机械原理四连杆门座式起重机

机械原理机械原理 2013 2014 学年学年 大作业大作业 设计题目 设计题目 四连杆式门座起重机四连杆式门座起重机 工作机构设计工作机构设计 姓姓 名 名 李李 瑞瑞 学学 号 号 2011644720116447 专业班级 专业班级 1111 级铁道车辆一班级铁道车辆一班 指导教师 指导教师 何何 俊俊 2013 11 102013 11 10 题目介绍 要求以及数据题目介绍 要求以及数据 设计题目 设计题目 四连杆式门座起重机工作机构设计四连杆式门座起重机工作机构设计 一 设计题目简介一 设计题目简介 四连杆门座起重机 是通用式门座起重机 广泛应用于港口装卸 修造船厂 钢铁公司 主要由钢结构 起升机 构 变幅机构 回转机 构 大车运行机构 吊 具装置 抓斗 简易集 装箱吊具 吊钩 电 气设备及其它必要的安全和辅助设备组成 通过四连杆控制在吊臂 前后运动的时候 起吊节点保持水平高度不变 二 二 设计数据与要求设计数据与要求 工作幅度 米 工作幅度 米 起升高度 米 起升高度 米 工作速度工作速度 m minm min题题 号号 起重量起重量 t t L2L2L1L1H1H1H2H2 起升起升变幅变幅回转回转运行运行 装机容量装机容量 KWKW C C101025258 815159 9505050501 51 52525330330 三 三 设计任务设计任务 1 依据设计参数绘出机构运动简图 并进行运动分析 确定实现起 吊点轨迹的机构类型 2 依据提供的设计数据对四连杆起吊机构进行尺度综合 确定满足 使用要求的构件尺寸和运动副位置 3 用软件 VB MATLAB ADAMS 或 SOLIDWORKS 等均可 对执行机 构进行运动仿真 并画出输出机构的位移 速度 和加速度线图 4 编写说明书 其中应包括设计思路 计算及运动模型建立过程 以及效果分析等 5 在机械基础实验室应用机构综合实验装置验证设计方案的可行性 第第 1 1 章章 四连杆式门座起重机的介绍 四连杆式门座起重机的介绍 第第 1 1 节节 四连杆式门座起重机的概述 四连杆式门座起重机的概述 门座起重机是起重机的一种 是随着港口事业发展起来的 第一次在港口上运用门座式起重机是在1890 年将幅度不可变 的固定式可旋转臂架型起重机横跨在窄型码头上 这是门座起 重机的第一次运用 在第二次世界大战之后港用门座起重机迅 速发展 在发展的过程中门座起重机还逐渐应用到作业条件与 港口相近的船台和水电站等工作地点 图 1 1 M10 30 门座起重机总图 电缆卷筒 2 转柱 3 门座 4 转台 5 机器房 6 起重量限制器 7 变幅机构 8 臂架系统 9 防转装置 10 吊钩装置 11 抓斗稳定器 12 抓斗 13 司机室 14 回转机构 15 起升机构 16 运行机构 1 1 机构的运动简图为 机构的运动简图为 2 2 起重机的起升机构为 起重机的起升机构为 起升机构是起重机最主要的机构 用以实现重物的升降运动 它是有电动机 卷筒 钢丝绳 滑轮组 减速器 制动器和吊钩组 成 滑轮是用来改变钢丝绳的受力方向的 可以作为导向滑轮 更 多地用来组成滑轮组 它是起重机起升机构的重要组成部分 卷筒 在起升机构中用来卷绕钢丝绳 它将电动机的回转运动转换为重物 升降或水平的直线运动 制动器在起升机构中是不可缺少的组成部 分 制动器的作用主要有 1 支持 保证重物能在空中保持不动 2 停止 用摩擦消耗运动部分的动能 以一定的减速度使机构停 止下来 3 落重 制动器与重力平衡 重物以恒定的速度下降 减速器可以用来改变转速 获得精准的转速 以达到减速的目的 电动机通过联轴节与减速器的高速轴相连 机构工作时 减速器的 低速轴带动卷筒 将钢丝绳卷入或放出 经过滑轮系统 使吊钩实 现上升或下降 机构停止工作时 制动器使吊钩连同货物悬吊在空 中 吊钩的升降靠电动机改变转向来达到 3 3 起重机的变幅机构为 起重机的变幅机构为 变幅机构是用来实现臂架 俯仰 以改变工作幅度的 机构 它主要有两个方面 的作用 一是在满足起重 机工作稳定性的条件下 改变幅度 以调整起重机 有效起重量或调整取物装 置工作位置 二是在起重量的最大幅度与最小幅度之间运移货物 以扩大起重机的作业范围 港口装卸用门座起重机变幅机构的作 用主要是指后者 它与其他机构联合作业 实现货物的运移 1 象鼻架 2 拉杆 3 机架 4 动臂 第第 3 3 节节 门座式起重机的分类 门座式起重机的分类 门座起重机可按照以下形式分为 1 按照门架结构分 按照门架结构分 全门座起重机和半门座起重机 全门座起重机 具有完整的门架 两条运行轨道在同一水平面 上 半门座起重机 不具有完整的门架 两条运行轨道不在同一水 平面上 一条 铺设在地面上 另一条铺设在库房或者特质的栈桥上 2 按照起重臂结构类型分 按照起重臂结构类型分 四连杆组合臂架门式起重机 净空高 度比较大 起重机总高度较低 但结构复杂 重量较大 单臂梁式门座起重机 净空高度比较小 起重机总高度较高 结构较简单 总量较轻 3 3 按照支撑装置结构分 按照支撑装置结构分 转柱式门座起重机 定柱式门座起重机 转盘式门座起重机和大轴承式门座起重机 4 4 按照用途分 按照用途分 装卸用门座起重机 造船用门座起重机和建筑安装 用门座起重机 名称用途参数及特点 装卸用 门座起 重机 主要用于港口和露天 堆料场 用抓斗或吊 钩装卸 起重量一般不超过 25 吨 不随 幅度变化 工作速度较高 故生 产率常是重要指标 造船用 门座起 重机 主要用于船台 浮船 坞和舣装现场 进行 船体拼接 设备舣装 等吊装工作 吊钩作 为吊具 最大起重量达 300 吨 幅度大时 起重量相应减小 有多档起升速 度 吊重轻时可提高起升速度 建筑安 装用门 座起重 机 主要用在水电站进行 大坝浇灌 设备和预 制件吊装等 一般用 吊钩 起重量和工作速度一般介于前两 类起重机之间 它具有整机装拆 运输性好 吊具下放深度大 能 较好地适应临时性工作和栈桥上 工作等的特点 第第 2 2 章章 四连杆门座式起重机的分析 四连杆门座式起重机的分析 第一节 起重机的方案确定第一节 起重机的方案确定 方案一 平行四连杆臂方案一 平行四连杆臂 优点 重心易合成易确定 变幅过程中可以沿水平方向运动 缺点 由于机构是平行四边形所以其稳定性不好 容易变形 方案二 四连杆式臂架方案二 四连杆式臂架 四连杆式臂架可以用反转法求得 简图过程如下图所示 此方案的优点 重心以及其他点可以精确的求得 而且相对平行 四连杆臂而言有更好的稳定性 经研究比较最终确定方案为四连杆式臂 第第 2 2 节节 机构尺寸的确定以及计算 机构尺寸的确定以及计算 1 1 尺寸的确定 尺寸的确定 由于题目中要求 E 点做水平运动 并且给出范围是在 8 25 米之 间 根据设计需要 暂且确定摆动臂为 24 米 CD 间距离设为 4 米 DE 间距离设为 10 米 拉杆长度设为 22 米 A B 两脚支架的坐标分 别为 0 0 和 6 8 并且用 ADMIS 软件进行调试验证 此数据 可以使得机构正常运行 2 2 计算过程 计算过程 如图 最大幅度时臂架 象鼻梁与水平线夹角的下线和 min 以及象鼻梁前后端长度 和 比值的选取实际设计时都有经验取 min Ll 值范围 由图可求出象鼻 min 40 50 min 8 30 0 35 0 5 lL 梁端点 E 的坐标表达式 coscos sinsin E E xRL yRL 22 000 22 0 2 arccosarctan RHSLH S R SH 0 sin arcsin RH L 图中 A 点为坐标原点 l0 为 AD 的杆长 l1 为 AB 的杆长 l2 为 BC 间的杆长 l3 为 CD 间距离 l4 为 DE 间距离 l5 为 B 点的纵坐标 长度 l6 为 B 点的横坐标长度 为 AD 杆与 x 轴见得夹角 为 2 6 2 5 1lll BC 杆与水平的夹角 r 为 AB 杆与 AD 杆见得夹角 为 AB 杆与 x 轴的夹角 H 为悬挂点的高度 即 E 点的纵坐标长度 其中 l0 l2 l4 l5 l6 均为已知 则 l7 在三角形 ABD 中根据余弦定理可得 l7 l1 l0 2l1l0cosr l7 l1 l0 2l1l0cosr 式中的 r tan l5 l6 在三角形 BCD 中根据余弦定理 l2 l7 l3 2l7l3cos 1 可得 1 cos l7 l3 l2 2l7l3 悬臂梁最大与最小夹角 max min计算公式 即 的取值范围 当摆角 在最大幅度 Rmax 时 y H l0sin l4sin 可以用 表示 因此可以求出 min 41 同理可以求出当摆角 在最大幅度 Rmin 时 max 77 程序 内层 目标函数 function f myfun1 x f max x 6 min x 6 将该文件保存为 optim1 m 约束条件 设计变量 function c ceq mycon1 x amx 75 pi 2 smx 65 smn 31 H0 50 c 1 x 1 50 pi 180 c 2 40 pi 180 x 1 c 3 x 2 25 pi 180 c 4 10 pi 180 x 2 c 5 x 3 0 5 x 8 c 6 0 35 x 8 x 3 c 7 x 4 0 24 x 7 c 8 0 2 x 7 x 4 c 9 x 5 0 4 x 7 c 10 0 3 x 7 x 5 c 11 x 9 amx c 12 x 1 x 9 ceq 1 smx tan x 1 H0 cos x 2 tan x 1 sin x 2 x 8 ceq 2 H0 x 8 sin x 2 sin x 1 x 7 ceq 3 acos x 7 2 H0 S0 x 8 2 2 x 7 sqrt smn 2 H0 2 atan H0 smn x 9 ceq 4 asin x 7 sin x 9 H0 x 8 x 10 ceq 5 x 7 cos x 9 x 3 cos x 10 x 11 ceq 6 x 7 sin x 9 x 3 sin x 10 x 12 x 6 sqrt x 11 x 4 2 x 12 x 5 2 将该文件保存为 optim1c m 调用函数 x0 40 pi 180 8 pi 180 10 x fmincon optim1 x0 optim1c 外层 设计变量 目标函数 function f myfun2 x f max x 2 min x 1 将该文件保存为 optim2 m 约束条件 function c ceq mycon2 x c 1 x 3 amx c 2 amn x 3 ceq 1 R cos x 3 L cos sd x 1 ceq 2 R sin x 3 L sin sd x 2 将该文件保存为 optim2c m 调用函数 x0 40 pi 180 22 pi 180 9 373 x fmincon optim2 x0 optim2c 最终确定杆长为 B 5 8 R 15 57 L 10 l 4 H0 8 min 20 min 47 083 结构如下图所示 3 3 建模及仿真建模及仿真 底座 底座 中间部分 中间部分 运动简图中的运动简图中的 ADAD 运动简图中的运动简图中的 BCBC 运动简图中的运动简图中的 CECE 装配图 装配图 运动曲线 运动曲线 X X 轴方向位移曲线轴方向位移曲线 X X 轴方向速度曲线轴方向速度曲线 X X 轴方向加速度曲线轴方向加速度曲线 Y Y 轴方向位移曲线轴方向位移曲线 运动仿真综合图 运动仿真综合图 总结总结 通过本次机械原理大作业的分析 让我学会了很多知识 其中通过本次机械原理大作业的分析 让我学会了很多知识 其中 最深刻最重要的就是真正的懂了这门课程的精华所在 在做作业期最深刻最重要的就是真正的懂了这门课程的精华所在 在做作业期 间也曾预见到各种各样的困难 刚刚开始的时候感觉无从下手 手间也曾预见到各种各样的困难 刚刚开始的时候感觉无