= 晚。i n + 尾( 圪一o 2 ) ( 2 7 ) 式中：圪稳定起升速度，r r d s ，与起升荷重有关，由空载电动机或发动机的稳 定转速导出； 反由起升状态级别设定的系数，见表2 1 ； 欢起升动载系数； 。与起升状态级别相对应的起升动载系数的最小值，见表2 1 。 如果起升驱动控制系统能确保用稳定的微速起升，则就以此微速来确定正常起升时 的系数也值； 如果不是这种情况，则应考虑两种条件：在如下述( 1 ) 的正常操作时，用欢值； 在如下述( 2 ) 的特殊情况时，用如嘣值。 ( 1 ) 正常操作 ( a ) 如果起重机司机可以控制得到某个稳定的微速，则用该微速来确定9 6 2 值。 ( b ) 如果起升速度可以有无级变速控制，或者起重机司机能够实现这种无级变速起 东北大学硕士论文 第2 章履带起重机设计基本概念及基本参数 动的速度控制，则应从图2 1 中选择出与相应起升状态级别所对应的也曲值。 ( 2 ) 特殊情况 起重机的控制属于上述( 1 ) 正常操作中的( a ) 型，但因电动机或发动机是空载起 动，从而得到的是最大额定速度圪值，则应选用表2 1 中的也一值。 起重机的控制属于上述( 1 ) 正常操作中的( b ) 型，则对应于该起升状态级别的也一 值，应按不小于o 5 倍的空载电动机或发动机能给出的最大额定速度圪值推导得出。 通常，由不同的动力载荷引起的动态响应，可用动力系数咖乘以各个质量产生的重 力以及由于刚体运动产生的惯性力来考虑，但对于如由振动引起发生附加弯曲这一类的 动态响应，除非它们是小到可以忽略不计，则应进