汽车起重机伸缩臂系统设计42页

1、 毕业设计（论文） 题目 汽车起重机伸缩臂系统设计 学生姓名 肖文涛 学号 2006105334 专业 机械设计制造及自动化 班级 20061052 指导教师 谭宗柒 评阅教师 完成日期 2010 年 月 日 三峡大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学士学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品成果，对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中 以明确方式标明。本人拥有自主知识产权，没有抄袭、剽窃他人成果，由此造成的知 识产权纠纷由本人负责。 学位论文作者签名： 日 期： 2010

2、-5-29 学位论文版权使用受权书学位论文版权使用受权书 本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据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学位论文。 本学位论文属于： 1、保密，在 年解密后适用本书授权。 2、不保密。 （请在以上相应方框内打“” ） 目目 录录 前言前言 1 摘要摘要 2 1 绪论绪论.2 1.1 国内外汽车起重机发展概况及趋势.2 1.2 伸缩臂结构发展现状.4 1.3 伸缩臂

3、机构形式介绍.6 1.4 本课题内容及重要意义.7 2 QAY50QAY50 汽车起重机主要技术参数和工作级别汽车起重机主要技术参数和工作级别.7 2.1 QAY50 起重机主要技术参数 .7 2.2 QAY50 汽车起重机的工作级别 .9 3 伸缩臂传动方案和臂架截面的确定伸缩臂传动方案和臂架截面的确定.12 3.1 伸缩臂传动方案的确定.12 3.2 伸缩臂架截面的确定.14 4 伸缩臂设计计算伸缩臂设计计算.17 4.1 起重机伸缩臂尺寸的确定 .17 4.2 臂架伸缩液压缸的计算及选择 .22 4.3 伸缩臂受力计算 .25 5 伸缩臂有限元分析伸缩臂有限元分析.31 5.1 伸缩吊臂

4、有限元模型建立 .32 5.2 计算结果与分析.34 总结总结.37 致谢致谢.38 参考文献参考文献.39 1 汽车起重机伸缩臂系统设计汽车起重机伸缩臂系统设计 学 生：肖文涛 指导老师：谭宗柒 三峡大学机械与材料学院 摘摘 要：要：臂架是起重机的主要承载构件。起重机通过臂架直接吊载，实现大的作业高度 与幅度。臂架的强度决定了最大起重量时整机起重性能，其自重直接影响整机倾覆稳定 性，因而臂架结构设计的优劣，将直接影响整机的性能，如整机重量、整机重心高度和 整机稳定性等。所以要在保证臂架安全工作的条件下尽量减轻臂架的重量，这对提高整 机质量和经济性具有很大的现实意义。本文主要根据 QAY50

5、吨汽车起重机工作要求来确 定伸缩机构的结构和传动方案，进而采用传统的设计方法对主臂的三铰点、主臂的长度、 及每节臂的长度、臂架的结构、液压缸尺寸进行确定，对臂架进行受力分析，利用有限 元对臂架进行分析。 关键词：关键词：伸缩臂；液压缸；臂架结构，有限元分析 Design of truck crane Telescopic boom system Student：Xiao Wen-tao Supervisor：Tan Zhong-qi (College of Mechanical hydraulic cylinder; Structure of boom ；ansys 2 前言前言 近年来，随着

6、社会的发展，社会生活中对起重机的需求越来越大，但是，与国外汽 车起重机相比，国外汽车起重机技术得到了飞速发展，所以国内起重机的研发越来越紧 迫。然而对于汽车起重机整机而言，汽车起重机伸缩机构设计的好坏直接影响整机的性 能。因此汽车起重机的伸缩臂架设计技术被作为目前汽车起重机急需解决的主要关键技 术之一。本课题针对徐工 50t 汽车起重机伸缩机构的分析和研究，从而改进汽车起重机 的整机性能，降低成本，同时提高了起重机的作业能力及使用经济性。目前伸缩臂机构 有两种形式，绳排系统和单缸插销式。绳排系统在中国已经应用的比较成熟，也是一种 历史比较悠久的技术。此技术的优点是臂长变化容易、工作臂长种类多、

7、可以带载伸缩、 实用性很强，缺点是自重重、对整机稳定性的影响较大。而单缸插销式伸缩臂技术是典 型的机、电、液一体化系统.而本课题的汽车起重机伸缩臂采用的是双缸双绳排系统， 槽形截面，通过传统的设计方法对主臂的三铰点、主臂的长度、及每节臂的长度、液压 缸尺寸进行确定，对臂架进行受力分析，利用有限元对臂架进行分析。 1 1 绪论绪论 1.11.1 国内外汽车起重机发展概况及趋势国内外汽车起重机发展概况及趋势 1.1.11.1.1 国内汽车起重机发展概况及趋势国内汽车起重机发展概况及趋势 中国的汽车式起重机诞生于上世纪的 10 年代，经过了近 30 年的发展，期间有过 3 次主要的技术改进，分别为

8、70 年代引进苏联的技术，80 年代引进日本的技术，90 年代 引进德国的技术。但是总体来说，中国的汽车式起重机产业始终走着自主创新的道路， 有着自己清晰的发展脉络，尤其是进几年，中国的汽车式起重机产业取得了长足的发展， 虽然与国外相比还有一定的差距，但是这个差距正在逐渐的缩小。而且我国目前在中小 吨位的汽车式起重机的性能已经完好，能够满足现实生产的要求。在不久的将来，我国 的汽车式起重机行业一定会发展成为一个发展稳定，市场化程度高的成熟产业。 许多专家认为，高速发展的市场，是中国汽车式起重机产业各个厂商有利的技术创 新基础和环境。近几年，中国汽车式起重机产业除了一家较小的公司与日本起重机品牌

9、 厂家合资以外，其余厂家一直在追赶国外先进水平的进程中，一直坚持自主的技术创新 道路，基本上没有整体引进国外技术的做法，也使的中国汽车式起重机产业在达到和接 近国际先进水平的同时，在产品技术上有明显的中国特质。 中国汽车式起重机已经大量使用 PLC 可编程集成控制技术，带有总线接口的液压阀 块，液压马达，油泵等控制和执行元件已较为成熟，液压和电器已实现了紧密的结合。 3 可通过软件实现控制性能的调整，大幅度简化控制系统，减少液压元件，提高系统的稳 定性，具备了实现故障自动诊断，远程控制的能力。 当前我国新一代汽车起重机产品，起重作业的操作方式，大面积应用先导比例控 制，具有良好的微调性能和精控

10、性能，操作力小，不易疲劳。通过先导比例手柄实现比 例输送多种负荷的无级调速，有效防止起重作业时的二次下滑现象，极大的提高了起重 作业的安全性、可靠性和作业效率。 部分大型汽车式起重机还在伸缩臂上使用了单缸插销的伸缩技术，通过液压销作用， 以单个液压油缸可完成多节伸臂的运动，并达到各种工况的程度控制和自动伸缩，改变 了以往能不油缸加内部绳排的作业方式，使起重机相对更轻，拓展了起重机向更高工作 高度发展的空间。 在走向国际市场的过程中，我国汽车式起重机产业近几年品质水平的快速提高，也 得到了国际拥护的高度肯定，由于产品使用规范，用户的专业素质较高，出口产品的质 量反馈比在过内有了明显的减少，产品反

11、映较好。这都为中国汽车式起重机行业的发展 打下了良好的基础。 1.1.21.1.2 国外汽车起重机发展概况及趋势国外汽车起重机发展概况及趋势 目前世界上约有百余家企业生产汽车起重机，但著名的也就右十余家，如美国的格 鲁夫、德国的利勃海尔、徳马克、日本加藤、多田野等。生产的汽车起重机品种有数百 种，90 年代以来，生产，销售各种吨位的起重机万余台。 汽车起重机的市场主要集中在东亚、北美和欧洲。东亚约占销售量的 40%，北美和 欧洲各约占 20%。国外汽车起重机发展的主要特点可以归纳为：多品种生产，标准化程 度高和一机多用。 目前，世界汽车起重机的生产，从技术上讲，德国利勃海尔公司略占优势，但从企

12、 业规模上讲，美国格鲁公司居世界首位。而生产量则是日本的多田野和藤加最多。市场 总的趋势式供大于求，面对激烈竞争，国外各大公司除了纷纷增加投资、扩大生产、提 高自身的竞争能力外，还通过联合或兼并来提高在国际市场的份额。如 1984 年，美国 格鲁夫公司收购了英国老牌企业科尔斯公司。1987 年，德国克虏伯公司收购了格的瓦 尔德公司，称为当时德国最大的起重机公司，但该公司 1995 年又被美国格鲁夫公司收 购。1990 年，日本多田野兼并了德国法恩公司等。 在起重机行业内，国外的大型汽车起重机的发展比我国迅速，在技术和运用上已相 4 当成熟，目前国际市场对汽车起重机的需求在不断增加，从而使国外各

13、大汽车式起重机 制企业在生产中更多的应用优化设计，机械自动化和自动化设备，这对起重机行业的发 展造成了很大的影响。目前国外的起重机企业主要是生产大吨位的起重机，而且有完善 的设计体系，和一批先进的研发人员，不断的进行创新和完善。国外的制造企业现在已 经达到规模化的生产，技术含量比较高，而且液压技术和电子技术在汽车起重机的设计 中也已广泛的应用，很多企业的品牌在用户的心中已经打上了坚实的烙印，这也使的国 外起重机的继续发展占有了更大的优势。 1.21.2 伸缩臂结构发展现状伸缩臂结构发展现状 伸缩臂作为轮式起重机的主要受力构件，其重量一般占整机的 13%20%，而其在大 型起重机的重量中所占的比

14、例则更大。因此，伸缩臂的性能对大吨位轮式起重机在大幅 度、高起升高度情况下性能的影响至关重要，而伸缩臂的关键技术在于伸缩机构的形式 和臂架截面形式。 目前我国生产的轮式起重机以中、小吨位为主，普遍采用伸缩油缸加绳排的伸缩机 构的形式，只是在细节上各具特点。该伸缩机构的特点是最末一、二节伸缩臂采用钢丝 绳伸缩，其它伸缩臂用油缸伸缩，因而最末节伸缩臂的截面变化较大，大大降低了起重 机在大幅度下的起重性能。同时采用该形式的起重机在五节以上伸缩臂应用时难度较大。 西方发达国家生产 50 吨以上的中、大吨位轮式起重机时，普遍采用单缸插销形式的伸 缩机构。该形式伸缩机构的采用大幅度提高了起重机的起重性能。

15、 从 BaChina2007 年博览会上可以看出，椭圆形伸缩臂、单缸插销式伸缩机构、自 动伸缩臂系统构成了以德国利勃海尔(UEBHERR)代表的西方先进伸缩臂技术的核心，代 表当前世界最高水平，是轮式起重机伸缩臂技术的发展方向。LTM1300 起重臂的截面也 采用了椭圆形截面，其截面上弯板为大圆弧槽形板，下弯板为椭圆形槽形板，且由下向 上收缩，其重量优化，抗扭性能显著，具有固有的独特稳定性和抗屈曲能力。 GROVE 和 TADANO 采用大圆弧六边形截面，根据需要，腹板上设计横向和纵向加强 筋，提高腹板的抗屈曲能力。KATO 采用四边形截面，也采用加筋解决腹板的抗屈曲能 力，大圆弧六边形截面在

16、国内己广泛使用。 目前国内仅徐工集团徐州重型机械厂一家推出 QAY130、QAY160、QAY200、QAY240、QAY300 五种吨位单缸插销式伸缩臂技术的全地面 起重机，并采用进口高强度钢板，双缸加双绳排的伸缩机构，在吊臂伸缩时，臂节之间 有宽大的滑块，保证了主臂的同心度，使重量和受力较好的传递，增大起重能力。独特 的吊臂对中装置，使伸缩更方便，但国内其它厂家目前还没有使用这种截面形式。 5 高强度钢四板拼焊，腹板 薄，制有大量密集重孔， 孔边镶固，孔之间加筋， 自重轻，承载力大，垂直 方向及侧向绕度小 轮式起重机的伸缩式吊臂是一个双向压弯构件，除受有整体强度、刚度、稳定性的 约束外，主

17、要受局部稳定性约束，因此把伸缩臂制成为箱形截面是合理的。归纳起来， 伸缩臂可以制成几种典型箱形截面:矩形、梯形、倒置梯形、五边形、六边形、八边形、 大圆角矩形以及椭圆形截面等。目前，利勃海尔推出的椭圆形截面是全地面起重机针对 不同机型，它所设计的截面形状也有一定的差异。表 1.2 列举了国外一些主要的起重机 制造厂商所选用的吊臂截面形状。 表表 1.21.2 国外主要起重机制造厂商选用的吊臂截面形式及特点国外主要起重机制造厂商选用的吊臂截面形式及特点 公司 截面形式 截面特点 Grove F.M.C Gottwald c=700Mpa 调制合金钢， 八角形压型后焊接 P.P.M 五边形， “V

18、”型底部 突缘，重量轻而坚固， 受压稳定性好，侧向 移动小 KATO 1=700Mpa，高强钢， 焊接工艺先进 Liebherr 两块不同厚度板压制 成大圆角槽形，在中 线拼焊，受力合理 高强钢四角钢加固， 侧板较薄，大强度/重 量比，吊臂垂直于侧 向绕度较小 6 1.31.3 伸缩臂机构形式介绍伸缩臂机构形式介绍 1.3.11.3.1 绳排系统绳排系统 绳排系统在中国已经应用的比较成熟，也是一种历史比较悠久的技术。此技术的 优点是臂长变化容易、工作臂长种类多、可以带载伸缩、实用性很强，缺点是自重重、 对整机稳定性的影响较大。现在在 100 吨以下的起重机上应用的比较广泛，其原理如图， 就是简

19、单的滑轮原理。对于四节臂以上起重臂的伸缩机构又分为以下两种：多缸或多级 缸加一级绳排、单缸或多缸加两级绳排。DEMAG 和 TADANO 部分产品采用第一种伸缩机 构，这种伸缩机构的特点是最末一节伸缩臂采用钢丝绳伸缩，其它伸缩臂采用多级缸或 多个单级缸或多级缸和单级缸套用等方式直接用液压缸伸缩。因而最末伸缩臂的截面变 化较大，其它臂节截面的变化较小。在过去，徐重、浦沅、长起跟随 LIEBHERR 技术多 年，普遍使用第二种伸缩机构，使用单缸或双缸加绳排实现四节或五节臂的伸缩。这种 伸缩方式在国内最先进，但解决五节臂以上起重臂的伸缩难度很大。北起、泰起、锦重 等厂家采用第一种伸缩机构（多个单级缸

20、加一级绳排） ，但由于技术落后，第二缸、第 三缸的进回油依靠软管卷筒输送。现在，大多数 5 节臂的起重机使用的是双缸双绳排的 技术，一般为第 2 节臂独立伸缩，第 3.4.5 节臂同步伸缩；4 节臂的一般单缸双绳排为 2.3.4 节同步伸缩。其局限性在于最末一、二节伸缩臂采用钢丝绳伸缩，其它伸缩臂用 油缸伸缩，因而最末伸缩臂的截面变化较大，大大降低了起重机在大幅度下的起重性能； 同时，对于大吨位的起重机，对钢丝绳的要求也非常高，符合要求钢丝绳非常难加工。 虽然有些日本企业有将绳排技术发展到 6 节甚至更多，但是对于中大吨位起重机，一般 企业还是优先考虑单缸插销技术。 1.3.21.3.2 单缸

21、插销系统单缸插销系统 单缸插销式伸缩臂技术是典型的机、电、液一体化系统.以较典型的德国利勃海尔 为例，作为伸缩臂伸缩的执行机构，主要由（见图）1伸缩缸、2拔销机构、3缸 销等组成，为保证伸缩臂伸缩过程的安全性、可靠性，该机构采用内置式互锁系统即在 伸缩油缸上装的弹簧驱动缸销销定伸缩臂后，才机械释放该节臂和其他节臂的连接。该 方式确保某一节伸缩臂和伸缩油缸互相锁定后才能释放该节臂和其它节臂的联接。利勃 海尔将拔销装置置于伸缩机构上方，其优点是结构简单，自锁性强，便于实现；格鲁夫 GROVE、德马格（DEMAG） 、多田野（TADANO 材料许用应力。 刚度条件 fDEFLM 式中DEFLM 变幅

22、平面内最大位移; f 变幅平面内允许最大位移。 5.25.2 计算结果与分析计算结果与分析 结论:此 U 形臂采用的截面尺寸完全符合技术要求,能够完成工作任务最大额 定起重量 50 吨,最大起升高度 38.5m.强度和刚度完全符合要求,采用结构合金钢. 图 4-2 旋转平面边界条件示意图 35 图 4-3 旋转平面位移图 可见旋转平面最大挠度为 67.2mm 图 4-4 变幅平面边界条件示意图 36 图 4-5 变幅平面位移图 可见变幅平面最大挠度为 780.3mm 图 4-6 变幅平面 VON MISE 应力图 37 可见变幅平面最大应力为 541.5MPa（其为 885mpa） H 38

23、总结总结 通过本次毕业设计，基本上掌握了汽车起重机的结构，及其主要的工作原理，并且 通过查阅资料和图纸，锻炼了自己绘图以及识图的能力。在本次毕业设计中，在查阅资 料之后，首先确定起重机伸缩臂的传动方案和臂架的截面，然后对起重机主臂所需要设 计的部分进行计算，计算得出了三铰点的位置数值，各节臂的长度值，液压缸的主要尺 寸；并参照 QAY50 汽车起重机的资料，选取截面形状及尺寸。在上述数值确定之后，根 据配合关系进行装配，在经过装配之后发现，很多地方出现干涉，从而可以看到，实际 设计和装配整机，还有着一定距离。 39 致谢致谢 大学生活一晃而过，回首走过的岁月，心中倍感充实，当我写完这篇毕业论文

24、的时 候，有一种如释重负的感觉，感慨良多。通过本次设计，也是我学习了很多关于工程机 械的知识，同时也看到了自己的不足，这也促使我在以后的工作中，也要努力的学习知 识，全面的掌握机械设计的技能，为自己的未来打好基础。 作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如 果没有导师的督促指导，以及同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。 在这 里首先要感谢我的导师谭宗柒老师。谭老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个 阶段，从查阅资料到设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计，装配草图等整 个过程中都给予了我悉心的指导。我的设计较为复杂烦琐，但是谭老师仍然细心地纠正 图纸中的错误。除了敬佩谭老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我 永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。 然后还要感谢大学四年来所有的老师，为我们打下机械专业知识的基础；同时