QY16U型汽车起重机吊臂及伸缩机构毕业设计说明书

#平面）可视为悬臂梁，在根部固接。作用在臂架上的载荷：自重、吊重、惯性力、风力等。由于伸缩臂式起重机的工作级别属A3-A6,可不验算疲劳。因吊臂可伸缩，可不验算非工作状态下的强度。因此,只要按工作状态下的最大载荷来作强度计算即可。载荷组合情况：自重+考虑动载系数的吊重+吊臂切向水平惯性力+吊重偏载引起的水平力（包括风力）。将吊臂在变幅平面内和回转平面内的载荷，包括考虑动载的吊重重量、起升绳拉力、分布在臂架上的自重载荷，转化到吊臂端部（如图3-5），分别为:图3-6臂架在变幅平面内、回转切向平面内手力情况变幅平面内:回转切向平面内:变幅平面内:N=N=0•Q•sina+r•G•sina+0•Qz2bbN=申•Q•sina+Y•G•sina+°•Q：z2bb二屮•Q+Y•G+Y•wbbHy—二屮•Q+Y•G+Y•wbbybbM°=e0-Q-sina-e-Qzx一212

e,e:起升绳导向滑轮轴心和吊钩定滑轮轴心到吊臂中性轴线的距离12z：吊钩滑轮组倍率n:滑轮组效率:惯性力的转化系数，以0.02R代入p:均布载荷的转化系数b0:动载系数（根据起重机设计规范e=l+0.35v:起升速度m/s）223.2.2臂架强度验算设臂架任一截面上的弯矩为MM'xy扭矩为Mz轴向压力为N横向剪力为SSx'y吊臂截面净面积为A抗弯模量为WWx'y截面的最大压应力b最大拉应力为b。则该截面上的压、拉应力及剪应力:TOC\o"1-5"\h\z13b2+6xM+2•Q•b2+6xM+2•Q•§bl—X—yAWlWxya-NM'M'Cj=——x+y2AWlWMM'+x+yWlWWlMWlM一26b*2•q•§式中：a•n:为截面上的轴向压力，a在吊臂仰角45°〜60°时取0.7:在吊臂仰角大于60°时取0.45MM0+H(L-z)+N•fcos(兀.z2L)xxyoy0+y£•L•S1-a}L厂ii二1M'M00+y£•L•S1-a}L厂ii二1oyyyxoxoyf:吊臂各节的侧向间隙所造成的端部挠度ox£:每节臂搭接处的侧向间隙，£=0.003mf:吊臂在变幅平面内，各臂节的底部间隙所造成的端部挠度，因吊臂伸出后由于oy滑块的负间隙造成吊臂上翘可消除间隙变形，故f可取0oyk:吊臂节数k=4L:i十1节臂插入i节臂的长度ia:吊臂长度系数见图3-6iS:截面处的剪力i截面位于吊臂各节两端的搭接部分时S=H(L+L+„+L)/L*;截面在吊臂各i11+1ki节中部时为S=H)iT、工、工：分别为上盖板、下盖板、腹板剪应力b1b2hH:臂架端部的横向力L:各节臂外伸长度iL*:该截面处搭接长度iQ:臂架截面板中心线所包容的面积

,..iuL力L...___a2L口丄_aaL图3-6吊臂长度系数计算图在臂架的导向滑块处和上下盖板的边棱附近产生附加的局部弯曲纵向应力（图3-7）可用半经验公式计算。图3-7滑块上集中力对下盖板引起的局部弯曲冗a1一cos（+冗）-log2-log冗a1一cos（一一一冗）2b式中：Y:材料泊桑比a:导向滑块中心离侧板中心的距离P：导向滑块传递的集中力因为是局部的，一般a较小，故可忽略不计。按第四强度理论，吊臂截面上的最大拉、压应力组合（忽略局部应力时）q=2+342<In]maxh1.3

max3.2.3臂架箱板的局部稳定性校核臂架腹板和下盖板都存在局部失稳的可能。腹板存在拉、压及剪切应力;下盖板承受线性分布的压应力及剪切应力。下盖板和腹板之间的支承即不是铰接支承(简支)，也不是固接支承，而是介于两者之间的弹性嵌固支承。校核受有正应力和剪应力同时作用的薄板的局部稳定公式为：crI]3ZL2O1O1crI]3ZL2O1O11+1oJ(O丿2crcr1<-n式中：ne:最小应力与最大应力之比，在下盖板中e=/,owe<1。在21腹板中e=/,-i<e<o,由于压缩应力大于拉伸应力那一侧腹板比拉伸力大于压缩41应力的一侧容易失稳，所以校核压缩应力大的一侧。O:正应力单独作用时的板局部失稳的临界应力。6:板厚b：板宽cro=1.9X1011K•K.6b)cr12T:剪应力单独作用时的板局部失稳的临界应力。b2T=1.9x1011K.K.6b)b212K:支撑边系数，弹性嵌固支撑取1.20。1K:薄板稳定系数：owe<1时：k=84G+1.1)22-1we<0时：K=1002-6.4©+7.62K:支撑边系数，弹性嵌固支撑取1.25。1n:安全系数，取1.33。为了减轻吊臂自重，通常将翼缘板和腹板的厚度取得很薄。有可能在承载时，吊臂的某个板件丧失稳定而发生局部翘曲变形，退出工作所以需要对翼缘板与腹板的局

部稳定性进行校核。由于本设计是采用类比方法进行设计，所以这里仅对应力最大的第三节臂的腹板为例做局部稳定校核。临界应力:1006g=KKg=1006g=KKg=kK•19()2=555.6MPa1b1006

=kK•19()2=503MPab1crTcrTcrGjcr•19(cr1006)2=674MPab使用应力:W(1-y2400+N570N)W(1—)0.9NW(1-y2400+N570N)W(1—)0.9Nz20.9N-Bz=258MPacrcr=3.649MPaGj2(c+26)6BH=65.6MPa复合临界应力:G2+G2-GG+3T21j1j-=413.6MPa>o=0.57o=199.5MPa1+屮G(14G1crG1crGjcr」T()2Tcr局部稳定性许用应力：G[g]=才=208.6MPaTcrn局部稳定性验算：g=\：'g2+g2+gg+3t2=205.7MPa<[g]1、1j1jTcr计算结果表明截面处稳定性通过其他伸缩臂腹板及翼缘板均通过稳定性的校核。

章Solidworks三维实体设计4.1Solidworks软件的特点Solidworks软件功能强大，组件繁多。功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks的三大特点，使得SolidWorks成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。对于熟悉微软的Windows系统的用户，基本上就可以用SolidWorks来搞设计了。SolidWorks独有的拖拽功能使用户在比较短的时间内完成大型装配设计。SolidWorks资源管理器是同Windows资源管理器一样的CAD文件管理器，用它可以方便地管理CAD文件。使用SolidWorks，用户能在比较短的时间内完成更多的工作，能够更快地将高质量的产品投放市场。在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中，SolidWorks是设计过程比较简便而方便的软件之一。美国著名咨询公司Daratech所评论：“在基于Windows平台的三维CAD软件中，SolidWorks是最著名的品牌，是市场快速增长的领导者。”在强大的设计功能和易学易用的操作（包括Windows风格的拖/放、点/击、剪切/粘贴）协同下，使用SolidWorks，整个产品设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。4.2Solidworks在本设计中的作用运用Solidworks软件进行三维实体设计，主要是分析吊臂设计过程中的配合问题，防止各臂之间出现装配冲突，或者空隙过大造成应力不均。而且运用Solidworks

的模型模拟运动功能，防止吊臂在回转过程中与车架之间发生碰撞，及时的解决这些装配问题，能为实际生产带来很大的便利，利用Solidworks软件的全参数化设计，对修改设计过程中的数据非常方便，一改具改，防止了因图量过大而产生的遗漏。图4-1,图4-2，图4-3分别为基本臂前臂箍、基本臂臂体，调整滑块实体截图，基本达到Solidworks软件设计的目的，有效防止了装配冲突及运行冲突。图4-1基本臂前臂箍图4-2调整滑块第五章有限元分析5.1伸缩吊臂的结构组成及分析方法QY16U汽车起重机采用四节伸缩式U型吊臂，如图5-1所示。各节臂之间可以相对滑动，靠它们搭接的上下滑块来传递作用力。基本臂1根部与转台通过水平销轴铰接，且其中部还与变幅液压缸5铰接，可实现吊臂在变幅平面内自由转动。吊臂伸缩采用一级伸缩液压缸、双绳排滑轮机构（两伸、两缩）以实现二、三、四节吊臂同步伸缩。1•基本臂2.二节臂3•三节臂4.四节臂5•变幅液压缸6•滑块图5-1QY16U汽车起重机伸缩吊臂结构简图吊臂截面形状为两块成型钢板对焊而成。其上半部为大圆角过渡形，下半部为压折U板形。吊臂的设计计算通常的力一般是将吊臂结构视为梁模型进行强度及刚度等力一面的分析。但实际上，吊臂是由薄板对焊起来的箱形结构，应该视为板壳模型。解决这样一个变截面板壳模型受力问题，比较行之有效的方法是有限元法。故我们应用此法,并采用功能强大、技术上非常成熟的商用有限元软件ANSYS为工具来进行分析。基于吊臂的实际工况较多，限于篇幅，本文仅以基本臂仰角30度，吊重10.8t工况为例,介绍QY16U汽车起重机伸缩吊臂结构有限元的分析过程。5.2伸缩吊臂有限元模型建立5.2.1实体建模考虑到吊臂的重量，在计算时由ANSYS自动计算。为确保其重心位置的正确性，必须以吊臂的真实工况位置(抑角e)进行建模，亦即先要计算仰角e的大小，再激活工作平面(workplane),将工作平面旋转e角，在工作平面内造型。各节臂的筒体由薄板构成，取中面尺寸造型。基于基本臂的尾部及四节臂的头部结构异常复杂且刚性很大，故将其简化成实体，利用ANSYS强大的造型功能。5.2.2单元选取及网格划分板采用板壳元Shell63来离散。Shell63是一种4节点线弹性单元，它遵循基尔霍夫假定，即变形前垂直中面的法线变形后仍垂直于中面，而且这种单元可以同时考虑弯曲变形及中面内的膜力，比较符合吊臂的实际受载情况。考虑到臂体都有搭接部分，不易选中，且大部分板厚都不一样，若是每块板逐个进行网格划分，效率低下，容易出错，为此我们先在实体模型上指定属性，即赋予所有实体需划分的单元、材料特性、实常数等，然后由程序一次对所有板、块进行网格划分，同时也避免了在网格划分操作中重复设置属性。若是对某些网格形状不满意，则可对这部分重新进行划分，因为重新划分时，可删除己有的网格，但不会删除所指定的属性。见图5-3图5-3伸缩吊臂有限元网格图5.2.3滑块接触处模型处理由于吊臂工作时，各节臂之间靠与滑块接触和挤压来传递力，有限元建模中，必须解决各节臂与滑块间的连接问题。首先考虑用ANSYS中的接触单元来分析，但由于该算例中，单元数颇多，模型规模大，且有12处接触（四节臂上下有12个滑块），而接触问题属于非线性，求解过程必须反复迭代计算，因而计算量实在太大，另外，其准确性也较差（实际结构中的接触特性尚不清楚），基于此，我们运用另外一种方法一节点自由度藕合技术来模拟滑块与各节臂的接触。工作时，滑块与吊臂保持接触，但它们之间沿接触面有相对滑动趋势，故相对应的节点间沿接触面的法向自由度必须藕合，而切向自由度则不能藕合，应当释放。为了达到此目的，首先要旋转节点坐标系,旋转角度即为仰角0,利用各节臂与滑块在同一位置节点（CoincidentNode）间的藕合，可方便地实现12个滑块与吊臂对应节点的藕合。5.2.4加载及约束处理吊臂所受的载荷有：吊重、侧载、钢丝绳在臂头的拉力、风载、液压缸作用力及伸缩机构钢丝绳拉力。风载荷加到吊臂侧面上，而其它力则须加到相应位置的节点上(或关键点上)，为了使得这些加载点能成为节点，首先需要在此位置处创建关键点，此外,由于钢丝绳在臂头的拉力及伸缩机构钢丝绳拉力等方向与整体坐标系方向不一致，故还须旋转这些节点坐标系，以便于加载。约束处理:基本臂尾部与转台铰接处，约束3个方向平移自由度(UX.UY.UZ)和两个力一向的转动自由度(ROTY.ROTZ)。释放绕销轴中心回转的转动自由度(ROTX)。变幅液压缸铰点处同样处理。5.3计算结果与分析通过对上述有限元模型进行计算，得到在仰角为30度、吊重10.8t工况下：最大位移量DMX=25.848mm,最小应力值SMN=0.1891mpa,最大应力值SMX=214.676mpa。吊臂上应力值较大的区域为：臂座与臂体连接处。最大应力发生在臂端前臂箍下滑块处。应力分布情况，如图5-4、图5-5、图5-6所示。图5-4臂体与臂座连接处的变形与应力云图

图5-5吊臂的模型的变形与应力云图图5-6臂根的变形与应力云图5.4本章小结用有限元法对仲缩吊臂结构进行强度校核，其结果应该比常规的解析法更准确、可靠，且可以获得解析法难以分析的局部区域应力分布，如吊臂与滑块接触处、变幅液压缸铰接处，而这些区域往往又是危险部位。有限元分析的结果可为实际设计提供有价值的参考。通过有限元对本次设计的吊臂基本臂进行的强度校核结果来看，本次设计的QY16U汽车起重机吊臂符合要求，即本次设计可以使用。第六章结论及技术经济分析6.1结论本文完成了QY16U型汽车起重机吊臂设计的主要内容，即主参数设计、吊臂强度的计算设计等。在Ansys等软件的使用和验算中，证明本次吊臂的设计方案是正确可行的，完成了课题的预期任务。经过本次设计，对汽车起重机吊臂的发展趋势有了一些了解，在以后的产品设计中应力求做到：应用新材料起重机臂架重量直接影响起重性能，中型起重机臂架重约为整机重量的15-20%,如有机械性能满足要求且密度小的新材料代替，将有助于起重性能提高。优化设计引用结构形式优化。进行动态特性的分析以适应汽车起重机对复杂工况的要求。编制设计软件，增强可视性、各机构间的参数的关联性。吊臂是汽车起重机最重要的工作部件，吊臂的设计直接影响着起重机的起重性能。吊臂结构质量一般占整机质量的13%~15%，而且随着大吨位汽车起重机的开发，这一比重会更高。如何在不影响起重性能的前提下减轻吊臂质量，改善整机性能是设计吊臂要面对的关键问题。目前，行业内所采取方法主要有两种：⑴应用高强度材料;⑵改进吊臂结构，采用多边形（甚至大圆弧、椭圆形）吊臂来替代四边形吊臂。随着大吨位起重机产品的不断开发，高强度钢板被大量应用，吊臂强度也大幅上升，但若发挥全部材料的强度，吊臂结构变形也会加大。变形增大的结果，将使吊臂轴向力引起的弯矩成为一个无法忽略的因素。所以，在非线性条件下，就需要应用新的算法，在考虑吊臂的变形情况下对吊臂进行重新设计计算。6・2技术经济分析由于本次设计采用了计算机绘图软件CAD以及Ansys软件对吊臂的强度进行校核,其结果应该比常规的解析法更准确、可靠，且可获得解析法难以分析的局部区域应力分布，同时应用solidworks软件进行三维实体设计，主要是分析吊臂设计过程中的配合问题，防止各臂之间出现装配冲突，或者空隙过大造成应力不均，及时的解决这些装配问题，能为实际生产带来很大的便利，利用Solidworks软件的全参数化设计，对修改设计过程中的数据非常方便，一改具改，防止了因图量过大而产生的遗漏。因此,在对其进行加工的时候可以减少材料富余，避免浪费材料，用最少的材料制造出符合要求的吊臂。同时，本次设计中吊臂的截面形式采用了U型臂，U形吊臂截面再现有的吊臂截面相比较而言，它能充分的发挥材料的机械性能，抗屈曲能力强，虽然没有椭圆形截面吊臂那么理想，但其制造工艺却没有椭圆形吊臂那么复杂。总的来看，本次设计中的QY16U形吊臂伸缩机构不仅采用了先进的Ansys软件对其进行强度校核，使其结果更加准确可靠，而且从经济适用的角度来看，U形臂有仅次于椭圆形臂的工作性能，而且制造工艺与成本相对较低，所以是一种很实用的经济形吊臂。第七章汽车起重的发展中国的汽车起重机产业诞生于上世纪70年代，经过了近30年的发展，期间有过三轮主要的技术改进，分别为70年代引进苏联技术、80年代初的日本技术和90年代初的德国技术。但总体来，中国的汽车起重机产业始终走着一条自主创新的道路，有着自己清晰的技术发展脉络。尤其是近年来，中国汽车起重机产业实现了一轮从外部经济总量到内在运营品质的高速发展，成为了一个发展稳定、市场化程度较高的成熟产业。业内专家认为，高速发展的市场，是中国汽车起重机产业各个厂商有利的技术创新基础和环境。近几年来，中国汽车起重机产业除一些较小的企业与日本起重机品牌厂家进行合资以外，其余主力厂商在加速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外国技术的做法，也使得中国汽车起重机产业在达到和接近国际先进水平的同时，在产品技术上拥有明显的中国特质。受公路车辆行驶的限制，国外工程起重机在70吨级以上，基本发展了全路面底盘技术，采用独立的油气缸悬挂方式，而中国起重机产业则继续在汽车板簧式技术上发展到目前的130吨级产品。这其中，形成了独用的多桥板簧平衡悬挂技术，解决了多桥车辆在设计中的桥荷平衡，以及行驶过程中单桥过载等问题，并且实现了多桥（四桥以上）车辆的多桥转向系统，满足了国家对公路车辆的最小转弯半径的要求，使得汽车式大吨位起重机行驶基本达到与全路面起重机的独立悬挂相当的行驶能力。另外，行业内像徐重等少数重量级厂家，经过几年的自主摸索与创新，成熟掌握了全路面起重机的全部技术，制造出了200吨级及以上的超大型产品，虽然与国外最大800吨的产品还有一定差距，但是已经不存在不可跨越的障碍，中国汽车起重机行业达到国际最先进水平已经是一个时间和进度问题。中国汽车起重机底盘到目前已经应用了CAN总线控制系统，达到点对点、一点对多点（成组）及全局广播集中方式传送和接受数据，达到了防抱死防滑转、电喷发动机控制、自动变速，扭矩实时控制、经济运行速度等的自动计算控制，提高了操纵的自动性、系统的可靠性、人机界面的可视性，达到了真正意义上的信息集成和智能化。上车起重机部分已经大量应用PLC可编程集成控制技术，带有总线接口的液压阀块、马达、油泵等控制和执行元件已较为成熟，液压和电气已实现了真正紧密的接合。可通过软件实现控制性能的调整，大幅度减化控制系统、减少液压元件、提高系统的可靠性，具备了实现故障自动珍断、远程控制的能力。当前中国最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，具有很好的微调性能和精控性能，操作力小，不易疲劳。通过先导比例手柄实现比例输出、多种复合动作的无级调速，有效防止起重作业时的二次下滑现象，极大地提高了起重机作业的安全性、可靠性和作业效率。部分大型起重机上还在起重臂上成功应用了单缸插销的伸缩技术，通过液压销的作用，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，改变了以往多级油缸加内部绳排的动作方式，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。中国汽车起重机产业内居于技术领导地位的徐重，率先发展了多边形吊臂技术，带动了一轮产业内的技术升级和产品改进。大部分工厂已经在50吨级以上产品上全面应用了U形臂的结构技术，使起重臂重量更轻，性能更强，大幅提升了起重机工作能力、整机稳定性，优化了整机自重，目前多家企业正在全面研究和应用这项技术。汽车起重机产业属于大型装备制造业，主机厂制造体系的装备工艺水平，是决定主机品质的重要基础性因素。近几年来，以整个产业的主机企业为龙头，带动了整个产业制造水平的提升。以徐重为代表的中国汽车起重机产业，在近几年始终推进内部制造体系的不断升级，仅徐重一家，在最近的三年内，就连续投入了近10多亿元改造制造体系。目前来看，主要厂家在原材料切割上，已经广泛使用数控等离子与激光设备完成，机加工工序大量应用了先进的加工中心，结构件制作基本全面应用了自制的工装工具，装配过程达到全自动流水线和线型装配模式。产品和部件涂装也均已使用大型涂装作业线或专业涂装单元来完成。主要企业的装备水平已经全面达到甚至超过国际各大起重机专业制造商。在进行产品创新的同时，各主机企业也不遗余力地研究与积累工艺经验。目前大都深入地解决了国产钢材应力分布不均匀的问题，在车架、转台、伸臂三大结构件的铆接、焊接、机械加工与检测上，应用了工装变位技术、自动焊接技术、数控加工技术以及磁粉探伤、柔性三座标检测仪等先进手段，整体上讲，主要工艺能力已经逼近或达到国际先进水平。最近几年，许多终端装备制造业企业，都深感中国工业基础水平已成为企业提升产品品质的主要瓶颈。而国内汽车起重机主机厂商，则较早地开始了解决这一问题的实际行动。近两年，以徐重、浦沅、长起等企业为代表，主机企业不断加大向基础零部件产业的技术与经营渗透。主要采取了收购经营、技术合作和加强质量工艺管理等方法，不断促进汽车起重机零部件的专业化与差异化。随着国产汽车起重机产业制造水平的全面提升，中国汽车起重机产品开始在国际市场上体现出明显的竞争力，随着国内市场需求的趋稳，行业在国际市场拓展上出现了前所未有的好的形势。在走向国际市场的过程中，汽车起重机产业近几年品质水平的快速提升也得到了国际用户的高度肯定，在徐重公司进入的各个市场中，用户开始普遍接受中国产业并淡化日本产品，尤其在澳洲等发达国家市场，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较在国内有了明显的减少，产品反映非常好。而台湾、澳州、中东等一些代理商在全面考察了以徐重为代表的中国汽车起重机产品后，甚至作出了中国汽车起重机在操作、使用上已经明显好于日本产品。参考文献沈永明.2002中国工程起重机市场报告及2003年市场预测，中国工程机械，2003,3:62〜64页RonSchad.Germanfocus，CranesToday,1998,8:18〜20页丁中立•我国轮式起重机发展探讨，专用汽车,2000,2:8〜10页袁存武.WT0必将处使中国工程起重机行业向更大更强方向发展，工程机械术与管理信息2002，08:3〜6页LeonDeutsch.Japanesefocus-Internationalrescure.CranesToday,1998,7:10〜12页Lorain.NorthAmericanfocus-Neworder,CranesToday,1997.6.26〜27页JoopSaan.Germanmarketsurvey--madeinGermany，CranesToday,1997,6:18〜20页丁中立•几个国外厂家轮式起重机发展概况，建筑机械，1997,1:42〜44页胡德森.国外起重机应用高科技的成就，建筑机械技术与管理，1993,2:7〜9页须雷•起重机的现代设计方法，起重运输机械，1996,8:3〜7页韩起城•起重机械名词术语，起重运输机械，1996,11:10〜12页国家标准局.起重机械标准汇编，国家标准局，1986:193〜347页顾迪民.工程起重机.第二版•中国建筑工业出版社.北京市兴顺印刷厂.1998:23〜256页孙恒等主编•机械原理•第二版•高等教育出版社.1990:270〜275页顾迪