（机械设计及理论专业论文）履带起重机超起装置结构优化设计与仿真.pdf

大连理t 大学硕士学位论文 摘要 超起系统作为提高大吨位履带起重机起重脾1 2 1 2 厶匕f j f _ 的重要部分，目前国内对这方面关键 技术的研究还停留在主观想象和类比设计阶段，没有形成一定的理论指导。 本文以大连理工大学机械工程学院与福田雷沃重工联合开发的f q u y 5 0 0 履带起重 机为研发背景，对超起系统结构参数优化设计以及超起系统动作仿真等进行了研究，主 要研究内容如下： ( 1 ) 针对f q u y 5 0 0 目前起重性能与结构参数，对超起型主臂所有臂架长度与工作 幅度下超起桅杆长度参数进行解析计算，最终确定合理的超起桅杆长度。根据超起桅杆 优化结果，比较优化前后的起重性能数据，确定优化结果的合理性。 ( 2 ) 针对不同桅杆长度参数与工作角度参数下进行计算，得出主变幅绳、超起后拉 板、桅杆的受力数据。对受力数据进行分析，得出各部分的受力曲线。通过分析曲线， 得到其受力趋势。 ( 3 ) 对吊载过程中超起桅杆以及拉板的变形协调对超起配重幅度和高度的影响进行 仿真计算，研究超起部分的变形协调对于超起配重部分的影响程度。 ( 4 ) 在一定起重量的情况下，对于上车系统的回转过程进行了仿真计算，得出超起 系统的相关数据，对相应数据进行分析，为其它吨位履带起重机的设计提供指导。 ( 5 ) 简单介绍了超起工况自拆装的过程，并针对中等吨位履带起重机配重自拆装目 前结构形式进行了分析，提出改进方案，通过仿真计算确定改进方案的可行性。 关键词：履带起重机；超起；e x c e lv b a ；仿真；配重自拆装 履带起重机超起装置结构优化设计与仿真 o p t i m i z a t i o nd e s i g na n ds i m u l a t i o nf o rt h es u p e r l i f to fc r a w l e rc r a n e a b s t r a c t t h ek e yt e c h n o l o g yo fs u p e r l i f is y s t e mw h i c hi st h ei m p o r t a n tp a r tf o ri n c r e a s ec r a w l e r c r a n e sl i f t i n gc a p a c i t yi sb a s e do nt h es u b j e c t i v ei m a g i n a t i o na n da n a l o g ys t a t u s ，n o tf o r m i n g t h et h e o r yg u i d a n c e w i t ht h eb a c k g r o u n do ff q u y 5 0 0c r a w l e rc r a n ep r o j e c t ，d e v e l o p e d b ys c h o o lo f m e c h a n i c a le n g i n e e r i n go fd a l i a nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g ya n df o t o nl o v o li n t e r n a t i o n a l h e a v yi n d u s t r yc o ，l t d ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e si nt h es t r u c t u r eo p t i m i z a t i o nd e s i g na n d m o v e m e n to fs u p e r l i f ts y s t e m ，t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t a k i n gt h el i f t i n gc a p a c i t ya n ds t r u c t u r ep a r a m e t e r so ff q u y 5 0 0f o re x a m p l e t h e l e n g t hp a r a m e t e ro fs u p e r l i f ti sc a l c u l a t e df o ra l lm a i nb o o ml e n g t h sa n dw o r k i n gr a d i u s e s ， f i n a l l yc o n f i r m i n gt h er e a s o n a b l el e n g t ho fs u p e r l i f t a c c o r d i n gt ot h eo p t i m i z a t i o nr e s u l to f s u p e r l i f i ，c o m p a r i n gt h el i f t i n gc a p a c i t yb e t w e e nt w ok i n d so fs u p e r l i f tp a r a m e t e r s ，t h e r e a s o n a b l eo fo p t i m i z a t i o nr e s u l ti sc o n f i r m e d ( 2 ) t h ea f r a m ei sc a l c u l a t e do fd i f f e r e n tl e n g t ha n dw o r k i n ga n g l e r e c e i v i n gt h ef o r c e d a t ao fm a i nd e r r i c k i n gr o p e ，b a c ks t a yo fs u p e r l i f t ，a - f l a m e b ya n a l y s i s i n gt h ed a t aw eg e t t h ef o r c ec u r v e s t h ed i f f e r e n tp r a t sf o r c ed i r e c t i o nc a nb eg o t t e nf r o mt h ec u r v e s ( 3 ) d u r i n gt h el i f t i n gp r o c e s s ，t h ec o m p a t i b i l i t yo fd e f o r m a t i o no fs u p e r l i f ta n ds t a y a f f e c tt h ec o u n t e r w e i g h to fs u p e r l i f l sr a d i u sa n dh e i g h tb ys i m u l a t i o nc a l c u l a t i n g ，r e s e a r c h t h ec o m p a t i b i l i t yo fd e f o r m a t i o no fs u p e r l i f t s y s t e m se f f e c td e g r e et oc o u n t e r w e i g h to f s u p e r l i f l ( 4 ) t h es u p e r s t r u c t u r es y s t e mw i t hd e f i n i t e1 0 a di sc a l c u l a t e dt h r o u g hs i m u l a t i o nd u r i n g t h es l e w i n gp r o c e s s ，w ec a ng e tt h ec o r r e l a t i v ed a t ao f s u p e r l i f ls y s t e ma n dp r o v i d eg u i d a n c e f o rd e s i g no fo t h e rt y p e sc r a w l e rc r a n e ( 5 ) t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es e l f - a s s e m p l yp r o c e s so fc r a w l e rc r a n ew i t hs u p e r l i f ta n d a n a l y s i s e st h ep r e s e n ts t r u c t u r eo fc o u n t e r w e i g h ts e l f - a s s e m p l y ，t h ea m e l i o r a t e ds t r u c t u r e s f e a s i b i l i t yi sp r o v e db ys i m u l a t i o nc a l c u l a t i n g k e yw o r d s ：c r a w l e rc r a n e ；s u p e r l i f i ；e x c e lv b a ；s i m u l a t i o n ：s e l f - a s s e m b l yo f c o u n t e r w e ig h t 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 出1 他 - - 论文题目：屋鲎超重扭超起装量结抱选垡遮让皇笾墓 作者签名： 互金篁! 牢日期：i 正年业月立日 大连理_ 【大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名： 导师签名： 一 一l 以 罐：l 业22 日期：兰竺墨年旦月上乙日 日期：笙! 年旦月血日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 履带起重机综述 1 1 1概述 履带起重机是广泛应用于国民经济各个领域的一种起重设备，以其具有接地比压 小、转弯半径小、可吊重行走、稳定性好等优点，在电力建设、桥梁施工、石油化工、 水利水电等行业领域得到广泛应用，具有其它起重设备无法替代的地位。随着现代经 济的高速发展，市政工程、工矿企业、码头、机场、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、性能和功能日益完善。 国外主要生产履带起重机的公司多集中在德、美、日三国，这些公司的共同特点是 生产规模较大，都形成了系列产品，为减少材料的规格品种，便于加工制造和管理，各 种型号之间零部件的标准化和通用化程度较高。各公司为了提高产品质量，还不断地丌 发多种多样的新技术和新工艺，新材料、新结构和新功能得到不断的应用和发展。从美 学角度出发，机械的造型更精益求精。 德国的主要生产厂家有德马格( d e m a g ) 和利勃海尔( l i e b h e r r ) 公司。德马格公司 生产的大型履带起重机以c c 系列为主，引人瞩目的是c c l 2 0 0 0 型和c c l 2 6 0 0 型，起 重量分别是1 2 0 0 t 和1 6 0 0 t ，而且已经生产出c c 8 8 0 0 1t w i n3 2 0 0 t ，应用于许多工程领 域，尤其在核电站建设方面得到了广泛应用并享有盛誉。利勃海尔公司生产的l r 系列 履带起重机，最大起重量为l r l1 3 5 0 型的1 3 5 0 t 。德国生产的大型履带起重机追求高性 能，大量应用高新技术，使电子控制和操作系统更加智能化。对于大型履带起重机，安 装全球定位系统，厂家对其产品进行实时监控。 美国主要生产厂家有马尼托瓦克( m a n i t o w o c ) 、a m h o i s t 、p & h 和f m c 公司， 其中尤以马尼托瓦克公司最为著名。该公司的最大起重量为m 3 1 0 0 0 型的2 3 0 0 t 。美国 的设计更注重于起重机的经济性，讲究起重机的利用率和自拆装能力【2 1 。 同本在大型履带起重机生产销售方面也走在了世界前列，日本每年在履带起重机方 面的销售量达1 0 0 0 台。它的主要生产企业有石川岛公司( i h i ) 、住友公司( s u m i t o m o ) 、 神户制钢( k o b e l c o ) 和日立( h i t a c h i ) 公司。其中住友公司是世界上生产履带起重机种 类较多、数量较多的公司之一，5 5 销往国外。它生产的型号以l s 系列为主，神户制 钢公司的7 0 0 0 系列产品被认为是世界上最先进的履带起重机的代表之一，共有7 个型 号，从起重量为5 5 t 的7 0 5 5 型到起重量为6 5 0 t 的7 6 5 0 型，都安装有2 0 多种安全保护 装置。日本公司的设计特点与德罔的很接近，它另一特点是将履带起重机作为塔式起重 履带起重机超起装置结构优化设计与仿真 机使用。例如住友公司的l s 2 4 8 r h 一5 型起重机，最大起重量为1 5 0 吨，工作幅度为 5 米。当主臂的工作仰角为直角，副臂安装角呈直角时，即可作为塔式起重机使用。此 时塔机的高度为5 6 9 米，最大副臂长度可达5 9 米。 目前，国内主要履带起重机生产厂家有徐工、中联重科、三一重工、抚挖重工、福 田雷沃重工、泰安奥奇重工以及四川普什重机等厂家，已投放市场的最大吨位是三一重 工最大起重量为1 0 0 0 t 的s c c l 0 0 0 0 履带起重机。目前徐工正与大连理工大学合作开发 2 0 0 0 t 级履带起重机，这说明我国已具备自主设计生产大型履带起重机的能力，从设计 方法到生产技术上有了一定的提高，但和国外主要生产厂家相比还有一定的差距。 随着世界经济的不断发展，各种大型建设工程的启动，履带起重机日益受到相关企 业的青睐，使得其在各个方面都有了迅速发展。 1 1 2 国内外发展状况 国内发展状况： 我国生产履带起重机历史较短，“七五期间以技术贸易相结合的方式，分别从日 本和德国引进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。近年来，随 着我国基础设施建设的加强，尤其在三峡工程、青藏铁路、西电东送、西气东输等大型 施工建设项目，以及电力、石油、化工等行业迅速发展的拉动下，国产履带起重机市场 持续、快速壮大。国内市场的持续增长使得国内企业加大、加快了履带起重机的丌发力 度。国内履带起重机产业迅速发展，技术水平很快提高，系列不断得到完善，在短短的 时间内，便形成1 0 0 0 t 、9 0 0 t 、6 5 0 t 、6 0 0 t 、4 5 0 t 、3 5 0 t 、3 0 0 t 、2 5 0 t 、2 0 0 t 、1 2 0 t 与1 0 0 t 等百吨级大型履带起重机阵容。在今后几年问，1 2 5 0 t 、2 0 0 0 t 级的超大型产品也将问世， 可以说这种发展势头势不可挡。 由于我国履带起重机起步晚，国内用户对履带起重机的认识较少，2 0 0 0 年之前市 场容量较小，发展速度不快。近几年，国家基本建设规模扩大，国内用户对履带起重机 优势的认识越来越多，履带起重机的市场升温较快，国j , b j m 名企业大规模进军国内市场， 国内企业奋力与之较量，取得了长足的进步，但和国外知名企业相比，还有一定的差距， 具体表现在： ( 1 ) 品种少、产量低 目前，国产履带起重机已经形成3 0 - 1 0 0 0 t 的产品系列，但品种相对较少，中小吨位 重复较多。而国外公司产品型谱的覆盖面很大，最大起重量已达至s j 3 2 0 0 t 。国内企业年产 量低，只相当于国外一个公司的生产能力，未形成舰模化生产，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。 大连理t 大学硕+ 学位论文 ( 2 ) 技术水平的差距 在系统及结构件的设计上仍存在一定差距，大吨位产品功能尚不够齐全，但技术进 步较快，计算机集成控制、全球卫星定位通讯系统等先进技术已被应用。为了简化拆装， 减少辅助作业时间及对安装过程辅助起重设备的需求，国外履带起重机都具备较强的自 拆装功能，而国内的履带起重机在自拆装性能上还有一定的差距。同时，大型履带起重 机的超起装置在国外已经应用成熟，而在国内尚处于探索阶段。 ( 3 ) 产品可靠性较低 近几年，国内企业在履带起重机技术上取得了一些突破，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而力不 足，不完全具备自主试验、研究的条件，技术创新能力不足。目前，以徐州重型机械有 限公司为代表的国内知名企业正逐步加快完善试验、研究体系。 国外发展状况： 目前，国外专业生产履带起重机的厂家很多，主要集中在德国、美国和日本。德国的 主要生产厂家有利勃海尔( l i e b h e r r ) 公司、特雷克斯一德马格( t e r e x d e m a g ) 公司 与森尼波根( s e n e b o g e n ) 公司。美国主要生产厂家有马尼托瓦克( m a n i t o w o c ) 公司、 林克一贝尔特( l i n k b e l t ) 公司与p & h 公司。日本的主要生产厂家有神钢( k o b e l c o ) 公 司、日立住友( h i t a c h i s u m i t o m o ) 公司和石川i 岛( i h i ) 公司。其中利勃海尔、特雷克 斯一德马格、马尼托瓦克、神钢与日立住友等公司产品系列较全，市场占有率较高瞳1 。 ( 1 ) 利勃海尔公司 利勃海尔公司一个以塔式起重机起家、拥有五十余年历史的家族式跨国公司， 一个追求产品质量和技术领先的领导型企业，是世界著名起重机生产厂家之一，该公司 的产品技术先进、工作可靠，其生产的l r 系列履带起重机最大起重量已达1 3 5 0 t 。 该公司产品的主要特点有：系统为全液压驱动、电液比例控制，可实现无级调速且 传动平稳，具备完善的自拆装功能。主副钩可单独工作亦可交替使用，自动安全保护合 理，大吨位履带起重机安装全球卫星定位通讯系统，厂家对其产品进行实时监控。另外 为充分发挥臂架的起重能力、提高整机的稳定性，大吨位履带起重机均增加了超起装置， 以提高整机起重性能。目前在中因市场上销售的履带起重机型号主要有l r l1 3 5 0 型 13 5 0 t 、l r i8 0 0 型8 0 0 t 、l r l7 5 0 型7 5 0 t 、l r l5 0 0 型5 0 0 t 、l r l 4 0 0 型4 0 0 t 署l 1 l r l 2 8 0 型2 8 0 t 级履带起重机。 履带起重机超起装置结构优化设计与仿真 ( 2 ) 特雷克斯一德马格公司 德马格原属德国曼内斯曼集团旗下的企业，由于该集团产业结构调整，产权转让给 了特雷克斯。德马格的履带起重机制造和经营历史很长，技术上与利勃海尔有一定差距， 但价格比利勃海尔稍低一点，又比日本产品高不少。德马格公司主要生产起重量从5 0 t n 1 6 0 0 t n c c 系列履带起重机，现己成功研n c c 8 8 0 0 1 t w i n 型3 2 0 0 t 履带起重机。目前德 马格采取一切措施大量投入人力、财力、开发和应用新技术，力争在技术上与利勃海尔 一争高低。 德马格c c 系列履带起重机，进入中国市场也很早，在国内有一定的市场占有率。 这两年来，该公司在中国的销售业绩不断攀升，因此德马格公司的c c 系列产品一直是 国内大型高端履带起重机产品市场中的佼佼者。 德国的履带起重机产品讲究高性能、高新技术，德国利勃海尔公司和特雷克斯一德马 格起重机公司的履带起重机代表了国际先进水平。 ( 3 ) 马尼托瓦克公司 美国马尼托瓦克公司是世界著名起重机设计制造厂家之一，它创建于1 9 0 2 年，当时 是造船厂，1 9 2 7 年开始生产起重机，1 9 8 8 年开始生产制造多种类、多型号起重机。马尼 托瓦克生产的履带起重机起重量从4 5 t 蛩j 9 0 7 t ，现在投放市场的最大吨位为2 3 0 0 t ，其2 5 0 t 及以上履带起重机产品的生产量为全球最大。 该公司产品的主要特点有：以水冷柴油机为动力，广泛采用可控变矩器( 即v i c o n 系统) 。为了改善和扩大司机视野，司机室可以上下左右调节位置，计算机监控，手触 屏幕指令选择，先导比例控制，设计原则强调自装自拆功能。为了加大起重能力和提高 稳定性，采用了环轨型超起装置，环轨位于起重机行走装置的外围，让配重和臂架都作 用于环轨上，则其所受到的载荷由环轨承担，环轨直径大，可大大提高整机稳定性和承 载能力，其缺点是开工前必须投入人力、物力和财力构筑“环轨”，施工中起重机无法 移动，只能回转，限制了作业范围，吊装完毕后，还必须把它拆除。 m 3 1 0 0 0 型最独特的创新足可变位配重( 英文简称v p c ) 。这是一利，独特的吊运能力增 强系统，在吊运过程中需要更大的配重力矩时，它会自动伸展配重，然后用机械方式锁 定，防止配重在操作过程中意外移动。该系统的机械制动器由起重机的e p i c 控制系统控 制，根据吊臂角度和应用负荷启动。在j 下常工作状态下，可变位配重绝对不会接触地面， 因而与使用普通的吊运能力增强附件相比，可大量减少所需的地面准备工作。此外，配 备可变位配重的起重机能够起吊和和运送所有等级的额定负荷，可以很方便地在工地上 移动。 ( 4 ) 同本履带起重机生产情况 大连理工大学硕士学位论文 日本履带起重机起步于上世纪5 0 - 6 0 年代，以机械传动为主，7 0 年代开始迅速发展， 传动以液压为主。日立住友是住友和日立公司在2 0 0 2 年合并为“h i t a c h i s u m i t o m o 品牌，主要生产起重量从3 0 t 至 j 6 5 0 t 的s c x 系列产品，公司将销售市场转移至以中国为中 心的亚洲市场，希望通过拓展中国市场，将其在全球的市场占有率扩大。 神钢公司早在1 9 6 4 年，开发了3 0 0 0 系列履带起重机，1 9 7 7 年开发了5 0 0 0 系列履带起 重机，1 9 8 2 年设计成功5 6 5 0 履带起重机，最大起重量6 5 0 t ，1 9 8 4 年升级换代为7 0 0 0 系列 履带起重机，现在部分7 0 0 0 系列升级为c k e 系列履带起重机，其丌发的履带起重机产品 系列化程度高、性价比高，瞄准出口市场，深受发展中国家的欢迎，在全球范围内占有 一定比例，主要生产的c k e 系列产品起重量从6 0 t 至r j 4 0 0 t ，7 0 0 0 系列产品起重量从3 5 t 到 8 0 0 t 。近两年神钢在中国市场中吨位履带起重机的销售业绩较好。 r 本产品的技术性能与德国产品还是有相当差距，但其进步较快，价格比德国产品 更有竞争力，所以它们还是比较适合我国一般履带起重机用户，它们在中国销售的产品 规格大都为3 0 0 t 以下产品，也有少量3 0 0 t 以上的产品。 总的来说利勃海尔、特雷克斯一德马格、马尼托瓦克和神钢等履带起重机制造企业 实力比较强，在产品风格上各有千秋，利勃海尔型号相对比较规范，特雷克斯一德马格、 马尼托瓦克在特种履带起重机( 超大、非标) 方面较强，神钢综合能力较强。国外企业由 于不是在中国本土生产，存在价格高、运输费用高、服务效率低等问题，给我国用户带 来了不便。 1 1 3 发展趋势 ( 1 ) 迅速向超大吨位发展 由于各种工程建没的大型化，对超大型起重设备的需求也愈来愈多，为了实现起吊 大的重物，在原有起重机的基础上增加超起装置，不仅扩大了履带起重机的工作范围， 而且提高了履带起重机的利用率。目前履带起重机最大吨位已超过3 0 0 0 t ，例如德马格 的c c 8 8 0 0 1t w i n 型起重机采用双臂架形式，起重量为3 2 0 0 t ，利勃海尔的l r i1 3 5 0 型 起重量为1 3 5 0 t 。随着超起装置的不断完善，更大吨位履带起重机的丌发已成为现实。 ( 2 ) 核心技术化 各大知名企业均具有其独特的核心技术，并不断创新，努力保持在同行业内的领先 地位。现在各大公司均下大力气研究丌发自己的核心技术，以不断提升自己的产品档次 和竞争能力。 ( 3 ) 操作控制系统智能化 随着计算机技术和电子技术的不断发展，逐步完善的计算机控制技术和集成传感技 履带起重机超起装置结构优化设计与仿真 术在履带起重机行业得到广泛的应用，先进的电子控制和电脑操作系统的配置已非常普 遍，德国利勃海尔公司在特大型履带起重机上还配备有全球卫星定位通讯系统。各种电 子监控系统、运行作业时的在线故障检测和诊断、智能化总体控制等是今后履带起重机 不断向智能化方向发展的重要研究领域。 ( 4 ) 新技术、新材料、新工艺和新设计方法的应用 充分利用新技术、新工艺来提高产品质量，并不断开发新材料、新结构、新功能提 高产品竞争力。例如1 0 0 0 m p a 抗拉强度的臂架材料已被广泛采用，从而大幅度地降低 了臂架自重，提高了产品起重性能。整机的结构也逐渐采用高强材料，通过优化设计显 著减轻整机重量，同时为保证整机稳定性，增加了必要的车身压重，这些都使得大吨位 产品能够具有较高的性能和良好的经济性。 ( 5 ) 自拆装系统 拆卸、组装性能是履带起重机的一个重要指标，由于履带起重机体大笨重，在公路 上无法自由行走，必须拆卸才可运输，到达工作地点后再进行组装，需要辅助吊车。为 减少或不用辅助吊车，节省施工费用，因此研制自拆装系统势在必行。目前中小吨位履 带起重机的自拆装系统己比较完善，大吨位的自拆装系统仍是难题。 ( 6 ) 模块化、系列化 工业生产方式和用户需求的多样性，使专用起重机的市场不断扩大，为了降低制造 成本、提高通用化程度，采用模块组合的方式，形成不同类型和规格的起重机，以特有 的功能满足特殊的需要，发挥出最佳的效用。例如履j 蒂起重机加装连续墙装置后即可实 现成墙功能；履带起重机长主臂时上部采用塔式副臂的臂节，组合成轻型臂，优化了臂 架组合，拓展了吊臂的使用性能，节约了材料。目前，国外履带起重机的系列己较完善， 国内也在不断完善起重机系列。 ( 7 ) 一机多用，扩大工作范围 为拓宽履带起重机的使用范围，国外履带起重机分为两个系列，一个是专业吊装履 带起重机，一个是多功能履带起重机。多功能履带起重机除具备吊装功能外，还可以配 置抓斗、打夯、打桩、钻机、电磁吸盘和连续墙挖掘等装置，完成多种作业。 ( 8 ) 人机工程化 按照人机工程原理，对驾驶室的舒适性、操作性、布局合理性、视野及安全更加考 究，产品处处体现以人为本的理念。为了减轻维修保养的劳动强度，大型履带起重机上 普遍采用了集中润滑系统。 大连理工夫学硕学娩论文 1 。2 超起装置综述 为了实现履带超重机丈幅度大超重量，吊载，需要设计生产出超大型的履带起重机。 为了充分发挥太型艘带越重机的臂架性能，可在原有的起重机基础上增加超起装置，这 样可扩大起重机的使用范嗣，提高起重帆的利用率静。 1 0 9 8 7 6 1 2 5 4321 翻l 。l 超起叠：魏履辫起蘩枫 f i g 1 1 c r a w l e rc r a n ew i t hs u p e r l i f t 1 。一f 牵2 。转台3 。既重4 。超起配重挺索5 超起既重6 。雯奎幅绳 7 。桅杆8 - 超起斤拉板9 ，超起配重擅艇l0 。超起变幅挺掇ll 。超起桅杆1 2 。主臂 1 。2 ，i 越起装置的形式 超起是在桅杆( 人字架) 与臂架之闽安有臂架武超起桅杆，以改善臂架与拉索的凡僻 关系，同时超起桅秆与超越配重相连，增加了整机稳定性，从而提搿起重枫的性能。超 起装震较常用的形式有两种：一种是拖车式超起装鼹，将睽商超起配重放在一个配重小 车上，如豳他所示，整机的稳定性始终处于最佳状卷，工况变化实现简单，配重小车 可以在地面上与圭机同步行走戴回转；另种足悬浮式超超装嚣，如图1 3 所示，超起 胜带起重机超起裟苴结构优化世计j 1 仿真 自e 重在作业过程中要离地，雨则乇机不能进 ，行走及回转1 乍、忆一般情况下，拖车式超 起装置埘地面的要求高，需要能够满足配重小午的行走，适用于造船j 这种地面_ 较好的 场所作业当然拖车式超起装置也呵以当做悬浮式的使用。悬浮式超起装冒只要求停放 超起配匿的地面平整度及强度能够满足。但使用悬浮式超起装置，起亚黾、i 作幅度， 超起配重币晕、超超配重幅度要匹配，这样才能够保证配重离地，进彳j _ 彳：_ 走及l 山转作业。 大型履带起重机的丰要4 ，“厂家利勃海；j ( l i e b h e r r l 、德马格( d e m a g ) 、马尼托瓦克 ( m a n i t o w o c ) 上述超起装置形式均可提供，但拖车式超起装置价格要高于悬浮式。超 起裟置的选用与配置，主要依据使用条件及用户的操作习喷。 i b 水 一r 川，卜水“汕缸1 | 冬】i2 拖1 t 衄胆d ：t 2r ut r u c ks t y l e 1 c r c 曲1o f s u p e r l i f i 。篷 一一， 大连理一大学硕* 学位论文 a ) 无油缸删b ) 垂直油缸型 削13 悬挂式超起配重 f i g i3 s u s p e n s i o ns 竹】ec o u n t e r w e i g h t o f s u p e r l i f t 122 超起装置总结 根据超起作业的操作过程无油缸型超起装置安装简便快捷，但使用过程中注意事 项较多，操作技术难度大；水平+ 垂直油缸型超起装置结构复杂、成本高、组装费时， 但使用方便，操作灵活，并且可实现超起配重无级变幅；水平油缸型较前者安装简便， 成本低，但使川性能2 i 无油缸型差不多，只是在超起配重离地后能够无级变幅；难直油 缸型超起装鬣村i 对水平+ 垂直油缸型结构简单，成本较低，组装时自j 差不多，使用卜也 比较方便。 13 超起工况中转台配重自拆装概述 拆卸、组装性能足腰带起重机的一个重要指标，山于履带起重机在公路上无法自由 行走，且体大笨重，必须拆卸才可运输，到达工作地点，再进行组装，需要辅助吊车。 为减少或不用辅助吊车，竹省施l 费j j ，| 蚓此f i 行拆装系统对丁履带起重机允分发挥其 自身在吊装作业中的优势是非常重要的。对于巾小型履带超重机，其自拆装性能要求其 能实现完仝白拆装，由于大吨位以及超大吨位履带起晕机木身重量的局限性基于目前 困内外履带起重机设h 技术f ：的限制般要求实现部分n 拆装1 4 f 。巾小吨位的履带起 履带起重机超起装置结构优化设计与仿真 重机自拆装系统在国外一些厂家，如d e m a g ，l i e b h e r r ，m a n i t o w o c 等公司， 在这方面已经做的很成熟，而国内对于此系统的研究与设计还处于一个探索与试验阶 段，未形成理论性的设计指导。 履带起重机通过桅杆将配重块放置在确定好位置的配重底板上，然后通过转台两侧 固定于转台上的两根顶升油缸提起整个配重系统，提升到一定高度之后与转台通过销轴 进行连接，实现配重自安装过程，相反地过程可实现配重的自拆卸过程。 图1 4 配重自安装示意图 f i g 1 4s e l f - a s s e m b l yo fc o u n t w e i g h t 1 桅杆2 转台3 下车4 配重 图1 5 配重白安装示意图 f i g 1 5s e l f - a s s e m b l yo fc o u n t e r w e i g h t 1 2 3 4 大连理工火学硕士学位论文 1 4 本文研究工作及主要内容 1 4 1 选题的背景和意义 本课题源于大连理工大学与福田雷沃重工合作开发的f q u y 5 0 0 履带起重机。 超起是在桅杆( 人字架) 与臂架之问安有臂架式超起桅杆，以改善臂架与拉索的几何 关系，同时超起桅杆与超起配重相连，增加了整机稳定性，从而提高起重机的性能。超 起装置对于中大吨位履带起重机有着重要的作用，能够充分发挥臂架的性能，提高起重 性能。 目前国内对于履带起重机超起装置结构方面的设计参数主要还是参考国外相关产 品，没有形成自己的理论设计指导。在超起装置的选择上，考虑到成本问题，超起配重 一般采用悬浮式，但在依靠超起桅杆本身变形协调进行提升以及变幅上缺乏理论指导。 因此对于超起装置方面进行研究，给出一定的理论指导有重要的意义。 1 4 2 工作内容 本文研究的主要内容包括： ( 1 ) 针对f q u y 5 0 0 履带起重机目f j 超起桅杆的截面尺寸，利用e x c e lv b a 编写计 算程序，对超起桅杆长度参数进行优化设计，给出合理长度。 ( 2 ) 针对f q u y 5 0 0 履带起重机的起重性能，利用e x c e lv b a 编写计算程序，计算 不同桅杆长度与工作角度下主要部件受力情况，给出部件受力趋势。 ( 3 ) 分析目前国内外中大吨位履带起重机超起工况下起升绳的走绳方式，分析其特 点，提出合理的走绳方式，并通过a n s y s 进行不同走绳方式的计算。 ( 4 ) 通过a d a m s 动力学分析软件，分析悬挂式超起配重在重物提升与上车回转过 程中的超起系统的特性曲线。 ( 5 ) 通过a d a m s 动力学分析软件，分析配重自拆装结构设计的可行性。 履带起重机超起装置结构优化设计与仿真 2 计算方法及软件介绍 2 1 结构优化概述 优化设计是6 0 年代随着计算机广泛应用的基础上发展起来的一项新技术，它是最 优化原理和计算机技术在计算领域中综合应用的结果。优化设计的目的是提高产品的质 量，减轻设备的自重或体积，降低材料消耗与制造成本。同时可以大大缩短产品设计周 期，使设计者从大量繁琐和重复的计算工作中解脱出来，从事创造性的设计并提高设计 效率 5 , 6 1 。目前优化设计方法己陆续应用到建筑结构、机械、汽车、冶金、化工、航空航 天、造船、自动控制系统以及电机、电器等工程设计领域，并取得了显著的效果。结构 优化设计是一门集计算力学、数学规划、计算机科学以及其他工程学科于一体的新型学 科，其中两门学科的发展为结构优化的发展提供了重要的基础，一是有限元法的发展， 解决了复杂结构的分析问题，为优化设计提供了前提；另一个是运筹学中数学规划方法 的发展，为结构优化提供了许多有效的数学方法。而电子计算机与计算技术的发展又为 结构优化提供了高性能的计算工具，使得对大型工程结构的优化成为了可能。因此，优 化设计己成为现代设计理论和方法中的一个重要领域，并且愈来愈受到广大设计人员和 工程技术人员的重视。优化设计的基本过程如图2 1 所示。 厂l 一开叫 i 区蓝 前1 医兰塞生堡纠 譬 理| 逦鲴 ! 选择优化方法j 一 1 童。璺i 发- 择供化程 ， ， 一一 l 一 确定毫u 始方案 ， 输f i ；最优解 人一一一机 图2 1 优化设计过程图 f i g 2 1o p t i m i z a t i o nd e s i g np r o c e s s 策 j 决 一 时矗 吱一落一 i 一 ，l i，。 后处理 大连理t 大学硕十学位论文 结构优化设计是优化方法在结构设计中的应用。现代结构优化设计主要指结构设计 的计算机自动寻优，该方法将计算力学、数值分析与数学规划理论相结合，以具有大存 储量和高速处理能力的计算机为工具，系统地、自动地进行结构设计，寻求满足各种性 态约束( 如位移、应力、动力特性等约束) 的最佳结构。因此，结构优化设计就是寻求满 足各种约束条件下的最佳构件尺寸、结构形式的设计方案【7 岿，j 。 现代结构优化设计是相对于传统的结构设计而言的。传统的结构设计方法是设计人 员根据经验和判断提出设计方案，随后用力学理论对给定的方案进行分析、校核。若方 案不满足约束限制，人工调整设计变量，重新进行分析、校核，直到找到一个可行方案， 即满足各种条件限制的方案。这个设计过程周期长、费用高、效率低，并且得到的结果 仅是可行方案，多数不是最优设计。传统的方法无论是分析还是设计都存在大量的简化 和经验，准确性差。随着工程结构的愈加复杂，对其要求也更高，传统的设计方法己不 能满足需要，人们希望有一个准确性好、设计效率高的新方法来代替传统的设计方法。 计算机的出现，使这种要求成为可能，各种计算机辅助分析、计算机辅助设计技术相继 出现，其中有限元分析、优化设计是日益成熟的设计方法【l 。 优化研究可分为几个层次，由低到高依次为：( 1 ) 结构截面尺寸的优化；( 2 ) 结构 几何优化；( 3 ) 结构拓扑的优化【l l j ；( 4 ) 结构布局的优化等。优化问题层次越高，优化 的范围和裕度就越大，优化效率就越高；另一方面，数学模型和解法也就越复杂，求解 也就越困难。目自i 对较低层次优化问题的研究相对成熟，高层次优化问题的研究也在逐 渐深入。从解决问题的复杂程度上来看，己由简单的析架结构设计发展到由梁板壳等组 成的航空、航天飞行器以及船舶建筑等领域的复杂结构设计。所能考虑约束种类由最初 的应力、位移约束发展到稳定性、动特性及振颤约束等。设计变量由连续性变量发展到 离散性变量的优化。目前多数研究工作仅限于单目标的局部优化问题，而工程结构优化 往往是多目标的，这方面优化问题也在研究之中。 1 9 6 0 年数学规划法首次被应用于求解多种载荷情况下弹性结构设计，开始了现代结 构优化的新时代。之后这种新的设计方法得到迅速发展，数学规划中的许多方法都曾被 用来求解结构优化问题，其中复合形法、序列线性规划法、可行方向法、罚函数法都是 采用得较多的方法。数学规划法的本质是根据当自i 设计方案所提供的信息，确定寻优方 向和步长，一步一步地逼近最优点。数学规划法的特点是具有较强的数学基础，一般都 有严格的收敛性证明，而且通用性好，可以处理不同性质的优化问题。但由于结构优化 大多是具有高次非线性隐函数的非线性规划问题，随着设计变量与约束条件的增加，求 解问题规模的加大，采用数学规划法需要的结构分析次数迅速增加，优化效率低，因而 影响了在工程实际中的推广和应用。 履带起重机超起装置结构优化设计与仿真 2 2e x c el 应用程序简介 2 2 1e x c el 功能特点 m i c r o s o f te x c e l 是美国微软公司开发的w i n d o w s 环境下的电子表格系统，它属于微 软公司推出的o f f i c e 软件的一员，它是目前应用最为广泛的表格处理软件之一。自e x c e l 诞生以来e x c e l 历经了e x c e l 5 0 、e x c e l 9 5 、e x c e l 9 7 、e x c e l 2 0 0 0 、e x c e l x p 和e x c e l 2 0 0 3 等不同版本。随着版本的不断提高，e x c e l 软件的强大的数据处理功能和操作的简易性 逐渐走入了一个新的境界，整个系统的智能化程度也不断提高，它甚至可以在某些方面 判断用户的下一步操作，使用户操作大为简化。这些特性，已使e x c e l 成为现代应用软 件重要的组成部分。 ( 1 ) 强大的计算和分析能力 m i c r o s o f te x c e l 具有处理大型工作表的能力。e x c e l 每张工作表中最多可容纳的数据 行数为6 5 5 3 6 行，而且，在工作表中创建公式比以往更加简便。新增的工具可以帮助用 户更好地创建并编辑公式、输入函数及创建自定义表单和模板。e x c e l 除了可以做一些 一般的计算工作外，还有4 0 0 多个函数，用来做统计、财务、数学、字符串等操作以及 各种工程上的分析与计算。e x c e l 还专门提供了一组现成的数据分析工具，称为“分析 工具库”，这些分析工具为建立复杂的统计或计量分析工作带来极大的方便。 ( 2 ) 操作简便 e x c e l 系统具有人工智能的特性，它可以在某些方面判断用户的下一步操作，使操 作大为简化。当需要将工作表上某个范围内的数据移到工作表上的另一个位置时，只需 用按鼠标键，选定要移动的资料，将该范围资料拖动至所需的位置，松开鼠标即可。e x c e l 内有许多工具按钮，每一个按钮代表一个命令。 ( 3 ) 图表和报表能力 在e x c e l 中，系统大约有1 0 0 多种不同格式的图表可供选用，用户只要做几个简单 的按键动作，就可以制作精美的图表。用户可以利用各种文字格式化的工具和制图工具， 制作出美观的报表。 ( 4 ) 连接和合并功能 e x c e l 的每个工作在一张工作表上执行即可，早期的工作表软件都只能在一张工作 表上执行。但有时需要同时用到多张工作表，要将各分公司区的资料汇总起来，就需要 用到连接和合并功能。e x c e l 很容易将工作表连接起来，并进行汇总工作。e x c e l 内一个 工作簿可以存放许多工作表、图形等，每个工作簿文件最多可以由2 5 5 张工作表组成。 ( 5 ) 数据库管理能力 大连理丁大学硕十学位论文 在e x c e l 中提供了类似的数据库管理功能，保存在工作表内的数据都是按照相应的 行和列存储的，这种数据结构再加上e x c e l 提供的有关处理数据库的命令和函数，使得 e x c e l 具备了能组织和管理大量数据的能力。 ( 6 ) 开发工具v b a 利用e x c e l 的宏语言功能，用户可以将经常要执行的操作的全过程