定柱式悬臂起重机结构设计与分析（全套CAD图+PROE三维模型+设计说明书+翻译）
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定柱式
悬臂
起重机
结构设计
分析
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定柱式悬臂起重机结构设计与分析
摘要：
定柱式悬臂起重机是由立柱、回转臂、悬臂驱动装置和电动葫芦组成。立柱下端底座通过地脚螺栓固定在混凝土基础上，由电机带动减速机驱动装置使悬臂回转，电动葫芦在悬臂工字钢上作往返运行作业。它的特点有：自重轻，悬臂长，起重量大，安装、操作、维修简单。它们完全独立，是一种理想的工作岗位起重机，并适用于室外的货场和装卸平台。定柱占地面积小。对于起升净空非常小的情况下也能获得最大的起升高度。
本设计从整体设计出发，依次设计计算了2t定柱式悬臂起重机的悬臂和立柱的主要机构部件。选取了螺栓，开式齿轮等主要零部件。设计了符合要求的悬臂结构，并校核了轴承，焊缝强度和转动轴键的强度和刚度等力学性能参数。在设计过程中，运用优化设计的方法，使各个结构尽量达到最合理的布置和选择。
关键词:定柱式悬臂起重机金属结构
- 内容简介：
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*学院 *届毕业设计 中英文 翻译 第 1 页 第 9 页 he of s to to be a to in a he to or to an By of it as on to as of to to a to of of 940 up in By of to of to In S, to be by 953 0 of be of 1940, of in on by he .6 .9 3.5 to by on as of on of to in a of a an of as we it As *学院 *届毕业设计 中英文 翻译 第 2 页 第 9 页 it to on to of a to 5 it He at to an of so by s in a of a he 863 as a a in of of of of of in a of to be of so is of of is of is be to It is in is to in or a on of so a on of is on by *学院 *届毕业设计 中英文 翻译 第 3 页 第 9 页 of a on on in on a of of in of of of of in in of a to of of of of At at to In of of a of of in s to of at of by to s to is of a of in at a be a us to up is it to is in of s *学院 *届毕业设计 中英文 翻译 第 4 页 第 9 页 In no is a of to a of a a as a to it of to a of in a to to to a on a do is it to of a or as of a is in a of is it of to in an to In no or to of a to It is to or or in of a in is a of It is it is of to be by It *学院 *届毕业设计 中英文 翻译 第 5 页 第 9 页 is on at be in to up to be at s a of a of be to be of to on *学院 *届毕业设计 中英文 翻译 第 6 页 第 9 页 起重机工作需要 很多 科 技 起重机的出现大大提高了人们的劳动效率，以前需要许多人花长时间才能搬动的大型物件现在用起重机就能轻易达到效果，尤其是在小范围的搬动过程中起重机的作用是相当明显的。 战后的前几年，世界性的工业诞生了，起重机行业几乎完全停止。然而到这个年代末，起重机的建造变得多元化并传播到世界各地，它的前所未有的蓬勃发展似乎整个工业注入了新能源。轻型起重机投入到工作地点并准备作为主要机械，因为人们意识到了在工作间不用拆除他们的的优点。这些新的设计也不再需要其他起重设备协助操纵 相比以前在安装前要进行繁琐 的设计。但是，在这一切之前发生了恐怖的第二次世界大战。到 1940 年，欧洲完全陷入了战争中。到战争结束后的几十年来，欧洲和世界其他地区发生了巨大的政治，经济和社会变化，将影响整个社会结构，包括建造业和起重机行业。在美国，蒸汽机已开始改为柴油机 到 1953 年超过百分之五十的机车将使用柴油机。战争期间，挖掘机，铲运机和起重机的大规模生产在继续。例如 1940 年，看到 出新的列。这其中包括三种起重机，是历史上首次自身安装了底盘的起重机。最小的 2 ，起重量达 ， 2 起重量为 ， 3 起重量为 。这些起重机许多被用于军队，有的还安装在港口用作港湾式起重机（在 4 型） 。当然，这场战争已经削弱了能在起重机行业工作的健壮的男人的数量，并且优秀的起重机司机严重短缺。在 一位毕业于美国海军学院的经验丰富的技工 A C L K 行了为期两天的起重机业务课程的教授。这两位绅士好比是我们今天所知的 经营者培训 的创始人。他们实际上已设计了动力起重机，都深深地了解起重机，并很高兴传授这方面的知识。 当日 本国家铁路公司致力于采购一种旨在搬动钢轨扣板的原型机，潮流逆转。该设备工作极为出色。 游日本，用 35 毫米的电影展示该设备的强大用途。沿路上，他获取了大量订单。同时，他好像成为当今市场营销专家所宠爱的公司影像传播的先驱！ 其他国家也在大力发展起重机。特别是意大利，逐渐发展成为该行业的创新基地。 1948 年 米兰附近的 次建造了回转塔式起重机，一种经典的顶端回转起重机。公司最初成立于 1863 年，在生产起重机之前，*学院 *届毕业设计 中英文 翻译 第 7 页 第 9 页 是一间铸造厂并为技工和其他行业 生产机械设备。当时全球建筑业空前繁荣，吸引了专业设备制造商的注意。其中许多公司在推广起重机后，推出了混凝土搅拌设备。提供了多种不同组合，例如， 计开发了起重机与混凝土搅拌设备一起使用的组合。 桥式起重机小车运行机构设计 主要包括起升机构、小车架、小车运行机构、吊具等部分。其中的小车运行机构主要由减速器、主动轮组、从动轮组、传动轴和一些连接件组成。桥式起重机是水电站桥式起重机，安装于丰满水电站扩建工程厂房内，用于水轮发电机组及其附属设备的安装和检修工作。水电站内设备一般都是大中型设备，对桥式起重机的载荷要求较高，所以对减速器性能要求较高。 桥式抓斗起重机是桥架在高架轨道上运行，由起重小车带动抓斗抓取物料的一种桥架型起重机。桥架沿铺设在两侧高架上的轨道纵向运行，起重小车沿铺设在桥架上的轨道横向运行，构成矩形的工作范围，就可以充 分利用桥架下面的空间吊运物料，不受地面设备的阻碍。桥式抓斗起重机广泛应用于电厂、煤厂等需要散料装卸的场合，由于该设备笨重，运输安装困难，对其产品质量检测一般需要在现场进行。所以要求控制设备接线方便，体积小便于携带。又由于使用现场条件不动，还要求检测设备有随机手动控制功能，以保证运行时的安全。随着对起重运输机械控制要求的不断提高 ,控制手段也越来越先进。目前国内的桥式起重机控制系统都需要人在现场进行控制，控制方式都比较落后。在中小型起重机中 , 大都采用控制器直接控制大、小车运行 , 主、副钩提升、下降重物及调速。 塔式起重机是建筑施工垂直运输的主要设备，也是衡量一个建筑施工企业装备实力的重要标识，在当今竞争日益激烈的建筑市场，为满足施工需要，很多施工企业都购置了塔式起重机。随着塔式起重机在施工现场的广泛使用，由塔式起重机引发的伤亡事故也越来越多，给人民的生命财产带来重大损失。据国内有关部门统计资料表明，塔式起重机的事故率已达 其安全问题仍然是建筑施工中的忧患 。 松散的培训，测试和监督的要求 , 周围的建筑起重机给这些工作的人树立了一种虚假的安全感，在我们的行业。最近塔式起重机倒塌在一个繁忙的纽约市建筑地盘应 敲响警钟，提醒我们问题的存在，并加强我们目前安全的做法。 *学院 *届毕业设计 中英文 翻译 第 8 页 第 9 页 当谈到安全问题时，训练和测试是关键。不过，建造业是把不合格人员放在建筑起重机的驾驶位上，甚至没有通过今天的测试。在许多地方，没有任何经验必须合格的通过标准化的测试。一周的学习将给予一些人足够的知识足以通过认证考试，然后他们可以跳转到的起重机的驾驶室。 想象一下一个商业航空公司飞行员和一个认证的起重机操作员有相同的训练。你会如何感觉，下一次你决定要坐飞机？在加利福尼亚州，掌握一对剪刀在头发沙龙比操作有潜在危险的起重机械需要更多的时间训练。如何，这是否合理？ 装配工人和发信号的人也需要标准的培训和测试，以确保安全下钩。雇主通常允许任何工人发信号指挥起重机上工地 ，尽管最佳做法是需要合格的人这样做。怎么能允许那么无证和未受过训练的人来代替有工作证或经核证的操作者呢？ 塔式起重机是特别危险的，尤其是在市区用地变得更加拥挤时。攀登行动更是一个风险的行动，其灾难性非常高。然而，大多数塔式起重机攀登员的训练，在一个非传统的方式，通过二手知识已流传一段时间。问题与这种类型的现成的知识是，多年来，留下来的非常少，但最重要的细节却丢失了。这种 “渗透 ”的知识，导致操作者只能 发展自己的技巧攀登起重机，往往放弃基本的安全，企图以节省时间和能源 . 在许多情况下没有安全装置或警报来提醒严重的问题的存在。攀登人员容易遭受到影响安全性至关重要的决策所带来的压力。攀登时，使用损坏或泄漏的液压系统，没有任何的调整，这并不鲜见。在黑暗中工作和延长工作时间是时有发生的。这种攀登方法，其中的每一次攀登都会成为新的冒险，不应该作为规范被采纳。 攀爬架的设计，在制造商之间存在不同，但设计的步骤在原则上是相似的。攀登过程中是相对比较明了的，配合着的体力劳动和技术程序。这是并不复杂，它是更多地了解知道正确 的序列需要做什么，然后按照下列步骤，一个又一个，确保每一步在做下一步前成功完成。这是十分重要，每个人都清楚的知道事情进展的怎么样，在每一个阶段存在什么样的危险。 当这些需要得到满足，起重机作业应进行严格按照有关制造商的指示，工程*学院 *届毕业设计 中英文 翻译 第 9 页 第 9 页 原则和政府的法律。但业内人士和国会议员，要加强他们的宽松标准，以保障公众利益。看到自己的家园变成了尘埃和碎片的纽约市居民，会对处理这些问题的方式感到震惊。 这就是为什么业界需要规范的培训，测试和监督，其中包括一个实际的评估能力。技术人员应该随着实际经验的提升，直接从制造商哪里获得标准 训练。视察员同样也也须有具体的技术培训。他们应独立于安装和维修的各方面，这由客观决定。架设的关键人员应该有标准的训练和测试 . * 学 院 毕业设计开题报告 学 生 姓 名 ： * 学 号： * 学 院、系 ： * 专 业 ： 机械设计制造及其自动化 设 计 题 目 ： 定柱式悬臂 起重机结构 设计 与分析 指 导 教 师 : * * 年 3 月 21 日 毕 业 设 计 开 题 报 告 1结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写 2000 字左右的文献综述： 文 献 综 述 悬臂起重机是近年发展起来的中小型起重装备，结构独特 ，安全可靠，具备高效、节能、省时省力、灵活等特点，三维空间内随意操作，在短距、密集性调运的场合，比其它常规性吊运设备更显示其优越性 1。本产品广泛应用于各种行业的不同场所。悬臂起重机工作强度为轻型，起重机由立柱，回转臂回转驱动装置及电动葫芦组成，立柱下端通过地脚螺栓固定在混凝土基础上，由摆线针轮减速装置来驱动旋臂回转，电动葫芦在旋臂工字钢上作左右直线运行，并起吊重物。 2起重机旋臂为空心型钢结构，自重轻，跨度大，起重量大，经济耐用。 3 定柱式悬臂起重机又称立柱式悬臂起重机，起重量在 125柱式旋臂吊具有结构新颖、合理、简单、操作方便、回转灵活、作业 空间大等优点，是节能高效的物料吊运设备，可广泛适用于厂矿、车间的生产线、装配线和机床的上、下工作及仓库、码头等场合的重物吊运。 4定柱式旋臂吊根据其旋臂所使用型钢的不同可以分 为： 和 。 5 近年来，随着电子计算机的广泛应用，许多起重机制造商从应用计算机辅助设计系统（ 提高到应用计算机进行起重机的模块化设计。根据市场调查预测的统计数字和积累的资料、图表、图线规律，在严密的科学理论指导下，拟定起重机结构、 机构、部件等多层次的标准化、模块化单元。 6起重机采用模块单元化设计，不仅是一种设计方法的改革，而且将影响整个起重机行业的技术、生产和管理水平，老产品的更新换代、新产品的研制速度都将大大加快。对起重机的改进，只需针对几个需要修改的模块；设计新的起重机只需选用不同的模块重新进行组合；提高了通用化程度，可使单件小批量的产品改换成相对批量的模块生产。亦能以较少的模块形式，组合成不同功能和不同规格的起重机，满足市场的需求，增加竞争能力。 7 随着我国国民经济建设进一步深入，商品流通量大幅度增加，交通运输业快 速发 展，起重运输机械的需求量越来越大，其实用性能的要求也越来越高。悬臂起重机设备，非常适用于一吨左右重量的工件定点频繁起吊运输。 8在机械加工领域，悬臂起重机具有强大的购买市场和广阔的发展前景。 中国的起重机产业诞生于上世纪 70 年代，经过 40 余年的发展，经历了 70 年代引进苏联技术， 80 年代初引进日本技术和 90 年代初引进德国技术等三次主要技术改进，始终走着一条自主创新的道路。 9 2000 年以来，随着国内外技术交流的日益频繁和国产自主研发能力的显著增强，更多的国外先进技术被成功引进应用 ，并进行了自主创新，获得自主知识产权。随着国产起重机产业制造水平的全面提升，与国外先进技术的差距不断缩小，中国起重机产品开始在国际市场上体现出明显的竞争力。 10悬臂起重机设备属于通用机械，在二十多年高速发展过程中，已经逐渐实现了规模化、集团化、机械化。在辅助加工生产中和自动化的作用，大大提高了劳动生产效率，减轻工人劳动强度。具有工作平稳可靠，操作维护简单、方便等优点。 11 根据当前我国情况来看，机械工业处于上升势头，汽车工业、机动车行业都处于强省发展期。专家预测，随着国民经济的的增长，机械行业有很长 一段时间处于旺盛发展阶段，整体机械行业以及未来发展过程中，悬臂起重机的使用处于不可替代、不可缺少的地位，在整体工业化过程中发挥着重要的辅助生产的作用。12因 此，我们在设计中应大胆采用先进的设计理念，充分利用计算机辅助工艺规划、计算机辅助制造、柔性自动化系统等新技术、新工艺，缩短设计和生产周期、降低成本，调整产品结构、企业结构，增强企业参与市场竞争的能力，使中国起重机制造行业赶上世界先进水平。 13 近二十年来，世界工程起重机行业发生了很大变化，世界工程起重机市场进一步趋向一体化 。 14目前世界工程起重机年销售额已达 75 亿美元左右，主要生产国为美国、日本、德国、法国、意大利等，世界顶级公司有十多家，主要集中在北美、亚洲（日本）和欧洲。美国既是工程起重机的主要生产国，又是最大的世界市场之一。但由于日本、德国起重机工业的迅速发展，美国厂商在世界市场获取的主导地位逐步受到削弱，从而形成了美国、日本和德国三足鼎立之势。 随着我国国民经济的快速发展，特别是国家中小企业的发展，中小企业规模化生产日益扩大，需要用起重机吊装和搬运的结构件和机器设备的数量与使用频率也越来越 大，且对起重机的安全性能、效率及耐久性的要求越来越高。因此，根据中小型起重机起吊频繁，起重量不大的特点，合理的设计这样一台起重机有着十分重要的意义。 15 参考文献： 1陈道南 北京 :机械工业出版社 ,2郁祝年 北京 :中国电力出版社 ,3付荣柏 钢结构制造工艺 . 北京 :中国铁道出版社 ,4胡宗武 ,顾迪民 北京 :科学技术出版社 ,5陈国璋 ,孙桂林 北京 :中国铁道出版社 ,6李静 硕士学位论文 连理工大学， 2007 7 刘长江 起重运输机械 , 2008(11) : 268黄琳 硕士学位论文 连理工大学， 2007 9严正宏 硕士学位论文 江大学， 2008 10马霄 定柱式悬臂起重机机械结构的优化设计 2004,12(1):4311陈玲 ,宋平娜，彭佳等 定柱式悬臂起重机的有限元分析 6412 2006, 0(10) 13陈建萱 起重运输机械 ,1996，总第 250 期（ 1）： 2514坂本种芳 北京 :中国铁道出版社 ,15卢素玲 焦作大学学报， 2011,25(3):101 毕 业 设 计 开 题 报 告 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）： 一、 本课题要研究或解决的问题 该课题是 对定柱式悬臂起重机的 机构和结构设计为主要内容的机械产品 设计，课题涉及机械结构与传动、机械加工与装配、机械试验与测试等。其中，分析了该起重机所要求实现的功能和相应结构，了解起重机的工作原理，基本结构，系统组成及功能，掌握 使用技术并完成桥式起重机的三维建模，绘制关键零部件的二维工程图 ，并学会基于 有限元分析。本研究主要是对该起重机的悬臂梁设计及旋转功能部分的机构设计及参数的选择。包括起升，回转，变幅及金属结构的设计。最终使其能很好地实现起重机的运行，而且互不干涉且配合良好。并且通过此次设计，要提高自己的分析问题和解决问题的能力，将自己所学运用到实际的工作中，提高自己的实践能力。 二、 设计步骤 1、熟悉定柱式悬臂起重机的结构 ； （ 1） 悬臂起重机系列可分为：定柱式悬臂起重机 ,移动 式悬臂起重机 ,墙壁式悬臂起重机 壁行式悬臂起重机 ,轻型龙门式悬臂起重机 曲臂式悬臂起重机 ,双臂式悬臂起重机 等。 （ 2） 定柱式 悬臂起重机 ： 主要包括 上立柱、下立柱、主梁、主梁拉杆、起升机构（电动葫芦）、回转机构、电气系统、爬梯及检修平台组成 。 2、对设计参数进行分析； (1)起重机械的基本参数是用来说明起重机械的性能和规格的一些数据，也是提供设计计算和选择使用起重机械的主要依据。起重机械的基本参数包括如下几项： (2)额定起重量 Q 吊钩所能吊起的最大重量。如使用其他辅助取物装置和吊具时，这些装置的自重应包括在额 定起重量内。 (3)起升高度 H 吊钩最低位置到吊钩最高位置间的垂直距离。 (4)幅度 是指旋转起重机的旋转中心线到吊钩中心线之间的水平距 离。 (5)工作速度 v 包括起升，运行，变幅和旋转速度，但旋转速度用 (6)自重及外形尺寸 这是任何一种机器都应有的技术经济指标，不仅影响起重机本身机械性能的优劣，而且直接影响基建费用的投资 。 3、根据主要技术参数进行整机尺寸的基本设计； 4、进行立柱、主轴、悬臂和起重装置的设计； (1)立柱是定柱式旋转起重机的最主要的支承构件之一。其作用是支持起重机的旋 转部分，承受起重机在工作时所产生的全部垂直力和水平力 。 1立柱材料 通常由 20和 40钢锻造并加工而成。有时也用厚壁钢管来制造。 2立柱的形状尺寸 根据材料力学的理论，立柱在水平在和作用下的挠度和水平力 与立柱的高度 此，总希望 3立柱的强度计算 立柱相当于在下端固定的悬臂梁一样，承受力矩H*所产生的压缩，应按照弯曲和压缩联合作用进行验算。 4立柱的挠度计算 立柱上端水平位移直接影响起重机的正常工作，因此要加以控制。立柱的最大挠度发生在上端水平力的着力点处。因为立柱的断面是变化的，所以应用材料力学中介绍过的图解法来确定立柱挠度较为方便。 (2)主轴的结构设计就是要确定出轴的合理外形和全部结构尺寸。轴的结构设计本身必须考虑强度问题，结构不合理往往给强度带来不利的影响。在许多情况下，轴的结构要求决定了它的外形及尺寸，且轴的结构设计应使轴具有合理的外形结构，同时应满足使用要求 。 轴是机械设备中重要零件之一。其主要功能是支撑作回转运动 的零件，并传递运动和动力。轴通过轴承与立柱相联，装在轴上的零件都在围绕轴作回转运动，形成了一个以轴为基础的轴系部件。因此在轴的设计计算中，不能只考虑轴的本身，还必须设计轴系零件对轴的影响。 1轴的材料选择 轴的材料主要采用碳素钢和合金钢。轴毛坯多用轧制圆钢和锻件，有的则直接用圆钢。选择轴的材料时除首先要满足使用要求外，还要考虑材料的工艺性及经济性。 2轴的结构设计 轴的结构设计就是要确定出轴的合理外形和全部结构尺寸。轴的结构设计本身必须考虑强度问题，结构不合理往往给强度带来不利的影响。在许多情况下， 轴的结构要求决定了它的外形及尺寸，且轴的结构设计应使轴具有合理的外形结构，同时应满足使用要求。 3轴上零件的定位 （ 3） 悬臂 1悬臂梁 的选取 2悬臂梁的 受力分析 3悬臂梁的最大转矩 （ 4）起重装置 5、根据相应计算结果对定柱式悬臂起重机进行三维建模； 6、利用 （ 1） 有限元模型的建立，进行有限元模型简化。如图： （ 2） 进行有限元的计算 1整机应变分析 2整机应力分析 3材料力学计算 4模态分析 5结果讨论 7、 绘出（或打印出）部分相关工程图； 8、 设计进度计划 2月 25日 3日 查阅并收集相关资料 3月 4日 1日 完成开题报告初稿 3月 11日 8日 完善开题报告 3月 19日 2日 继续查阅相关资料完成全部设计构思 4月 3日 0日 悬臂起重机 架构的设计 4月 11日 8日 确定系统总体方案、方案设计 4月 19日 6日 设计与计算 4月 27日 0日 定柱式悬臂起重机 结构设计与绘制 5月 11日 6日 零件图设计与绘制，编写设计说明书 5月 26日 0日 完成设计总结 ， 准备答辩 毕 业 设 计 开 题 报 告 指导教师意见 ： 该课题是以 悬臂起重机 机构和结构设计为主要内容的机械产品设计，具有一定的 研究意义，该 生 通过查阅资料，对研究对象有了初步了解，并 应用已学过的理论知识，拟定 了悬臂起重机的设计方案，采用工程分析计算方法和 计算机辅助设计，完成零部件 工 程图绘制和设计说明书编写等。 拟采取的研究方法合理，可行。 同意开题。 指导教师： 年 月 日 所在系审查意见： 系主任： 年 月 日 *学院 *届毕业设计说明书 定柱式悬臂起重机结构设计与分析 摘要： 定柱式悬臂起重机是由立柱、回转臂、悬臂驱动装置和电动葫芦组成。立柱下端底座通过地脚螺栓固定在混凝土基础上，由电机带动减速机驱动装置使悬臂回转，电动葫芦在悬臂工字钢上作往返运行作业。它的特点有：自重轻， 悬臂 长，起重量大，安装、操作、维修简单。它们完全独立，是一种理想的工作岗位起重机，并适用于室外的货场和装卸平台。定柱占地面积小。对于起升净空非常小的情况下也能获得最大的起升高度。 本设计从整体设计出发，依次设计计算了 2t 定柱式悬臂起重机的悬臂和立柱的主要机构部件。选取了螺栓，开式齿轮等主要零部件。设计了符合要求的悬臂结构，并校核了轴承，焊缝强度和转动轴键的强度和刚度等力学性能参数。在设计过程中，运用优化设计的方法，使各个结构尽量达到最合理的布置和选择。 关键词 :定柱式悬臂起重机金属结构*学院 *届毕业设计说明书 s is a of of to by on by on is an to of At of of in as to of to In of to *学院 *毕业设计说明书 第 1 页 共 51 页 1 绪论 题的背景 悬臂起重机是近年发展起来的中小型起重装备，结构独特，安全可靠，具备高效、节能、省时省力、灵活等特点，三维空间内随意操作，在短距、密集性调运的场合，比其它常规性吊运设备更显示其优越性。本产品广泛应用于各种行业的不同场所。悬臂起重机工作强度为轻型，起重机由立柱，回转臂回转驱动装置及电动葫芦组成，立柱下端通过地脚螺栓固定在混凝土基础上，由摆线针轮减速装置来驱动旋臂回转，电动葫芦在旋臂工字钢上作左右直线运行，并起吊重物。起重机旋臂为空心型钢结构，自重轻，跨度大，起重量大，经济耐用。定 柱式悬臂起重机又称立柱式悬臂起重机，起重量在 125定 柱式旋臂吊具有结构新颖、合理、简单、操作方便、回转灵活、作业空间大等优点，是节能高效的物料吊运设备，可广泛适用于厂矿、车间的生产线、装配线和机床的上、下工作及仓库、码头等场合的重物吊运。定柱式旋臂吊根据其旋臂所使用型钢的不同可以分为： 和 。近年来，随着电子计算机的广泛应用，许多起重机制造商从应用计算机辅助设计系统（ 提高到应用计算机进行起重机的模块化设计。根据市场调查预测的统计数字和积累的资料、图表、图线 规律，在严密的科学理论指导下，拟定起重机结构、机构、部件等多层次的标准化、模块化单元。起重机采用模块单元化设计，不仅是一种设计方法的改革，而且将影响整个起重机行业的技术、生产和管理水平，老产品的更新换代、新产品的研制速度都将大大加快。对起重机的改进，只需针对几个需要修改的模块；设计新的起重机只需选用不同的模块重新进行组合；提高了通用化程度，可使单件小批量的产品改换成相对批量的模块生产。亦能以较少的模块形式，组合成不同功能和不同规格的起重机，满足市场的需求，增加竞争能力。随着我国国民经济建设进一步深入，商品流 通量大幅度增加，交通运输业快速发展，起重运输机械的需求量越来越大，其实用性能的要求也越来越高。悬臂起重机设备，非常适用 五吨以下 的工件定点频繁起吊运输。在机械加工领域，悬臂起重机具有强大的购买市场和广阔的发展前景。 *学院 *毕业设计说明书 第 2 页 共 51 页 内外 定柱式悬臂起重机的 现状与发展前景 内起重机现状 及发展趋势 中国的起重机产业诞生于上世纪 70 年代，经过 40 余年的发展，经历了 70年代引进苏联技术， 80年代初引进日本技术和 90年代初引进德国技术等三次主要技术改进，始终走着一条自主创新的道路。 2000 年以来，随着国内外技术交流 的日益频繁和国产自主研发能力的显著增强，更多的国外先进技术被成功引进应用，并进行了自主创新，获得自主知识产权。随着国产起重机产业制造水平的全面提升，与国外先进技术的差距不断缩小，中国起重机产品开始在国际市场上体现出明显的竞争力。悬臂起重机设备属于通用机械，在二十多年高速发展过程中，已经逐渐实现了规模化、集团化、机械化。在辅助加工生产中和自动化的作用，大大提高了劳动生产效率，减轻工人劳动强度。具有工作平稳可靠，操作维护简单、方便等优点。根据当前我国情况来看，机械工业处于上升势头，汽车工业、机动车行业都处于强省 发展期。专家预测，随着国民经济的的增长，机械行业有很长一段时间处于旺盛发展阶段，整体机械行业以及未来发展过程中，悬臂起重机的使用处于不可替代、不可缺少的地位，在整体工业化过程中发挥着重要的辅助生产的作用。因此，我们在设计中应大胆采用先进的设计理念，充分利用计算机辅助工艺规划、计算机辅助制造、柔性自动化系统等新技术、新工艺，缩短设计和生产周期、降低成本，调整产品结构、企业结构，增强企业参与市场竞争的能力，使中国起重机制造行业赶上世界先进水平。 外 起重机现状 及发展趋势 近二十年来，世界工程起重机行 业发生了很大变化，世界工程起重机市场进一步趋向一体化。目前世界工程起重机年销售额已达 75 亿美元左右，主要生产国为美国、日本、德国、法国、意大利等，世界顶级公司有十多家，主要集中在北美、亚洲（日本）和欧洲。美国既是工程起重机的主要生产国，又是最大的世界市场之一。但由于日本、德国起重机工业的迅速发展，美国厂商在世界市场获取的主导地位逐步受到削弱，从而形成了美国、日本和德国三足鼎立之势。 *学院 *毕业设计说明书 第 3 页 共 51 页 设计的主要内容、目标和方法 要内容 该课题是 以 定柱式悬臂起重机的结构设计为主要内容的机械产品设计，课题涉及机械结构与传动、机械加工与装配等。其中，分析了该起重机所要求实现的功能和相应结构，了解起重机的工作原理，基本结构，系统组成及功能，掌握制关键零部件的二维工程图，并学会 运用软件 做有限元分析。参考其他文献可知，定柱式旋臂起重机主要由上立柱、下立柱、主梁、主梁拉杆、起升机构（电动葫芦）、回转机构、电气系统、爬梯及检修平台组成，其结构紧凑，体积小，操作方便可靠 。 本研究主要是对该起重机的悬臂梁设计及旋转功能部分的机构设计及参数的选择。包括起升，回转，变幅及金属结构的 设计。最终使其能很好地实现起重机的运行，而且互不干涉且配合良好。并且通过此次设计，要提高自己的分析问题和解决问题的能力，将自己所学运用到实际的工作中，提高自己的实践能力。此次设计主要取长补短，利用现有各种关于起重机械技术的优点，结合实际对定柱式旋臂起重机做出更合理的设计。 标 本次设计为 2T 定柱式悬臂起重机，完成了定柱式悬臂起重机悬臂和立柱等构件的设计验算。功能实现合理，结构简单适用，工作可靠。 法 悬臂起重机由立柱，回转臂回转驱动装置及电动葫芦组成，立柱下端通过地脚螺栓固定在混凝土 基础上，由 摆线针轮减速 装置来驱动悬臂回转，电动葫芦在悬臂工字钢上作左右直线运行，并起吊重物。如图 1 *学院 *毕业设计说明书 第 4 页 共 51 页 图 1定柱式悬臂起重机简图 本设计采用规范的设计计算对定柱式悬臂起重机各 结构 进行了分析。首先，通过查阅相关书籍和资料，学习定柱式悬臂起重机的相关知识，了解定柱式悬臂起重机的发展和应用 现状，掌握定柱式悬臂起重机金属结构的设计方法，学习并掌握 图软件的使用，掌握一般的绘图方法和计算分析步骤；其次，根据现今国内外生产定柱式悬臂起重机采用的各种结构类型，结合课本知识和参考文献信息，设计符合使用要求的结构；然后，根据参考文献，分析定柱式悬臂起重机的受力情况，并对定柱式悬臂起重机的 缓冲器，横梁结构，立柱，地脚螺栓 进行校核，检验结构的静刚度、强度和稳定性。本文还对结构进行了 维和二维绘图，便于生产制造。以及运用有限元分析软件进行了有限元的分析。 柱式旋臂起重机设计制造中应注意 的问题 度设计 臂起重机 5 2 4 条允许下挠度要求：垂直下挠度应达到这样的程度以保证： (1)臂架上运行的小车在正常作业时不会失控； (2)臂架不能自行回转；起重机设计应使额定起重量在有效半径处产生的垂直下挠度厂不应超过： (R+250；其中 R 为有效半径； 工作地面至悬臂下侧的高度。 绳器的设计 采用单层缠绕的电动葫芦应设置导绳器；当采用导绳器时，应能保证当吊钩下降，钢丝绳没有其他外力作用时，钢丝绳仍能自由地从导绳的出口中排出，当起升、下降 额定载荷，钢丝绳对卷筒轴线垂直面的偏角为 30，能正常工作。 *学院 *毕业设计说明书 第 5 页 共 51 页 2 悬臂起重机基本 参数 确定 本次设计的目标是设计一种结构简单，占地空间少，作业范围大，操作方便，转动灵活，适用于车间，仓库及车间等固定场所的悬臂起重机。通过一定的市场调查后，初步总结为： （ 1） 市场需求的绝大多数悬臂梁起重机为轻中级工作制，起重量在 5吨和 5吨以下的中小型号。 （ 2） 为能在环境复杂的仓库、车间等各种工况下正常工作必须具备占地空间小，转动灵活和工作范围大的特点。 （ 3） 由于日常作业量普遍较大，所以要求起重机必须结构简单，便于拆装维 护。 重机结构方案的拟定 对于立柱式悬臂起重机来讲，按产品构造分主要分为以下几种： 回转角度 270 (见图 2 回转角度 360 (见图 2 回转角度 360 (见图 2 这三种构造分类中，方案 的悬臂驱动装置的驱动轴与立柱轴线并不在一条直线上，这种结构使悬臂驱动装置独立于立柱之外，另外设立悬臂回转轴，简化了立柱的结构。但是，由于悬臂回转 轴与立柱轴线并不共线，悬臂的回转会受到立柱的阻碍，所以没有办法使悬臂的回转角度达到 360 。经过估算这种结构所能达到的最大回转角度只可以达 到 270 ，应此与方案 5%，由于存在作业盲区，所以不太适合在一些空间狭小，同时又要求大范围作业的工况。方案 大了固定难度，环境局限性强。经过分析折中，选定功能全面，安装方便的方案 *学院 *毕业设计说明书 第 6 页 共 51 页 图 2支座立柱式 悬臂 起重机 图 2支座的立柱式 悬臂 起重机 图 2下支座立 柱式 悬臂 起重机 图 2车外悬挂 图 2车内悬挂 电葫芦（或小车）是悬臂起重机直接吊装载荷的重要装备。它与悬臂梁的连接主要采取轮轨方式，这种悬挂方式主要分为两种： 外悬挂式，如图 2 内悬挂式，如图 2 外悬挂方式的运行轨道为工字轨，如图 2工轨面简单，维护容易，加工以及维护成本较低。相对于外悬挂式，内悬挂式的轨面在悬臂内，这样的设计加工难度较大，不易维护，加工成本高。但是由于轨面在内侧，不易受环境影响，滑动平稳，精度较高。由于本次设计的悬臂起重机主要用在仓库及车间等 场所，对精密吊装要求较低，故选择 重机主要目标设计参数的确定 在机械行业标准 8906悬臂 起重机中所推荐的起重机基本参数中起重机起重量为 效半径 2过调查和查阅资料，用户所需*学院 *毕业设计说明书 第 7 页 共 51 页 的定柱式旋臂起重机的基本参数 90%在 以下 范 围：起重量 效半径 本参数的选择 （ 1） 起升重量 起重机正常工作时允许一次起升的最大 重量 称为额定起重量。起重机中的悬臂起重机对应不同的臂架长度有不同的额定起重量，额定 起重量不止一个时通常称额定起重量为最大起重量，或简称起重量 ,用“ Q”表示，单位吨（ t）。根据最大起重量国际标准 ,选定额定起重量为 2t。 （ 2） 起升高度 起升高度是指自地面到吊钩钩口中心的距离，用“ H”表示单位米（ m），它的参数标定值通常以额定起升高度表示。旋臂起重机的起升高度为定值，设计值定为 3m。 （ 3） 工作幅度 工作幅度是指在额定起重量下，起重机回转中心轴线到吊钩中心线的水平距离，通常称为回转半径或工作半径，用“ R” 表示，单位为米（ m）。选定 R 为3m。 （ 4） 回转角度 回转角度为： =360。 起 重机按照 3811的规定确定起重机的工作级别： 表 1 起重机工作级别 根据市场调查，此型起重机在工作中，有时起升额定载荷，一般起升中等载荷。选定其载荷状态为 起重机利用等级定位为经常中等的使*学院 *毕业设计说明书 第 8 页 共 51 页 用，即 的工作循环次数 105，由此确定工作级别为 动葫芦的选择 环链电动葫芦是一种新型小型起重设备；是起吊、运送、装卸货物、工件的理想设备。它广泛用于各行各业的加工车间、仓库、码头、建筑业、各类商店及各种现代化的生产流水线，装配线。在空间较小的工作场 所使用更是灵活迅捷，安全方便。 环链电动葫芦 是一种新型产品，具有提升速度快、运转平稳、机体紧凑、体积小、重量轻、操作方便、外形美观等特点。可广泛应用于工厂、矿山、码头、商店、仓库等方面用作起吊重物；亦可同架空行车配套组成空间运输系统具有当代世界先进水平。在国际市场上享有盛誉 。如 图 2K 型环链电动葫芦 。最终选择定为 图 2 *学院 *毕业设计说明书 第 9 页 共 51 页 表 2 所选电动葫芦参数： 1) 起重量： 2000) 起重链条行数： 2行 3) 起升高度： 3m *学院 *毕业设计说明书 第 10 页 共 51 页 4) 起升速度：（ 1） 快速： 4m/2) 慢速： 1m/) 起升电机功率：（ 1）快速： (2) 慢速： ) 电源： 3380V 50电动葫芦匹配的电动运行小车参数： 1） 型号： ） 运行速度： 14m/） 电机功率： ） 负载持续率： 40% 5） 工字钢型号： 1856c 6） 最小转弯半径： 型电动葫芦尺寸： a=318 h=810 e=280 00*学院 *毕业设计说明书 第 11 页 共 51 页 3 关键零部件设计 臂工字钢尺寸确定 由电动葫芦相关参数可知，工字钢选择区间为 856c 初选 32a 材料为关尺寸如表 3 表 3 工字钢 32a 尺寸参数 冲器的选择 冲器型号的选择 选择上海青立起重设备有限公司生产的起重机用 缓冲器 。 图样及 相关 技术 参数如 图 3表 4。 图 3起重机用 缓冲器 尺寸 h b d t r 面面积 /论重量 Kg/m 数值 320 130 *学院 *毕业设计说明书 第 12 页 共 51 页 表 4 起重机用 冲器 参数 的选择 由起重机参数可知，起升重量为 2000度最大为 14m/设接触缓冲器到停止位用时 t=3s,则有公式： Ft= 则 F=2000(14/60)m/s/3s=计算数据可知选择的缓冲器型号为 体参数如表 5。 表 5 冲器强度校核 按 14m/缓冲时间为： t= Ft=得 F=令，系统即可显示如左下图的对话框，其中显示系统预设的元素尺寸及公差值。按下 统即进行划分网格 *学院 *毕业设计说明书 第 34 页 共 51 页 2） 约束限制条件以及指定约束位置。 在前边步骤完成之后，接着将进行外部条件的设定。指定零件的端面如图所示，并在下拉菜单中，选择 入 限制 命 令。 在此次分析中，零件的约束有两个地方如图 6 3 所示，轴套内圈在起升载荷时固定，加强肋板下部端面立柱中部的圆锥滚子轴承连接固定。所以在分析中将上述部位固定，以便施加载荷进行分析。 图 6 3 约束位置 3） 施加载荷以及指定约束位置 如图指定零件的位置，并在下拉菜单中选择 入 压力 命令来添加载荷。 本次分析中吊装载荷以及小车的自重，都是通过小车的车轮与钢轨的接触，作用在工字型梁上的。根据小车的尺寸图 6 4。 图 6 4 小车轮尺 寸 根据上图得知，小车与钢轨接触的位置形状为四条线，经过计算分别距离梁端面 15050载载荷后如图 6 5所示。 *学院 *毕业设计说明书 第 35 页 共 51 页 图 6 5 载荷位置图 4）执行分析 在下拉菜单中，选择 行 命令来执行分析，生成报告。 5 3 主梁分析报告 零件的材料为 质量为 网格信息如下表 6所示。根据结构特点，确定单元类型。网格划分的质量决定了有限元分析的计算精度和计算效率。 表 6网格信息 网格类型 : 实体网格 所用网格器 : 标准 自动 过渡 : 关闭 光滑表面 : 打开 雅各宾式检查 : 4 要素大小 : 差 : 质 : 高 要素数 : 14329 节数 : 28272 主梁应力结果 *学院 *毕业设计说明书 第 36 页 共 51 页 表 7 应力结果 名称 类型 最小 位置 最大 位置 图解 1 力 2 节 : 228 (414 08 N/m2 节 : 7518 (84 0 3520.9 图 6 6 应力分析详图 从图 6 6 中可以直观的看出，应力在小车轮与工字型钢梁的接触线上比较大，另外一个应力比较大的地方就是加强肋板上方的工字型梁处，此处为全构件应力最大的地方，虽然没有超过 822 0 1 0 /的屈服极限，并且还有一定的安全系数，但是这里出现了小范围的引力突然增大处，出现了应力集中现象，应力集中现象可能会影响此处的设计寿命，以及疲劳强度。所以可以考虑修改为一个圆角结构，来减小应力集中的 现象。 主梁 应变结果 *学院 *毕业设计说明书 第 37 页 共 51 页 表 8 应变结果 名称 类型 最小 位置 最大 位置 图解 1 对等应变 要素 : 2756 (80.5 4521.8 要素 : 8424 (135 图 6 7 应变分析详图 应变结果分析。分析结果，最大应变发生在主梁与加强肋板的交线处，最大为 应力集中 的部位相同，解决方法同应力分析相同，将此处结构改为圆角。 主梁位移 结果 *学院 *毕业设计说明书 第 38 页 共 51 页 表 9 位移 结果 名称 类型 最小 位置 最大 位置 图解 1 力位移 0 m 节 : 1 (72 460 4090 m 节 : 3309 (0 400 0 图 6 8 位移分析详图 根据中华人民共和国机械行业标准中的旋臂起重机标准， 9806 1999规定，允许下挠度的值，垂直下挠度应达到这 样的程度以保证： A） 臂架上运行的小车在正常作业时不会失控； B） 臂架不能自行回转。 起重机设计应使额定起重量在有效半径处产生的垂直下挠度应不超过表 10的规定。 表 10 允许下挠度 起重机工作级别为 照表中允许下挠度计算，允许下挠度的值为 过分析在额定载荷状态下，主梁的最大挠度为都小于 合有关*学院 *毕业设计说明书 第 39 页 共 51 页 的国家行业标准。 主梁设计检查结果 图 5 9 安全系数详图 起重机按许用应力法进行静强度和疲劳计算时，基本条件是保证零部件或构建危险截面或所选计算截 面上的危险点的计算应力，小于许用应力。 安全系数的大小与零部件或构件的安全性和重要性，载荷和应力计算的精确性等因素有关。 我国起重机设计规范（ 811 83）对机构传动零件和结构构件强度和疲劳计算的安全系数有明确的规定。经过查阅，重要的结构构件的静强度安全系数应该在 计检查结果显示最小安全系数是 国家标准之上，但又没有高出太多造成浪费。 5 4 立柱建立实体模型分析 立柱的实体模型如图 6 10所示。主要结构由两个轴肩，底部法兰盘，地脚螺栓孔以及加强肋板等特征组成。从上至下第一 轴段通过轴承与主梁配合，中段的凸起定位安装一个圆锥滚子轴承与主梁的支撑肋板相连接。 *学院 *毕业设计说明书 第 40 页 共 51 页 图 5 10 立柱模型 立柱的材料为铸铁，各部分材料相同，并为一个整体。 首先在 着选择材料，如图 6 11所示选择 为材料 图 6 11 立柱材料参数 1）建立网格与网格设定。 在完成建模、新增分析程序 的 材料参数的定义后，接着将进行网格的划分。 2）约束限制条件以及指定约束位置。 在前边步骤完成之后，接着将进行外部条件的设定。 在此次分析中，零件的约束有两个地方如图 5 12所示，分别是底面法兰盘上的四个与地脚螺栓配合的孔，还有与水泥固定面接触的法兰盘底面。所以在分析中将上述部位固定，以便施加载荷进行分析。 *学院 *毕业设计说明书 第 41 页 共 51 页 图 5 12 立柱的约束 3）施加载荷以及指定约束位置 如图指定零件的位置，并在下拉菜单中选择 入 压力 命令来添加载荷。 由于悬臂梁的结构包含了一个一端固定在立柱中部轴承上的支撑肋板，所以立柱的受力状态为，上部的通过轴承与梁连接的部分只承受向下的压应力载荷和轴套的侧向力，而中部立柱对于支撑肋板的支反力来平衡主梁产生的力矩。如图6 13所示。 图 6 13 轴载荷 *学院 *毕业设计说明书 第 42 页 共 51 页 图 6 14 主结构受力简图 下面来计算立柱所承受的载荷。如上图 6 14所示为起重机主要结构的受力简图。在图中， 起升载荷即起重量加上小车的自重。 3为一对作用力与反作用力， 悬臂支撑结构作用在立柱上的压力，根据吊车静止，所以和力矩为 0，可以根据 2的值。 1 3 2 5 0 2 1 2 7 5 解的 值约为 78560N，所以 大小也为 78560N。再单独分析立柱，水平方向的合力为 0，所以 35 解的 小也为 78560N。单独分析横梁，竖直方向上合力为 0，所以 6大小相等方向相反， 0820N。 7为一对作用力与反作用力，所以 7 6 3 0 8 2 0F F N 至此，立柱上的除底面固定约束外的所有载荷 5=78560N， 0820用点以及方向如图 6 13 所示。 4）执行分析 在下拉菜单中，选择 行 命令来执行分析，生成报告。 5 5 立柱分析报告 零件的材料为灰铸铁 质量 为 格划分信息以及有关的解算器信息都与主梁分析相同，这里不再赘述。 *学院 *毕业设计说明书 第 43 页 共 51 页 立柱应力结果 表 11立柱应力结果 名称 类型 最小 位置 最大 位置 图解 1 力 节 : 23402 (0 节 : 404 (图 6 15 立 柱应力图解 根据分析结果，最大应力为 26 9 0 7 k g f / c m，单位换算后为 小于 查表得出的 5许用应力，也远小于校核时计算出的 22应力值。强度出现了大幅度的过剩。 立柱应变结果 *学院 *毕业设计说明书 第 44 页 共 51 页 表 12 立柱应变结果 名称 类型 最小 位置 最大 位置 图解 1 对等应变 素 : 7773 (12.5 素 : 7143 (图 6 16 立柱应变图解 应变最大处与应力最大处相同，但同样最大处仅为 0 。 位移结果 表 12 立柱的位移结果 名称 类型 最小 位置 最大 位置 图解 1 力位移 0 m 节 : 5 (0 m 节 : 75 (750 4150 *学院 *毕业设计说明书 第 45 页 共 51 页 图 6 17 立柱位移图解 立柱的位移量从下至上递增，最大的位移量发生在立柱顶面，m，远远小于有关的许用挠度标准。立柱的刚度也出现了过剩。 立柱分析总结 经过分析立柱的强度和刚度不管是在力的作用处，还是在可能发生应力集中的地方，都出现了比较大的冗余。在设计检查中其最小安全系数仍然达到了 29之巨。出现了比较严重的强度刚度浪费的现象。 所以根据传统设计方法和有关经验公式计算出的最小截面过大了。这是 因为，传统设计方法在有关的强度和刚度的校核上过于保守。另外传统设计方法无法精确的模拟立柱在额定工作状态下的受力情况，只能做近似的计算，这也是导致设计量出现大幅冗余的一个主要原因。 5 6 设计改进 在主梁和立柱的分析中发现了一些在传统设计方法中无法及时发现的问题。 首先分析横梁。在横梁的有限元分析中发现，横梁的强度和刚度都满足了设计的要求，其中强度值非常充足。相对于强度值，刚度值满足设计要求，但是没有很大的裕度。这也是现在发现的普遍的问题，就是强度有余而刚度不足，因此无法再进行优化设计。另外还有在支撑结 构与工字钢梁的接触线发现不严重的应*学院 *毕业设计说明书 第 46 页 共 51 页 力集中现象，这里设计一个圆角结构可以很好的减轻应力集中现象，但是这里加圆角会大大提高工件的加工难度，且应力集中现象并不严重，所以决定保持原来的设计方案不变。 再来分析立柱。在立柱的有限元分析中发现，通过传统设计，以及经验公式的方法设计出的工件强度和刚度都出现了较大幅度的冗余。这样的设计浪费了材料，增加了成本，使体积笨重。所以有必要对立柱进行优化设计，以便把强度和刚度控制在合理的范围内。 优化设计的方案具体有两种。一种为改变立柱的内部结构，即将立柱内部设计为中空的结构以便节省 材料；第二种为减小立柱的截面积以便降低冗余强度和刚度。在立柱的优化设计中以上两种方法，第二种会改变轴上的特征的大小，特征变化后，不管是横梁，还是轴承都得重新选用设计。所以这里采用改变内部结构的方法优化设计。 具体方案为，立柱将不采用实心结构，而是设计为一个壁厚为 50减少铸造的用料量。同时这种方案并没有大幅提高加工工艺的复杂性，所以，采用此种方案后再进行分析。 图 6 18 如图 6 18所示，图中为修改后的立柱实体模型，可以从其底部清楚的看到其管状空心结构，大幅度的节省了铸造的材料。 *学院 *毕业设计说明书 第 47 页 共 51 页 模型建好后如分析立柱一样施加载荷与约束，划分网格进行有限元分析，具体步骤同立柱的分析，这里不做赘述。分析结果如图 6 19所示。 图 6 19 立柱应力分析图 从图 6 19中可以清楚的看出其最小安全系数已经回落到了一个合理的值， 表 13 优化后的有关值 名称 类型 最小 位置 最大 位置 应力结果 力 节 : 15836 ( 节 : 13785 (名称 类型 最小 位置 最大 位置 位移结果 合力位移 0 m 节 : 56 (350 m 节 : 742 (590 4150 表 13 为优化后的应力结果和位移结果，5但是还是留有一定的安全裕度。总的说来，这此优化设计达到了目的
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