室内小型臂架起重机结构设计 毕业设计论文

1、摘 要设计一种能够在维修车间内灵活移动、使用方便，且最大起重量不小于2t的小型臂架起重机，对于提高维修效率具有重要意义。本课题要求熟悉并掌握小型起重机械和液压系统的基本设计方法。对小型臂架起重机的机械结构和液压系统进行设计，要求臂架起重机具备起升、变幅、回转功能，起重量2t，并具备足够的抗倾翻稳定性。起重机在人为的推动下能在室内水泥地面上方便移动工作装置。利用Solidworks完成机械结构设计，并对液压系统及元器件进行设计计算和选型。关键词：臂架起重机，机械结构，液压系统，Solidworks。目录诚信声明 摘 要IABSTRACTII目录III1 绪论11.1 起重机概述11.2 起重机国

2、内外发展状况与趋势21.2.1 国内发展状况21.2.2 国外发展状况41.2.3 起重机发展趋势42 起重机机械结构设计62.1 伸缩臂架结构设计62.1.1 伸缩臂架工作原理62.1.2 伸缩臂设计的截面选取和特性计算72.1.2 伸缩臂计算的主要参数92.1.3 伸缩臂结构的受力分析122.1.4 伸缩臂的伸缩原理分析162.2 回转机构的设计172.2.1 回转支承装置的选型182.2.2 回转驱动装置选型与计算202.2.3 回转机构的设计计算202.2.4 液压马达的选择232.2.5 液压马达过载能力的验算242.3 变幅机构的设计252.3.1 变幅力的计算252.3.2 变幅

3、液压缸的设计计算282.4 起升机构的设计计算302.4.1 满载起升时液压马达的输出功率302.4.2 计算卷筒转速并选择减速器302.4.3 确定液压马达排量312.4.4 计算液压马达的转速和输入流量312.5 起重机底盘的设计312.5.1 底盘的整体结构设计312.5.2 发动机选型322.6 支腿机构的设计323 起重机稳定性计算343.1 起重机的行驶稳定性343.1.1 纵向行驶稳定性343.1.2 横向行驶稳定性353.2 起重机的起重稳定性354 液压系统的设计与主要元件选型384.1 液压系统设计384.1.1 伸缩臂机构液压系统设计384.1.2 回转机构液压系统设计3

4、84.1.3 变幅机构液压系统设计394.1.4 起升机构液压系统设计404.1.5 支腿机构液压系统设计414.1.6 起重机整体液压回路图设计434.2 主要液压元件选型455 利用SOLIDWORKS对吊钩的有限元分析475.1 建立几何模型475.2有限元分析过程485.2.1 定义材料485.2.2 建立约束并施加载荷485.2.3 划分网格并运行486 结论50参考文献51致谢52指导教员评语531 绪论1.1 起重机概述起重机是用来对物料作提升、运输、装卸和设备安装等作业的机械。是一种生产过程机械化，减轻体力劳动和提高劳动生产率的重要设备。在工厂、矿山、港口、车站、建筑工地、仓库

5、、水电站等各个领域和部门中都得到广泛地使用。放眼世界工业化历史，现代起重机源于14世纪西欧出现的人力和畜力驱动的转动臂架式起重机。19世纪前期，出现了桥式起重机，起重机的重要磨损件如轴、齿轮和吊具等开始采用金属材料制造，并开始采用水力驱动。19世纪后期，蒸汽驱动的起重机逐渐取代了水力驱动的起重机。20世纪20年代开始，由于电气工业和内燃机工业迅速发展，以电动机或内燃机为动力装置的各种起重机基本形成。近几十年来，由于科学技术飞速发展，生产的规模越来越大，机械化、自动化程度的要求也越来越高，起重机的作用己远远超出只作为辅助设备的范围，进而在更多的部门中，成为流水生产线上主体设备的重要组成部分，是企

6、业活动中的主要生产力要素之一。随着冶金、电子、电力、机械制造、港口、矿山、建筑等工业部门的迅猛发展，起重机械制造业也得以发展，并已形成一个独立的产业部门。现代起重机种类较多，不同国家的分类标准也不一样，按主要用途可分为通用起重机、建筑起重机、冶金起重机、铁路起重机、造船起重机、甲板起重机等。在工程中常用的起重机械，根据其构造和性能的不同，一般可分为轻小型起重设备、桥式类型起重机械和臂架类型起重机三大类。轻小型起重设备如:千斤顶、葫芦、卷扬机等。桥架类型起重机械如梁式起重机、龙门起重机等。臂架类起重机如固定式回转起重机、塔式起重机、汽车起重机、轮胎、履带起重机等。起重机一般是由工作机构、金属结构

7、、动力装置与控制系统四部分组成的。1.工作机构起重机的工作机构，一般概括为起升、运行、回转和变幅四大机构。起升机构是起重机最主要的机构，也是其最基本的机构，它完成吊起重物的功能。它是由原动机、卷筒、钢丝绳、滑轮组和吊钩等组成的。变幅机构是使起重机臂架倾角变化，改变幅度的机构。回转机构是使起重机械的回转部分在水平面内，绕回转中心线转动的机构。运行机构是使起重机械或起重小车行走的机构。2.金属结构金属结构是起重机械的骨架，主要用来支撑工作机构、承受自身的重力和作业时的外载荷。桥式类型起重机的桥架、支腿，臂架类型起重机的吊臂、回转平台、人字架、底架(车架大梁、门架、支腿横梁等)和塔身等金属结构是起重

8、机的重要组成部分。3.动力装置动力装置是起重机的动力源。轮式起重机和履带式起重机的动力装置多为内燃机。塔式起重机、门座起重机、桥式起重机和龙门起重机的动力装置是外接动力电源和发动机。4.控制系统起重机的控制系统包括操纵装置和安全装置。起重机的控制系统设有离合器、制动器、限矩器、液压传动中的各种操纵阀，以及各种类型的调速装置和起重机上专用的安全装置等部件。通过控制装置达到起重机作业所要求的各种动作，从而保证起重机安全作业。1.2 起重机国内外发展状况与趋势1.2.1 国内发展状况我国工程起重机主要是指流动式起重机:包括汽车起重机、全路面起重机、履带起重机、随车起重机、越野轮胎起重机和轮胎起重机。

9、其发展历史，发端于建国初期。1954年，北京建华铁工厂(后更名为北京起重机厂)试制成功“少先式”起重机。该机除用电动卷扬起吊货物外，转向与行走均靠人力。同年9月6口，抚顺重型机器厂试制成功2-6吨塔式起重机。1957年底，北起通过仿制前苏联K51型5吨机械式汽车起重机，制成K32型汽车吊，成为国内第一家生产轮式起重机的企业。同年9月30口，抚顺重型机器厂试制成功了我国第一台1. 5立方米抓斗式起重机，每小时可装卸90吨煤。1958年，北起在K32型基础上改进设计的Q51型5吨汽车起重机，批量生产后扩散到全国多家工厂生产，同年8月正式改名为北京起重机厂。1960年，改进设计的机械传动Q81型8吨

10、汽车起重机以及100吨桥式起重机试制成功，Q51型5吨汽车起重机出口援外，开始了中国汽车起重机的出口历史。1963年3月，徐州重型机械厂(徐工集团前身)生产的第一台Q51型5吨汽车起重机下线。1964年，北起开始研制液压元件，为生产液压式起重机打下基础。1966年，根据“三线建设”的方针，北京起重机厂一分为二，将235台设备，约2600名生产技术骨干及家属，全套起重机术图纸，配套地运往四川泸州，仅用了一年时间就建立起当地最大规模的国营企业长江起重机厂。1968年，Q84型8吨液压汽车起重机试制成功，这是我国自行研制的第一台液压式汽车起重机。1976年，北起与长沙建设机械研究所联合，试制成功QD

11、100型100吨桁架臂式汽车起重机，并应用在唐山大地震抢险中。至此，我国起重机行业经过二十余年发展，虽然形成一定的产业规模，但技术含量与西方国家仍然有极大的差距。履带式起重机还是一片空白。80年代初期，随着改革开放，国内开始大规模基础设施建设，但急需的液压履带式起重机，仍然要高价从国外进口。为此国家采取以市场换技术的方式，分别从日本和德国引进中小吨位履带起重机生产技术。1984年，抚顺挖掘机制造厂引进日立技术，生产出国内第一台QUY50A型50吨级液压履带式起重机。1989年开始批量生产液压履带起重机，但产量极低。在2000年之前，市场容量一直很小，发展速度极其缓慢。但行业从2003年算起，中

12、国工程起重机经历了七年的高速发展期，从产品的销量上看，由2003年1万多台，到2009年的三万多台。其中汽车起重机的销量接近3万台;履带起重机产品的销量翻了十倍，由2003年的100多台发展到2009年1000多台，市场发展空间广阔;随车起重机的销量接近5000台，增速高达200%以上，替代小吨位汽车起重机的趋势愈加明显。我国工程起重机行业中，汽车起重机的市场占有率高达80%以上，在工程起重机产品中的地位无法替代，从2003年至2006年，汽车起重机市场仍以小吨位为主，而发展到2009年，中吨位的产品开始占领市场，占据着汽车起重机行业的半壁江山，大吨位产品增长迅速。全地面起重机由2003年的几

13、台到2009年的200多台，增长迅猛，逐步打开国内市场并开始走向国际市场，反映了我国企业生产能力的提高以及市场需求的变化。由于石油、化工、能源、大型市政建设的持续快速发展，极大的带动了我国履带起重机的发展。我国对轮胎起重机的市场需求很低，主要服务于港口及特种用途，这几年的需求量一直保持在100-200台左右。整个工程起重机行业在工程机械领域保持着快速发展的步伐，表现在产品逐渐覆盖升级、技术创新和产品科技含量不断增加、龙头企业国际竞争力加强等方面。伴随着制造业调整和振兴计划的落实，“十二五”期间国内城镇化建设、风电、核电能源建设、铁路、公路、城市交通、石油、化工、冶金等行业对起重机的需求仍会增长

14、。根据我国工程项目施工的特点，中等吨位的汽车起重机需求量大，大型履带起重机和大吨位的全地面起重机是我国起重机发展的方向，看到工程起重机行业光明发展的前景，同时也要看到整个行业存在的不足，一方面，国内市场开放程度大幅度提高，行业出口会受到发达国家技术等壁垒的限制;另一方面我国市场对高质量、高科技含量的工程起重机产品需求旺盛，迫切需要我国行业的技术竞争能力快速提高。1.2.2 国外发展状况国外早期的起重机大多采用机械传动结构的析架式吊臂。随着60年代中期液压技术的发展，液压伸缩臂起重机得到迅速发展。到80年代末，中小吨位的起重机几乎全采用液压伸缩式吊臂，仅有一部分吨位起重机仍采用析架式吊臂。60年

15、代末期，特别是从70年代开始，随着大型建筑、石油化工、冶炼设备、水电站等大型工程的发展，对起重机的起重吨位、工作效率和安全性提出了更高的要求。由于当时设计方法与设计技术的成熟，液压技术、电子技术的发展以及新型高强度钢材的不断出现，使起重机有可能向大型化发展。目前，起重机的主要生产国为日本、美国、德国、意大利和法国等，生产厂商有100家以上，但著名的世界级大公司仅有10来家，如德国利勃海尔公司、德马泰克公司，马尼托瓦克起重机公司、特雷克斯起重机公司、林克·贝尔特公司，口本多川野公司、加藤公司等随着计算机被广泛应用到机械设备领域以及近年来计算机技术的革新，将传统的设计方法和计算机技术结合

16、，国外起重机朝着设计、制造的计算机化和自动化的方向发展。计算机技术的发展也推动了起重机控制元件的革新与应用，以及新的材料工艺技术在国外起重机上更新较快。在臂架起重机上应用新的技术，增加控制和监测，如计算机监视系统和GPS系统，新的电子元件的安装，新的定位系统，刹车系统，防撞系统等新的技术在国外产品上都得到了广泛应用。1.2.3 起重机发展趋势 从历届国际工程机械、建材机械、工程车辆及设备博览会上可以发现国内外汽车起重机发展的方向体现在以下几个方面。 1.发展超大型起重机 由于各重点工程向大型化发展，所需构件和配套设备重量不断增加，对超大型起重设备的需求口趋增长。1992年200t以上伸缩臂式起

17、重机的世界销量为90台，到1997年增至130台。德国厂商在起重机大型化发展进程中处于领先地位。世界市场中150t以上的大吨位起重机多数是由利勃海尔和德马泰克公司提供的。 2.“迷你”起重机大量涌现 起重机向微型化发展，是适应现代建设要求而出现的新趋势。10年前开发的神钢RK70 (7t)是世界首台装有下俯式吊臂的“迷你”(Mini) RT产品。目前下俯式吊臂己成为“迷你”起重机的重要标志。这种新概念设计己成功移植到德马泰克AC25 (25t)和加藤CR-250 (25t)等较大吨位起重机上。 3.伸缩臂结构不断改进 随着人们对结构优化研究的不断深入9-13，其应用范围己扩展至工程机械领域，利

18、勃海尔早期推出的90t LTM1090/2(装有6节最大长度达60m主臂)，采用了装有“Telematik”单缸自动伸缩系统的卵圆形主臂。这种卵圆形截面主臂对静、动态应力适应性很强，在减轻结构重量和提高起重机性能方面具有良好效果。 4.数据总线技术得到应用 智能化控制有利于确保整机精准高效的作业能力，国内徐重百吨级起重机广泛运用了PLC计算机集成控制的电比例操作系统、先进的CAN-BUS数据总线技术，使起重机具有了智能化反馈信息、分析、处理数据的能力。 5.静液压传动起重机进入市场 首台静液压传动起重机是原克虏伯公司1992年研制的双轴KMK2035型 (35t) AT产品。瑞士CoMPact

19、Truck公司1993年推出的双轴CT2 (35t) AT产品是世界第一台投放市场的静液压传动起重机。意大利Rig。公司在1994年推出了RT200 (20t)静液压传动RT起重机。随后CoMPactTruck公司在1997年推出了两种采用静液压传动的3轴CT3 (70t/80t)全地面起重机。该机装有8节7. 1m40. 5m主臂，最大时速75km/h。采用静液压传动，上车发动机既可驱动起重装置，还可驱动行走装置。此外，可将发动机横向安装在上车回转式操纵室后部，起到整体式配重作用。据介绍，某些机型采用静液压传动后，可大约减重1/3。2 起重机机械结构设计 臂架起重机主要性能参数包括起重量、起

20、重力矩、工作幅度、起升高度、工作速度、自重、通过性能等指标，这些参数表明起重机工作性能和技术经济指标，它是设计起重机的技术依据。 起重力矩:起重机的起重量与对应工作幅度的乘积称为起重力矩，是衡量起重机各运行机构等的一个综合指标。起重量:起重机起吊重物的质量值称为起重量，起重量参数通常以额定起重量表示。额定起重量是指起重机在最小幅度时的最大起重量。对于臂架起重机，由于其幅度可变，其起重能力的大小是通过起重力矩来表示，其大小也决定了臂架起重机的抗倾覆能力的大小。我国以吊臂最短、抬起仰角最大的工况的额定起重量即最大额定起重量来标定起重机的吨位。 工作幅度:起重机回转中心轴线至吊钩中心的水平距离，是臂

21、架起重机的主要参数。由于在汽车起重机进行工作时，伸缩臂结构的刚度较大，因此一般在起重机工作时要比空载时的幅度大0. 5至2m左右。 起升高度:是指支腿或轨道支撑面或水平停车面到吊具允许的最高位置的距离，额定起升高度是指满载时的最大起升高度。 工作速度:汽车起重机主要有起升、变幅、回转和行走四大机构，工作速度指的是四大机构的运行速度。其中起升速度又分为单绳速度、空钩速度、满载速度，均以单位m/min表示，回转速度以单位r/min表示，变幅是指吊钩自最大幅度到最小幅度时的平均线速度，一般以需要的时间秒来衡量。 自重:起重机的自重是起重机处于工作状态时起重机本身全部质量。臂架起重机的设计原则就是要满

22、足要求的性能参数。目前小吨位的起重机的设计主要以结构设计为主，起重机底盘、液压系统等主要以选型为主。2.1 伸缩臂架结构设计2.1.1 伸缩臂架工作原理 起重机伸缩式吊臂当前主要采用箱型截面并利用变幅液压缸实现变幅，利用回转支撑实现转动，作用在臂架上的载荷有起升载荷、自重、回转惯性力以及风载荷等。在作业之前先要根据工况来判定臂架的伸缩方式，臂架的伸缩方式主要有三种:顺序伸缩、同步伸缩和独立伸缩。 顺序伸缩:指每节伸缩臂按一定先后顺序完成伸缩动作。为了使各节臂伸出后的起重能力与起重机的起重特性相适应，伸臂顺序为先外后里。 同步伸缩:是指每节臂以相同的伸缩速度同时伸缩。 独立伸缩:是指各节臂无关联

23、地独立进行伸缩动作。独立伸缩机构同样也可以完成顺序伸缩或同步伸缩的动作。本文研究的起重臂伸缩机构的驱动形式采用的是液压式顺序伸缩机构。采用单向顺序阀控制伸出顺序，前级液压缸伸出到位后，压力升高才能开启单向顺序阀，后一级液压缸才能伸出，缩回顺序同样靠平衡阀开启压力控制。此方案对液压缸工作面积无特殊要求，有利于减轻机构自重。图2.1 单向顺序阀伸缩原理图2.1.2 伸缩臂设计的截面选取和特性计算在生产实践和科学研究中，随着钢材性能的不断提高，为了减轻伸缩臂重量，人们对它的截面形式作过许多探讨。归纳起来有矩形截面、梯形截面、五边形截面、六边形截面、八边形截面以及椭圆形截面等不同的截面形式。截面形式的

24、不断变化使臂架的结构受力更加合理，整体重量更轻。1.矩形截面矩形截面由上下盖板和腹板焊接而成，它是目前轮式起重机伸缩式吊臂中用得最多的截面形式，与其它截面相比它制造工艺简单，具有良好的抗弯和抗扭刚度等优点，适用于Q345或其他强度比较低的材料，一般用于中小吨位的起重机。本课题需要设计的小型室内臂架起重机的伸缩臂就采用矩形截面。2.梯形截面梯形截面的上盖板窄，下盖板宽，截面中性层靠下能发挥上盖板的机械性能，提高腹板的稳定性，前部滑块可接近腹板布置，后部滑块传递给上盖板的集中力因上盖板窄，产生的弯曲力矩减小。梯形截面的扭转刚度和横向刚度均较矩形截面大，但是这种截面的下盖板宽，对局部稳定不利，材料性

25、能得不到充分发挥，且需设侧向支承装置，这是梯形截面的缺点。倒置梯形截面的下盖板窄，上盖板宽，对提高下盖板的局部稳定性很有好处，材料能得到充分利用，且和梯形截面一样，具有较大的横向刚度与扭转刚度，倒置梯形伸缩臂对安装变幅油缸较为有利，但是这种截面对上盖板的局部弯曲和腹板的稳定性并不是很有利，亦需设侧向支承。梯形和倒置梯形截面的伸缩臂通常用于大吨位的轮式起重机。3.六边形及八边形截面六边形、八边形和大圆角矩形截面的下盖板和腹板的实际计算宽度较小，有利于提高局部抗失稳能力。前后滑块均支承在四角处，伸缩臂各板不产生局部弯曲，且能较好地传递扭矩与横向力，因此这三种截面的伸缩臂能较好地发挥材料机械性能，减

26、轻结构自重。4.椭圆形截面椭圆形截面是一种受力较理想的吊臂截面形式，适用于高强度材料，具有较强的抗屈曲能力，能充分发挥材料的性能，但是该截面需要侧向支承，制造工艺复杂，目前尚未普遍采用。5.截面面积和形心位置确定基本臂：面积 S1= 12660.000 mm2形心： X1= 0 Y1= 125mm 惯性矩：Ix1 = 77551580.000mm4 Iy1 = 110734500.000mm4二节臂：面积 S2= 11940.000 mm2形心： X2= 0 Y2= 110mm惯性矩： Ix2 = 52309820.000mm4 Iy2 = 74605500.000mm4三节臂：面积 S3=

27、5396.000 mm2形心： X3= 0 Y3= 95mm 惯性矩： Ix3= 16519734.667mm4 Iy3= 24945614.667mm4四节臂：面积 S4= 4584.000 mm2形心： X4= 0 Y4= 88mm 惯性矩： Ix4= 9140072.000mm4 Iy4= 20982752.000mm42.1.2 伸缩臂计算的主要参数对起重机进行结构设计需要知道起重机的工作级别、起重量、起升高度等必须的设计参数，同时伸缩臂结构的设计计算应遵循起重机设计规范GB/T3811-2008,以起重机设计手册为主要工具书，并参考起重机试验规范的要求，对伸缩臂结构的强度进行验算。1

28、.臂架起重机整机工作级别1)根据载荷状态级别选择Q1，载荷谱系数Kp0.1252)起重机的使用等级：U2 整机的工作级别：A1 吊臂节数：4节表2.1 起重机的使用等级使用等级起重机总工作循环CT起重机使用频繁程度U0CT1.60×104很少使用U11.60×104<CT3.20×104U23.20×104<CT6.30×104U36.30×104<CT1.25×105U41.25×105<CT2.50×105不频繁使用U52.50×105<CT5.00×

29、105中等频繁使用U65.00×105<CT1.00×106较频繁使用U71.00×106<CT2.00×106频繁使用U82.00×106<CT4.00×106特别频繁使用U94.00×106<CT表2.2起重机的载荷状态级别及载荷谱系数载荷状态级别起重机的载荷谱系数KP说明Q1KP0.125很少吊运额定载荷，经常吊运较轻微载荷Q20.125<KP0.250较少吊运额定载荷，经常吊运中等载荷Q30.250<KP0.500有时吊运额定载荷，经常吊运较重载荷Q40.500<KP1.00

30、0经常吊运额定载荷表2.3起重机整机的工作级别载荷状态级别载荷谱系数KP起重机的使用级别U0U1U2U3U4U5U6U7U8U9Q1KP0.125A1A1A1A2A3A4A5A6A7A8Q20.125<KP0.250A1A1A2A3A4A5A6A7A8A8Q30.250<KP0.500A1A2A3A4A5A6A7A8A8A8Q40.500<KP1.000A2A3A4A5A6A7A8A8A8A82.起重机性能参数:基本臂: 1505 mm 总臂长: 5340 mm最大起重量: 2t 最小幅度: 1954 mm伸缩臂及其附属件的重量:440kg起重能力包括吊钩与吊具的重量，主钩4

31、.2kg最大仰角78° 两支腿展开最大间距4.44m3.伸缩臂工况最大仰角78°时此种工况下的臂长(不带副臂): 5340 mm；此种工况下的幅度R: 1110mm；此种工况下的起重量Q: 2t；此种工况时起升滑轮组的倍率i: 4。 4.材料性能参数及起重机其它相关参数 根据GB/T3811-2008起重机设计规范，基本许用应力包括拉伸、压缩、弯曲的许用应力包括以下两个方面: 1)对于s/b<0.7的钢材，基本许用应力为钢材屈服点s除以安全系数n如下表:表2.4 强度安全系数和钢材的基本许用应力载荷组合ABC安全系数n1.481.341.22基本需用应力s/1.48s

32、/1.34s/1.222)对于s/b>0. 7的高强度钢材，基本许用应力按下式计算:= (0.5s + 0.35b) n己知: 屈服强度s=710 MPa, 抗拉强度b=800 MPa, s/b= 0.8875 0.7故 =(0.5s + 0.35b) n=(0.5 ×710+ 0.35×800) 1.34=473MPa安全系数n与载荷组合有关，n的选取如表2.4所示。滑轮的效率取0.98。主吊臂采用710MPa高强度结构AISI4340钢板制造，全工序冷整形，加工过程避免局部强度损失。2.1.3 伸缩臂结构的受力分析图2.2 臂架设计结构图计算工况：全伸臂长度： 5

33、340 mm；吊重：2t； 最大仰角：78°在变幅平面内强度计算其载荷：垂直载荷： Q=2(Q0+G0)+131PGbQ0额定起重质量;G0吊钩重力;PGb吊臂重力;2起升动载系数;1自重载荷系数。 图2.3 变幅平面的受力简图2=0.34，2min=1.1，1=1.0，选取起升速度v=6mmin=0.1ms2=2min+2v=1.10+0.34×0.1=1.134垂直载荷：Q=2Q0+G0+131PGb=1.134×20000+140+13×1.0×4400=24305N起升绳拉力S： S=2Q0+G0m 式中：m起升滑轮组倍率，起升滑轮组效

34、率选定m=4， =0.95S=2Q0+G0m=1.44×20000+1404×0.95=6887.88N由垂直载荷Q和钢丝绳的拉力S引起的轴向力N=QSin+SCos=24305×Sin78°+6887.88×Cos0=30662N仰角，绳与臂架的夹角引起的横向力P=QCos-SSin=24305×Cos78°-6887.88×Sin0=5053N由Q和S引起的臂端力矩为: Mx=2PQe1Sin-Se2Cos=1.44×20000+140×39×Sin78°-6887.88

35、×39×Cos0=8.38×105N·mme1臂端定滑轮与吊臂轴线偏心距；e2臂端导向滑轮与吊臂轴线偏心距。伸缩臂任意截面的最大应力：MAx=Mx+PLA=8.38×105+5053×3920=2.06×107N·mmMBx=Mx+PLB=8.38×105+5053×3530=1.87×107N·mmMCx=Mx+PLC=8.38×105+5053×2220=1.21×107N·mmMDx=Mx+PLD=8.38×105+50

36、53×950=0.56×107N·mm A B C DMx图2.4伸缩臂在变幅平面的弯矩图截面正应力：z=MxzWZ<基本臂（A截面）：面积 S1= 12660.000 mm2形心：X1= 0Y1= 125mm惯性矩：IZ=112BH3-bh3=112200×2503-170×2203=1.10×108mm4抗弯截面系数：WA=IZy=1.10×108125=8.70×105mm3二节臂（B截面）：面积 S2= 11940.000 mm2形心：X2= 0Y2= 110mm惯性矩：IZ=112BH3-bh3=1

37、12170×2203-134×1903=0.74×108mm4抗弯截面系数：WB=IZy=0.74×108110=6.75×105mm3三节臂（C截面）：面积 S3= 5396.000 mm2形心：X3= 0 Y3= 95mm惯性矩：IZ=112BH3-bh3=112134×1903-114×1763=0.25×108mm4抗弯截面系数：WC=IZy=0.25×10895=2.61×105mm3四节臂（D截面）：面积 S4= 4584.000 mm2形心：X4= 0Y4= 88mm惯性矩：IZ=

38、112BH3-bh3=112114×1763-100×1563=0.20×108mm4抗弯截面系数：WD=IZy=0.20×10888=2.29×105mm3截面正应力：A截面：A=MAxWA=2.06×1078.70×105=23.7MPaB截面：B=MBxWB=1.87×1076.75×105=27.7MPaC截面：C=MCxWC=1.21×1072.25×105=53.8MPaD截面： D=MDxWD=0.56×1071.83×105=30.6MpaA、B、C

39、、D< 计算时，危险点均按照矩形截面选取的危险点，实际是将危险点计算值进行了放大，求出了比最危险点还大的值仍然是小于许用应力值，按照结构设计的原则，则没有必要对其他较小的点进行验算。经过计算，伸缩臂各危险截面最大应力均在许用应力范围内，并且比许用应力小很多，伸缩臂强度校核满足要求。2.1.4 伸缩臂的伸缩原理分析1.臂架起重机伸缩臂伸缩形式 顺序伸缩机构:伸缩臂的各节臂以一定的先后次序逐节伸缩。 同步伸缩机构:伸缩臂的各节臂按相同的行程比率同时进行伸缩动作，采用同步伸缩可使起重臂展开速度更快。独立伸缩机构:各节起重臂无关联地独立地进行伸缩动作。目前在臂架起重机中，三级的起重臂大多采用同步

40、伸缩机构，而三级以上的起重臂有时会同时采用顺序伸缩机构和同步伸缩机构。2.起重臂伸缩机构的驱动型式起重臂伸缩机构的驱动型式有机械式、液压式和复合式三种常见型式。1.机械式伸缩机构机械式伸缩机构的构造较为简单，一般只能在吊钩空载时使起重臂伸缩，多用于只有一节伸缩臂的小型起重机上，臂架伸缩的驱动装置有钢丝绳卷筒驱动和齿轮齿条驱动等形式。2.液压式伸缩机构液压驱动是起重臂伸缩机构的主要驱动形式，通过采用相应的伸缩液压缸和控制油路，不仅可以实现起重臂的各种伸缩方式，而且还能在一定负载范围内实现带载伸缩。液压式伸缩机构又分为液压式顺序伸缩机构和液压式同步伸缩机构。本课题设计的起重臂伸缩机构就采用液压顺序

41、伸缩机构。采用单向顺序阀控制伸出顺序，前级液压缸伸出到位后，压力升高才能开启单向顺序阀，后一级液压缸才能伸出，缩回顺序同样靠平衡阀开启压力控制。此方案对液压缸工作面积无特殊要求，有利于减轻机构自重。图2.5 单向顺序阀顺序伸缩原理图2.2 回转机构的设计回转机构的组成：臂架类起重机要在一定的空间范围起吊和移动物体，回转机构是必不可少的。回转机构可以使整个回转平台（包括吊臂、操纵室以及起升机构等）和被起吊物体一同绕着一个固定铅锤轴线做回转运动。大多数臂架类型起重机的回转机构是水平全方位回转的，只有一些特殊的起重设备由于工作场地限制或特殊的工作要求，回转机构工作区间限制在某一特定角度范围内。回转机

42、构由回转支承装置和回转驱动装置两部分组成，前者将起重机的回转部分支持在固定部分上，后者用于驱动回转部分相对于固定部分转动。2.2.1 回转支承装置的选型回转支承装置简称回转支承，它可以保证起重机的回转部分有确定的回转运动，并能承受起重机回转部分作用于其上的垂直力、水平力和倾覆力矩。回转支承装置在结构上主要由柱式和转盘式两种型式。1.柱式回转支承装置定柱式回转支承装置：回转部分的转动惯量较小，有助于降低回转机构的驱动功率，这种结构型式常用于一些浮式起重机。转柱式回转支承装置：常用于塔式起重机、门座式起重机。2.转盘式回转支承装置滚子夹套式回转支承装置：许多圆锥形或圆柱形滚子布置在上下两个环形滚道

43、之间，对于直径没有太多限制，因此可用于一些大型或特大型的回转机构中。滚动轴承式回转支承装置：结构紧凑、性能完善，可同时承受垂直力、水平力和倾覆力矩，是各种起重机尤其是汽车起重机、履带式起重机等流动作业起重机上应用最广的回转机构。根据滚动体形状和布置方式不同，滚动轴承式回转支承装置主要有单排四点接触滚球式、双排滚球式、单排交叉滚柱式、三排滚柱式等结构。本课题设计的起重机的回转机构就采用单排四点接触滚球式，其剖面结构如图2.6所示。图2.6 单排四点接地滚球式图2.7 回转轴承结构图2.2.2 回转驱动装置选型与计算小型起重机的回转机构一般为单套驱动装置。回转驱动装置通常装在起重机的回转部分上，原

44、动机经过减速器后带动最后一级小齿轮，小齿轮与装在起重机固定部分上的大齿圈相啮合，以实现起重机的回转运动。根据原动机的动力来源不同，回转驱动装置有电动机驱动和液压马达驱动两大类型。我们选取液压马达驱动。回转驱动装置的设计计算主要包括回转阻力矩分析计算、液压马达选择和过载校验计算等内容。2.2.3 回转机构的设计计算计算回转驱动装置的等效功率，需要先计算起重机回转时的等效稳态阻力矩Tn为：Tn=Tm+Tpe+Twe式中：Tm回转支承装置中的摩擦阻力矩N·m Tpe等效坡道阻力矩，坡道阻力矩最大值的0.7倍N·m Twe等效风阻力矩，风阻力矩最大值的0.7倍N·m1.

45、摩擦阻力矩回转机构中常用的滚动轴承式回转支承装置的摩擦阻力矩可按下式计算：Tm=12DN N·m式中：回转阻力系数，滚球式取=0.01，滚柱式取=0.012；D滚道平均直径m，D=0.22m； N全部滚动体受到的总压力N。当回转支承装置中的滚动体承压方向一致时： N=Fasin+4Fcos (N)当回转支承装置中的滚动体承压方向不同时 N=Fasin1-2+2KTnDsin+4Fcos (N)式中：Fa回转支承装置承受的总垂直力(N)；F回转支承装置承受的总水平力(N)；滚动体压力角；=cos-1DFKTn；Tn回转支承装置中的合力矩(N·m)；K与滚动体形状有关的参数，滚

46、柱轴承K=44.5，滚球轴承K=4.55。计算的时候运用极限的思维，计算出Fa、F、Tn各自的最大值，此时压力角取45°，再带入公式计算出N的最大值。图2.8回转机构受力简图水平方向：F1cos45°=F2cos45°+F垂直方向：F1sin45°=F2sin45°+G1+G2力矩守恒（以O点为原心）：F1sin45°×D2+F2sin45°×D2=G1L1cosa+G2L2cosa式中：F螺栓等水平外力的合力F1回转机构受到向下的压力；F2回转机构受到向上的推力；G1起吊物体重力，G1=20000N；G

47、2吊臂重力，G2=4400N；L1起重臂最大长度，L1= 5340 mm；L2起重臂重心距回转中心的距离，L2= 1430 mm；a吊臂仰角，取极限值0°代入数据，计算得：F1=1.471×106N，F2=1.447×106N，F=24400N回转轴承中的合力矩：Tnmax=F1sin45°×D2+F2sin45°×D2 =1.471×106×22×0.11+1.447×106×22×0.11 =113092N·m回转支承装置承受的总垂直力：Famax=F

48、1sin45°-F2sin45°=24400N回转支承装置承受的总水平力：Fmax=F1cos45°-F2cos45°=24400N=cos-1DFKTn=cos-10.22×244005×113092=89.45° N=Fmaxsin1-2+2KTnmaxDsin+4Fmaxcos=24400sin45°1-2×89.45°+2×5×113092×0.22×sin89.45°+4×24400cos89.45°=3.873&#

49、215;106N摩擦阻力矩Tm=12DN=12×0.01×0.22×3.873×106=4260.3N2. 坡道阻力矩由于起重机工作场地存在的坡度、地面在压力作用发生的不均匀沉陷、支腿机构水平度偏差较大等各种因素，会使得起重机的回转平面与水平面之间具有一定夹角，导致回转驱动装置受到坡道阻力矩的作用。TP=i=1nGilisinsin N·m式中：Gi起重机各回转部件的自重载荷N； li各部件重心至起重机回转中心轴线的距离m； 坡道角度； 起重机回转角度，向下坡方向为0°。当回转角度=90°或270°，即起重臂与坡道

50、方向垂直时，且起重机仰角为最大仰角78°时，坡道阻力矩具有最大值，假设坡道角度=20°： TPmax=i=1nGilisinsin=G1l1sinsin+G2l2sinsin+G3l3sinsin+G3l3sinsin=4400×120×sin20°×sin90°+42×163×sin20°×sin90°+400×300×sin20°×sin90°+1700×40×sin20°×sin9

51、0°= 247.2 N·m式中：G1回转臂重力（N） G2吊钩重力（N）G3变幅油缸重力（N）G4回转台重力（N）等效坡道阻力矩TPc为：TPe=0.7TPmax =0.7×1854.7=173 N·m3. 风阻力矩风作用在起重机和被吊物体上，对回转驱动装置会产生阻力作用。但由于此课题设计的起重机用于室内，风的作用可以忽略，所以风阻力矩Tw=0。等效稳态阻力矩Tn：Tn=Tm+Tpe+Twe=4260.3+173+0=4433.3N·m2.2.4 液压马达的选择汽车起重机、轮胎式起重机和铁路起重机的回转机构多采用液压马达驱动，对于液压马达需要进

52、行选择计算的参数主要有工作压力、马达排量和马达转速。液压马达的液压马达的排量取决于回转机构的阻力矩和工作压力（液压马达的进出口压力差）：qm=2TnpiMm MPa式中：Tn回转机构阻力矩 (N·m)； qm液压马达排量（ml/r）； p工作压力（MPa），工作压力p取12MPa；i回转机构的传动比； Mm液压马达的机械效率，取Mm=0.94。回转机构阻力矩：Tn=Tm+Tpe+Twe=4260.3+173+0=4433.3N·m传动比：i=z2z4z1z3=100×10020×20=2500式中：z1液压马达输出轮齿数；z2与液压马达输出轮相啮合轮的齿

53、数；z3与回转轴承内圈齿轮相啮合轮的齿数；z4回转轴承内圈齿数。设计的回转机构回转速度为0.5r/min，所以液压马达转速：n马达=n回转i=0.5×2500=1250r/min液压马达排量：qm=2TnpiMm=2××4433.3 12×2500×0.94=987ml/r 根据以上数据选取型号为NHM16-1400的普雷斯牌液压马达。其额定排量为1413ml/r，转速1250r/min、额定压力20MPa、额定扭矩5224 N·m的液压马达。NHM16-1400液压马达具有以下优点：1.采用曲轴及较低激振频率的五缸五活塞机构，保持原

54、有的低噪音特点；2.启动扭矩大，具有良好的低速稳定性，能在很低的速度下平稳运转；3.采用平面可补偿式配油结构，可靠性好，泄漏少，维修方便，活塞和柱塞套采用密封环密封，具有 很高的容积效率；4.曲轴和连杆间由滚柱支撑具有很高机械效率；旋转方向可逆，输出轴允许承受一定的径向和轴向外力；5.具有较高的功率质量比，体积重量小。2.2.5 液压马达过载能力的验算液压马达的最大输出转矩TMmax应满足以下条件：TMmax= pqmMm2Tm+Tpmax+TwmaxiTMmax= 12×1413×0.942=2536.7N·m Tm+Tpmax+Twmaxi=4433.3250

55、0×0.90=1.97N·m2536.7N·m>1.97N·m，满足条件。式中：qm液压马达排量（ml/r）； p工作压力（MPa），工作压力p取12MPa；Tm回转支承装置中的摩擦阻力矩 (N·m)；Tpmax坡道最大阻力矩 (N·m)；Tw最大风阻力矩 (N·m)；i回转机构的传动比； Mm液压马达的机械效率,取0.94； 回转系统的总效率，取0.90。2.3 变幅机构的设计变幅机构是臂架类型起重机的重要工作机构之一，用于在改变被起吊物体至起重机回转中心轴线之间的距离。起重机的变幅机构有不同的类型：按工作性质分为非

56、工作性变幅和工作性变幅；按机构运动形式分为运行小车式变幅和起重臂摆动式变幅；按起重臂变幅性能分为普通臂架变幅和平衡臂架变幅。伸缩臂架的起重机主要采用液压缸驱动的变幅机构。图2.9 变幅液压缸结构设计图2.3.1 变幅力的计算1.正常工作时的变幅力变幅机构设计时一把要考虑变幅机构和回转机构同时工作的的情况，因此在对变幅机构进行受力分析时要考虑因回转运动产生的离心力对变幅机构负载的影响。分析变幅机构的受力简图，液压缸推动起重臂绕其铰轴摆动必须要克服的阻力矩M为：M=PQLcos+(WQ+FQ)Lsin+GbLbcos+Wb+FbLbsin-Sds （N·m）式中：PQ包含被起吊物体和吊具在内的起升载荷（N）；Gb起重臂自重（N）；L起重臂长度（N）；Lb起重臂重心到起重臂铰轴的距离（m）；Wb起重臂受到的风载荷（N）；WQ被起吊物体受到的风载荷（N）；Fb回转运动时起重臂的离心力（N）；FQ回转运动时被起吊物体的离心力（N）；S起升机构卷筒对钢丝绳的拉力；ds起升机构卷筒引出钢丝绳至起重臂铰轴的垂直距离（m）；起重臂仰角。其中，由于设计的起重机是用于室内环境下，风载荷Wb和WQ忽略不计。离心力Fb和FQ分别为：Fb=Gb g2n602Lbcos-m