150KN液压单臂起重机的设计与分析

150KN液压单臂起重机的设计与分析天津理工大学。摘要: 150KN液压单臂起重机由吊臂、转轴、斜拉杆、主油缸、旋转油缸组、机座等组成。起重高度5.6米，装有双油缸180度旋转结机构，本文介绍了总体设计，主要部件的结构和设计方法，介绍了液压系统的设计原理。关键词：单臂液压起重机 双油缸180度旋转 液压原理一、概述 汽车模具是大型模具，长、宽可达四米多，重达几十吨。模具由上模和下模组成，在模具制造和调试中，上模需要经常吊起和翻转，经研磨等工艺修整后，再翻转、吊回装配。翻转上模采用的方法是用两台起重机吊起，然后放开其中一个，翻转后再重新吊起，两台起重机同时放下，可实现模具上模的翻转。模具的上模重量按30吨计算，则一个起重机的起重量是15吨。车间中只有一台天车，所以需要一台150KN的起重机，此机要求结构紧凑、占地少。分析起重机的工作条件，本机采用液压驱动单臂结构。二、总体结构设计起重机由吊臂、转轴、斜拉杆、主油缸、旋转油缸组、机座等组成（参见图1），吊臂垂直方向起升角度范围为-14度60度，起重高度为5.6米，吊臂可左右转动180度，全载荷有效工作角度为90度。主油缸是双耳环工程液压缸，内径200毫米、行程1200毫米。机底部分用混凝土固定于地面以下。起重机配有专用液压站。起重机各部件的受力分析和计算结果见图2.图1 15吨液压吊机图2 起重机主要部件受力分析图三、主要部件设计1、吊臂的钢结构设计 吊臂可分为吊臂主体、吊钩、支承轴架几部分。吊臂主体主要承受弯曲载荷，经材料力学计算可知，其最大弯矩在B处，其数值为463.5KNm。经过数种截面形式的综合分析，采用图3左示图所示的组合结构，由四个14号等边角钢和中间的12毫米厚钢板形成的组合截面。经优化设计计算，确定了如图所示的尺寸，此时其最大弯曲应力是70Mpa，符合液压机构件的许用应力。支承轴架如图3俯视图所示。在工作当中，吊臂会存在水平方向摆动的运动惯性，所以两个轴支板间要有一定的距离以克服吊臂的惯性扭矩，经计算此距离选为500毫米。吊臂的三个销轴，均按许用应力70Mpa进行设计。2、带重载转动转轴的设计转轴的结构如图4所示，设计时考虑受力特点，结构上作了如下设计：图3 吊臂结构图图4 转轴总成其一，显然吊臂的力和油缸的力，分别通过吊臂轴和油缸轴作用在转轴上。转轴的横截面受有拉力，其值经计算为385KN。为了避免在转轴上形成偏心拉伸力矩，采用大拉板把两个力的作用点联接起来，则支轴截面的拉力全部由拉板承载。拉板是由两个厚12毫米、宽250毫米的钢板组成。 其二，转轴的上部受有斜拉杆的拉力，在转轴的下部，与基座相接的部位受有向上的530KN反力和水平方向的276.2KN反力，这两个部位工作时都要转动，设置了两个青铜滑动轴承，采用脂润滑。3、双油缸180度旋转结构驱动承载的吊臂在水平方向转动时，必然会存在极大的转动惯性，如果采用蜗轮结构、齿轮结构驱动其转动都是容易损坏的。本机采用油缸驱动，采用杆机构实现转动，通常一个油缸只能驱动转动约90 度，采用如图5所示的结构，两个油缸采用杆串联的方式，可实现180度转角。图中油缸AB的A轴是固定轴，通过B点驱动杆GE，G轴是也固定轴，则油缸可推动GE转动约90度。油缸DC以C为基点通过D点推动杆GF，则油缸DC可推动杆GE转动约90度。这样，两个油缸滿行程工作，可使杆GF转动约180度，杆GF与转轴固联，实现吊臂的180度转动。两个油缸均为直径63毫米、行程280毫米的双耳环工程油缸。采用双油缸驱动重型构件的转动，可以有效地缓冲巨大的转动惯性，是安全可靠的方法。图5 双油缸驱动180度旋转示意图4、宽区域承载底座的设计底座的作用是承载作业空间形成的倾倒弯矩和整机的重力载荷。底座的最大弯矩位于转轴处，由计算可知约是709 KNm，按许用应力70Mpa计算，所需的抗弯截面模量8864cm3。采用63c热轧工字钢，其抗弯截面模量是3300cm3。在工字钢的上、下两面焊装宽1米、厚20mm的钢板，使其抗弯截面模量大于8864cm3。 工字钢上的弯矩隨远离转轴而变小，所需焊装钢板的宽度也相应变窄，如图1所示，距离转轴左、右分别为2530mm和1545mm的位置上，其弯矩已变小，不必再焊装增加强度的钢板了。焊装的钢板呈梯形状。吊臂在水平方向的工作范围是90度，所以布置了三条相同结构的工字钢，组成抗弯力系钢结构件，保证吊臂在各工作位置均有可靠的力学支承，每条工字钢所焊装的钢板最宽处大于1米，实际上是如图1所示的形状。底座构件装于地面以下，设预埋件，焊接固定。四、起重机液压系统的设计液压系统原理如图6所示，系统的额定工作压力是20Mpa，吊钩的平均上升速度设计为每秒30 mm，主油缸内径200毫米，经计算选用25ml/转的变量柱塞液压泵、电动机功率为11kw。需要说明的设计原理主要有两点：1、吊钩下降时，往往是带有重载进行下降，为了安全，主油缸的运动速度不能过快，所以装有单向调速阀7。当吊钩悬停在高位时，要确保其悬停而不下降，为此装有液控单向阀6，只有当油缸上腔供油时，受上腔油压的控制，液控单向阀6才能打开，活塞才能下行。单向调速阀7选用管式结构，直接装在主油缸的油管接口上，这样最安全，如果装在远端，油管的意外破裂会造成吊臂的失控而发生事故。2、两个转动油缸10和11，是并联油路，工作时两个油缸中哪个油缸先动作和后动作，对吊臂的转动效果都是一样的。油路中装有调速阀9，调整后使吊