折叠式液压引擎吊机设计

-I--PAGEIV-折叠式液压引擎吊机设计摘要吊机是起重机的通俗称呼，是当今工程施工中极其重要的设备之一，被广泛的应用于运输、船舶、设备、机械、模具等多个行业。随着我国经济的不断发展，市场对起重机的需求量变得越来越大，对起重机的性能要求也变得越来越高。液压控制是常见的控制方式之一，它被大量地应用于包含起重机在内的多种机械中。与传统的起重机类型相比，折叠式起重机具有体积小、灵活、便于移动与运输等优点，因此目前市面上的许多起重机都是折叠式起重机。本文以通过液压方式进行控制的折叠式起重机为研究对象，设计了一种四工位的折叠式液压引擎起重机。根据设计的要求，分别可以掉起2t，1.5t，1t，0.5t或1t，0.75t，0.5t，0.25t的重物。本文首先对起重机进行了简单的介绍，介绍了起重机的历史、结构、分类、国内外现状等内容。然后对起重机未来发展的趋势进行了分析，介绍了课题内容。在此之后对折叠式液压引擎吊机的吊钩、液压系统等部分进行了设计与校核，随后对三维图的装配进行了介绍，最后对完成设计的折叠式液压引擎吊机整体进行了介绍，计算了折叠式液压引擎吊机主要的性能数据。关键词：折叠式；液压；起重机-PAGE1-DesignoffoldinghydraulicenginecraneABSTRACT“Diaoji”isapopularnameforcrane,whichisoneofthemostimportantequipmentinengineeringconstruction.Itiswidelyusedintransportation,ship,equipment,machinery,moldandotherindustries.WiththecontinuousdevelopmentofChina'seconomy,themarketdemandforcraneshasbecomelargerandlarger,andtheperformancerequirementsforcraneshavebecomehigherandhigher.Hydrauliccontrolisoneofthecommoncontrolmethods,whichiswidelyusedinmanykindsofmachineryincludingcranes.Comparedwiththetraditionalcranetypes,foldingcranehastheadvantagesofsmallsize,flexibility,easytomoveandtransport,somanycranesonthemarketarefoldingcrane.Inthispaper,afourpositionfoldinghydraulicenginecraneisdesigned,whichiscontrolledbyhydraulicway.Accordingtothedesignrequirements,2t,1.5t,1t,0.5tor1t,0.75t,0.5tand0.25theavyobjectscanbedroppedrespectively.Firstly,thispaperintroducesthecrane,includingitshistory,structure,classification,currentsituationathomeandabroad.Then,thedevelopmenttrendofcraneinthefutureisanalyzed,andthesubjectcontentisintroduced.Afterthat,thehookandhydraulicsystemofthefoldinghydraulicenginecranearedesignedandchecked,thewholefoldinghydraulicenginecraneisintroduced.Thentheassemblyof3Ddrawingisintroducedandthemainperformancedataarecalculated.KeyWords：Folding；Hydraulic；Crane目录摘要 IABSTRACT II第1章绪论 11.1起重机概述 11.11起重机的历史 21.12起重机的结构 21.13起重机的分类 31.14起重机国内外发展现状 41.2起重机发展趋势 51.3课题研究的内容 71.4折叠式液压引擎吊机工作原理 71.5折叠式液压引擎吊机部件的连接 81.6折叠式液压引擎吊机工作参数 81.7折叠式液压引擎吊使用时的注意事项 91.8本章小结 9第2章折叠式液压引擎吊机主体设计 102.1折叠式液压引擎吊机吊钩部分的设计 102.11吊钩简介 102.12吊钩的分类 102.13吊钩的材料 112.14吊钩的数据计算与强度校核 112.2折叠式液压引擎吊机起重链部分的设计 152.21焊接起重链简介 152.21焊接起重链的结构 152.23焊接起重链的选择 152.3折叠式液压引擎吊机吊臂部分的设计 162.31吊臂简介 162.32吊臂的数据 172.4底座 193.5立柱底座 203.7支腿与行走轮 243.8万向轮 273.9本章小结 29第3章折叠式液压引擎吊机驱动机构设计 303.1液压传动 303.11液压传动简介 303.12液压传动的优点 303.13液压传动的缺点 303.2液压千斤顶 313.21液压系统组成 313.22液压千斤顶工作原理 313.23液压千斤顶使用时的注意事项 323.3液压千斤顶的选择 323.31液压缸的负载计算 323.32系统工作压力的选择 343.4本章小结 34第4章折叠式液压引擎吊机三维图装配 354.1CATIA软件 354.2使用CATIA的装配流程 364.3本章小结 41第5章结论 42参考文献 43致谢 45第1章绪论1.1起重机概述起重机是一种在各种工程中都经常能够见到的的机械设备，它被广泛的应用于诸如城市的建设、水利水电项目的建设、民生设施与军事设施的建设和矿工业等多个领域[1,2]。形如工厂、矿山、巷口或码头、油田、建筑工地、舰船等场所都可以看到起重机的身影[3，4]。可以说，现代社会的建设离不开起重机，没有起重机就没有办法完成二十一世纪的许多建设。本文研究的折叠式液压引擎吊机如图1.1所示。图1.1折叠式液压引擎吊机1.11起重机的历史起重机械很早就出现在了人类的日常生活中。公元前10年，古罗马有一位有名的建筑师叫做Vitruvius，他曾在自己的建筑手册里描述了一种装置，大致的意思为：这种装置有一根桅杆，有一个滑轮装在它的顶端，这个桅杆被绳索固定在某一位置。当需要使用它吊起重物的时候，只需要拉动通过滑轮的缆索就可以做到。虽然这种设备可以比较省力的吊起重物，但是仍然存在一个问题——这个装置很难甚至无法横向移动重物。当然，随着科技的发展，这个问题也得到了解决——15世纪，在意大利的机械师们灵光一动，发明了转臂式起重机。这种转臂式起重机和之前的装置不同，它安装了倾斜的悬臂，滑轮是安装在悬臂顶端的，这就解决了之前的装置无法横向移动重物的问题。18世纪，起重机迎来了又一次跨越性的发展。众所周知，在此前，装置最主要的动力都是来自自然力、人力或畜力，这些方式虽然可以让装置运转，但也限制了装置的适用范围、工作效率和一些性能。直到18世纪中后期，第一次工业革命的爆发、蒸汽机的诞生可以说是为所有机械的发展埋下了伏笔。随后，在19世纪，英格兰诞生了蒸汽起重机，在20世纪初期，欧洲开始使用塔式起重机[5]。1.12起重机的结构起重机的结构可以分为起升机构、运行机构、变幅机构、回转机构和金属结构等等。起升机构：起升机构是起重机的灵魂。无论是什么起重机，起升机构都是不可或缺的。它可以通过液压系统来抬升或降低负载，也可以通过绞车和吊挂系统的配合升降重物。运行机构：由电动机、减速器、制动器等组成的运行机构很好理解。顾名思义它可以用来调整设备工作位置或者纵向移动重物。变幅机构：变幅机构是臂架型起重机独有的一种机构。它的作用是在臂架仰起或者下俯是进行调整，使得臂架相对稳定。一般可以分为平衡变幅和非平衡变幅两种。回转机构：回转机构也是臂架起重机上使用的机构，由驱动装置和回转支承装置组成，用于转动臂架。金属结构：金属结构的范围比较宽泛，起重机除了上述机构的部分多数都是包含在它的范围里。也正是因为这样，它的作用也是多种多样的。1.13起重机的分类在工程中所用的起重机械有很多种，它们的构造和性能各不相同，但是总体来说，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，缆索式起重机四大类。轻小型起重设备如：千斤顶、气动葫芦、电动葫芦、平衡葫芦（又名平衡吊）、卷扬机等[6]。桥架类型起重机械如桥式起重机等。臂架类型起重机如固定式回转起重机、塔式起重机、汽车起重机、轮胎起重机、履带起重机等。缆索式起重机如升降机等。具体分类如图1.2所示。图1.2起重机的分类（1）轻小型起重设备这一类型的设备都轻便、简洁，这意味着它们的整体不会太复杂，因此一般动作简单。动作简单导致的结果就是轻小型起重设备的工作轨迹以点和线居多。轻小型起重设备的一大特点就是只有升降机构是一定存在的，其他机构都有可能不存在。本文研究的就属于轻小型起重设备。（2）桥架起重机桥架起重机的种类很多，它们都存在一个取物装置，可以沿着梁作为轨迹线路移动并抓取重物[7,8]。这个取物装置可以是小型的设备，比如说轻小型起重设备中的电葫芦，亦可以是大型的设备，比如说一个金属小车[9]。虽然桥架起重机也有着桥式起重机和门式起重机的分类，但是前文的特点是都具备的。（3）臂架起重机臂架式起重机的很多特征都和与桥架起重机相似，但也有不同之处。比如臂架起重机的工作范围是一个圆，桥架起重机的工作范围是一个矩形；因为可以安装在一些交通工具上，臂架起重机的相当一部分是可以移动的类型。桥架起重机则往往是固定在某一位置。1.14起重机国内外发展现状（1）国外发展现状因为现代的起重机兴起于国外，所以国外的水平相对较高。到目前为止，国际起重机市场已经有了几百年的历史，世界范围内的顶尖公司有大约有10多家[10,11]。目前，世界上主要的起重机生产国有意大利、德国、法国、美国、日本等国家，世界起重机市场则主要集中在北美、亚洲和欧洲。德国法国等欧洲国家：借着第一次工业革命的便利，欧洲成为了起重机的发源地，因此欧洲的起重机发展是在世界上数一数二的。例如Liebherr、Demag、Sennebogen、Grove、Potain等世界知名公司都位于欧洲。由此，欧洲起重机生产技术水平可见一斑[12]。在二战期间崛起的美国有着庞大完备的工业体系，既是生产起重机的主要国家之一，又是全球最大的起重机市场之一。其中，最大的生产商之一就是Manitowoc公司。Manitowoc公司生产的产品有技术先进、性能好、可靠性高等特点，因此其产品远销海外。目前，Manitowoc桁架吊臂履带式起重机、Grove移动式伸缩吊臂起重机、Potain塔式起重机、NationalCrane随车吊和Shuttlelift工业起重机在世界五大洲多个地方制造，销售并提供服务[13]。日本从20世纪70年代起成为了工程起重机生产大国，诞生了TADANO、KATO、KOVELCO、HITACHI、KOMATSU等公司，目前是国际起重机市场最主要的生产商之一。其产品特点是可靠性、技术水平、性能仅次于欧美等老牌起重机生产商[14]。（2）国内发展现状相较而言，我国起重机的研究开始比较晚。在上世纪末期，我国起重机行业才开始走上正轨。但自从上世纪80年代，我国也努力的发展起重机行业，从最开始的学习外国先进设计理念到消化外国起重机设计知识，使得我国能够自行生产完整的起重机和起重机的重要零部件。时至今日，中国起重机制造行业已经今非昔比，技术与经验的积累使得我们可以独立自主的设计并制造起重机，可以在国际起重机市场争夺市场份额。目前，市场上我国起重机械的种类超过1000种，并且还在不断增加[15]。上述事实表明了总体来说，我国今天的起重机生产制造已经有了一定的基础，生产的产品也足以满足市场的需求。然而，我们也不能被这些进步冲昏了头脑。因为就目前来看，和国外传统的起重机生产大国相比，我们在技术实力、设计经验、研究水平等方面仍然有所欠缺。根据网络上的资料显示，级别超过200吨的履带式起重机、超过100吨的汽车起重机大多要进行国际招标采购。这说明目前国内目前在制造最尖端的起重机产品方面仍然存在某些困难。根据统计数据来看，欧洲起重机的平均吨位在800吨，而我国目前这一数字却不到200。徐州重型机械公司的QUY300型履带式起重机重臂最大起重量可达300吨，QAY200型全路面起重机额定起重量为200吨，这已是目前国内之最，但与Liebherr、Manitowoc等国际起重机行业巨头在技术方面还有一定的差距[16,17]。1.2起重机发展趋势对于绝大部分机械设备来说，液压技术都是不可或缺的。液压技术是一种使用流体的静压能来传递功和能量的方式。它虽然诞生时间不长，但目前超过95%的工程机械都采用了这种技术。因为与传统的传动形式相比，它具有以下特点：（1）当安装空间受到限制，同时对设备的要求也比较高时，液压控制可以用更小的空间完成更多的任务。（2）对于控制系统而言，液压技术可以和电气控制、智能控制等方式相结合，提高系统整体控制性能。（3）当工作环境相对较差时，仍然可以可靠、安全的工作。正是因为这些特点，液压技术逐渐发展为工程机械未来发展的趋势。对于起重机来说，还有一些属于自己的发展趋势：（1）重点产品专业化、大型化、高速化和耐久化二十一世纪是一个科技大爆炸的时代，随着科技的不断发展，每天都有新的科学技术诞生或者已有科技的相互融合、推陈出新。这就使得新材料、新工艺、新设备不断地出现，极大地促进了机械设备的发展。同时，人们对于物质生活的需求也促使工业生产规模的扩大，在这样的时代背景之下，市场对于起重设备的要求也自然有了提高。对于某一行业专门设计的起重机械可以更好地适应市场需求。例如：德国Demag公司就研制了一款飞机维修保养专用起重机，在国际市场打开了销路，这一系列产品的成功后，其他起重机生产商也纷纷效仿；大型化的起重设备是未来的必然趋势之一。现代工厂的产品普通的产量普遍很高，而产量相对较低的则往往是一些大型零部件、设备等，因此大型化的设备是市场发展到一定程度的必然性决定的；高速化也是未来其中设备的必然趋势之一。众所周知，效率对于现代的生产企业来说是非常重要的。在其他条件相差不大的情况下，谁有更高的效率，谁就占有了市场；耐久性自不必说，在评论机械性能的时候，它一直占有一席之地。（2）系列产品模块化、标准化、组合化和实用化用模块化和标准化的设计方式可以说是很多行业的发展趋势。对起重机而言，就是将功能相差不大的零部件或者构件制作成用途不同，但连接要素相同的可相互替换的模块。因为它们有着相同的连接设计，在有不同需求的时候，只需要根据新的需求更换原有的模块，而不需要购进新的设备就可以完成新的需求。芬兰的KONE公司设计的桥式起重机就应用了这种思想，使系列、整机、机构、零部件互相之间参数尽可能匹配；组合化是在上述两种思想的基础上，用尽可能少的模块形式，组合成为尽可能多种类的起重机；起重机作为一种工程机械，实用化自然也是一个容易理解的起重机设计目标。（3）通用产品轻型化、小型化、多样化有的时候，起重机的工作的环境可能会受到某些因素的限制，有的时候起重机的工作或许并不繁重。在这些对起重机的要求并不高或者场地受限的场景出现的时候，我们需要的就是适用性广、成本低、体积较小的起重机。这样的起重机往往结构精简，整体体积较小，有多种功能以适应不同的工作需求。例如芬兰的KONE公司就已经有了一个轻型组合式标准起重机系列。这一系列的起重机虽然结构并不算复杂，但是连接方式多种多样，例如：仅主梁与端梁的相接就有20余种方式，可以满足多种要求。此外，这一系列的产品还可以选择产品单速或是双速、产品采用何种控制方式等等[18,19]。1.3课题研究的内容课题主要研究可折叠的液压引擎吊机。吊机的折叠设计可以有效的节省空间；驱动方面则选用液压技术，以便达到快速起升吊装，可以控制平稳下降的目的；配有转向轮与行走轮，可以灵活移动位置；吊臂可以四工位调节，分别可以吊起2t，1.5t，1t，0.5t（ZD-2型）1t，0.75t，0.5t，0.25t（ZD-1型）的重物。1.4折叠式液压引擎吊机工作原理折叠式液压引擎吊机如图1.3所示。图1.3折叠式液压引擎吊机实物折叠式液压引擎吊机的工作原理并不复杂。在通过手柄给液压千斤顶一个力之后，千斤顶根据第三章提到的原理工作，给吊臂一个力，使吊臂的倾斜角度发生变化，以此带动重物上升。下降的原理和上升类似。为了保证在使用时的安全，避免发生意外，倾角变化是在一定范围之内的。1.5折叠式液压引擎吊机部件的连接折叠式液压引擎吊机由底座、立柱、支腿、吊臂和液压千斤顶等部分组成。各部位之间的连接主要是螺栓连接或者销链接。这两种连接方式简单可靠，因此一般都选择采用这两种方式进行连接。支腿和底座、底座与立柱、主吊臂与副吊臂之间都有定位孔，可以方便的进行定位连接。支腿下方安装了行走轮与万向轮，可以灵活的移动位置。立柱、液压千斤顶和吊臂三者形成了三角形，有利于整体在工作时的稳定。此外，在底座处还加装了钢板作为加固。除了普通的行走轮以外，还设计了一对万向轮，有利于折叠式液压引擎吊机的灵活移动。1.6折叠式液压引擎吊机工作参数折叠式液压引擎吊机最基础的一个参数就是起重量。起重量就是起重机在保证安全工作的条件下能够起吊的最大重量。在这里我们按照最大值2t为起重量。在考虑了起重量之后我们一般考虑起重力矩。起重力矩是指折叠式液压引擎吊机的起重量与对应的工作幅度的乘积，作为一个核心指标，它与很多运行机构息息相关。起重力矩可以按照公式1.1计算。M=Q∙g∙h=3400式中：M——起重力矩（单位：KNmQ——起重量（单位：kg）g——重力加速度（单位：10msh——做功的距离（单位：m）工作幅度是折叠式液压引擎吊机回转中心轴线到吊钩中心的距离。因为在工作状态下部件会产生一定的变形，所以之一数据一般是指工作状态下测量的数值。根据经验，空载时的高度一般与工作时相比有0.5~1.5m的差距，所以我们将工作幅度定为1.2m。起升高度是指支腿或轨道支撑面到吊钩中心的距离，额定起升高度是在额定负载下的最大起升高度。因此，起升高度为2.3m，额定起升高度为2.05m。工作速度是一系列速度的统称，例如起升速度、变幅速度和行走速度都是工作速度中的一部分。具体还分为不同状态下的速度，比如空载速度和满载速度等。虽然国际单位制中的速度是ms，但在起重机设计中，我们为了便于表达，有时也使用m起升速度：0.25变幅速度：0.28行走速度：0.83回转速度：0.2自重也是折叠式液压引擎吊机设计中需要考虑的一项，对于轻小型起重机来说，在保证质量的前提下，更轻、更小和价格更低的液压引擎吊机会更有市场。这里设计的液压引擎吊机自重约75kg。1.7折叠式液压引擎吊使用时的注意事项在工作时应尽量保持地面平整，结净。此外，折叠式液压引擎吊机工作时的平面倾角不得过大，以防发生危险。每隔几个月就应当对折叠式液压引擎吊机进行一次检查，这一检查应当包含对部件的检查、静力与动力试验。在使用前应检查液压缸、螺母与螺栓的状态。工作时起重臂下禁止站人，重物下降过程中应缓慢放开液压阀1.8本章小结本章对起重机的历史、结构、分类、国内外发展现状、未来发展趋势进行了简单介绍。随后对折叠式液压引擎吊机的工作原理、连接方式进行了介绍，计算了折叠式液压引擎吊机的主要工作参数，最后提出了折叠式液压引擎吊机使用时的注意事项。-PAGE29-第2章折叠式液压引擎吊机主体设计起升机构是起重机的核心，因所有起重机都必须要有这一机构。作为所有起重机设计最先考虑的部分，它的性能优劣会影响到整台机器的性能。根据课题研究的要求，研究的起重机属于结构比较简单的轻小型起重设备，所以首先需要设计的部分就是起升机构。下面为首先进行起升机构部分的设计。2.1折叠式液压引擎吊机吊钩部分的设计2.11吊钩简介吊钩，英文名LiftingHook，是起重机械中最常见的一种吊具[20]。吊钩常借助滑轮组等部件悬挂在起升机构的钢丝绳、链条或其他种类的绳索上。作为一种古老的机械类型，它与很多已知的装置都可以配合。它的优势在于结构简单、装配方便、可靠性较高，因此，它被广泛应用于工程机械中。2.12吊钩的分类最为一种应用广泛的吊具，吊钩有着很多不同的种类。这些种类不同的吊钩搭配上不同的连接方式，可以适应许多复杂的工作环境与工作条件。虽然吊钩的结构比较简单，但是作为一种诞生了很久的吊具，它的可靠性与实用性已经经过了时间的检验。按照形状来区分，吊钩可以分为单钩和双钩。单钩是最早的吊钩造型，这种类型的吊钩制造简单、使用方便，但也存在一些问题，比如因为受力情况不好，大多用在起重量比较低工作场合；正是因为单钩有着局限性，人们研发了双钩来完成单钩不能胜任的工作任务。双钩的优点很明确——它可以胜任单钩不能胜任的工作任务，但缺陷也同样明显——双钩成本高、制作的技术要求高。无论是单钩还是双钩，在作业过程中总是不可避免的受冲击，所以制造材料一般采用韧性好的优质碳素钢。按照制造方式来区分，吊钩可以分为锻造吊钩和片式吊钩。锻造方式制造的吊钩成本低，制作相对容易。但是由于采用的是锻造的方式，锻造件共性的缺点也不可避免，因此这一类型吊钩通常仅限中小型设备使用；片式吊钩可以看做是一堆钢板铆合成的，这种制造方式的优点在于即使吊钩中的某一片或几片钢板出现一些问题，但由于剩余的部分仍然能够满足工作需求，通常不会整体出现问题，仍然可以正常的工作。片式吊钩的缺点就在于成本相对来说就比较高了，所以一般来说都是用于大型起重机。综合考虑本文设计的折叠式液压引擎吊机主要参数，折叠式液压引擎吊机的吊钩选择锻造的单钩。2.13吊钩的材料吊钩对材料的要求很高，因为一旦在工作过程中吊钩出现断裂、破损或折断，轻则导致物品上的损失，重则可能对工作人员的生命安全造成威胁。为了保障安全，吊钩的材料必须具有一定的强度，但高强度又意味着高成本与高密度。考虑所有因素，本文采用市面上最常规的吊钩材料——低碳钢[21]。2.14吊钩的数据计算与强度校核首先，吊钩的主要参数如图2.1所示。图2.1吊钩的主要参数因为最大设计起重量为2t，因此数据按照2t来进行校核。根据任务书给出的基础数据，对主要参数进行计算。主要参数的计算如下式2.1—2.5。因为选择单钩，所以D≈（30~35）Q（2.1）h/D≈1.0~1.2（2.2）S≈0.75D（2.3）l1≈l2≈式中Q—额定起重量代入数据，得到吊钩的主要参数。接下来需要根据主要参数校核危险截面。对于吊钩而言，如图2.2所示的两个截面是危险截面需要进行校核已确保安全。图2.2吊钩的两个危险截面位置以横向截面为例，校核可根据下式2.6—2.15来进行计算。截面如图2.4所示。其中吊钩抗拉强度σt选择低碳钢的最低标准σt=4500kg/cm2；B1、b1和h图2.3吊钩的危险截面的主要参数首先计算截面面积AA然后计算形心距离两端的距离e1、计算线性刚度I再计算断面收缩率Z1、计算弯曲力矩M计算屈服极限σbt1、最后计算安全系数，取σbt1、σbcF.S=经过计算，F.S=23.7>3同样，除了上述两个主要的危险截面以外，吊环下面的部分也有可能因为受到拉伸而容易出现问题。天赐我们对这一界面也进行简单的计算。计算公式如下所示。将数据代入，根据公式2.16的计算结果可知，没有问题。σ=式中σ—截面所受拉力A2因为屈服强度σ=97.8MPa远小于低碳钢的许用拉力σ=235MPa，所以截面可以通过校核。利用上述的公式，对另外一个截面进行计算，同样通过校核。综上所述，吊钩通过校核。根据计算所得的数据绘制吊钩的二维工程图。吊钩的二维工程图如图2.2所示。图2.4吊钩的二维工程图再根据吊钩的二维工程图绘制三维工程图。吊钩的三维图如图2.5所示。图2.5吊钩三维图2.2折叠式液压引擎吊机起重链部分的设计2.21焊接起重链简介无论起重设备使用什么吊具，一定要搭配链接部分使用。常见的作为起重设备连接部分的有钢丝绳、起重链条和绳索。相较于钢丝绳而言，起重链挠性更好，对于腐蚀和高温也有一定的抗性。但它对撞击与过载抵抗性很差，连接处也存在磨损的问题。2.21焊接起重链的结构焊接起重链是由圆钢条弯曲成为环形再相互套合而成，焊接处可以选择闪光焊或电阻焊的方式，起重链一般如图2.6所示。图2.6起重链条2.23焊接起重链的选择对于起重焊接链，无论是ISO标准或是GB标准都有着相关的规定，因此这一部分我们不需要进行设计，只需要根据之前上面计算的一些主要参数，就可以直接选择GB规定的标准件成品。根据设计，本文的折叠式液压引擎吊机只需要单链，主环装在吊钩上，链节之间的角度为90°。因为设计的目标是可以用于多种工作环境，因此我们将标准稍微提高一些。查阅相关的资料，其中起重链的选择标准如图2.7所示。图2.7起重链条的标准根据最大起重量为2t，我们选择11mm的S（6）级起重链。2.24焊接起重链的注意事项（1）如果链条的磨损量超过连环直径5%，那么就需要进行校核计算，根据结果决定是否要更换链条。（2）使用前需要进行载重试验。（3）链条需要经常清洁与擦拭。（4）使用前应对链条进行检查，如有裂纹之类的问题，则必须先进行处理再使用。2.3折叠式液压引擎吊机吊臂部分的设计2.31吊臂简介液压引擎吊机的起升机构中，吊臂是最重要的部分。和一般的起重机一样，折叠式液压引擎吊机的重物也是悬挂在吊臂顶端的。不同的是，折叠式的吊臂设计一般分为主吊臂和副吊臂（副吊臂可不止一个）。副吊臂的意义是在不使用时节省占据的空间，使用时可以根据需要调节长度。2.32吊臂的数据主吊臂与副吊臂如图2.8，2.9所示。根据任务书的要求，折叠式液压引擎吊机应可以四工位调节，可以吊起2t，1.5t，1t，0.5t（ZD-2型）1t，0.75t，0.5t，0.25t（ZD-1型）的重物。主吊臂和副吊臂的连接方式可以选择螺栓连接，也可以选择销轴连接。图2.8副吊臂图2.9主吊臂参考市场上现有产品的规格，主、副吊臂长度均选择900mm。副吊臂矩形截面长宽数据60mmX60mm，出于节约成本的考虑，采用中空设计，壁厚5mm，材料为低碳钢，为了安装起重链与吊钩，在一端留有槽，另一端留有安装孔；主吊臂外形也是参考市场上现有产品的造型，利用焊接的方式，节约材料，避免必不要的材料使用。材料方面主吊臂选择的是铸铁，也采用了中空设计，外长宽为70mmX70mm，壁厚5mm，一端留有安装孔，另一端留有提升重物时用来支撑的设计，中间有用于安装液压千斤顶的部分。根据上述的思路进行设计，设计的起重机主吊臂、副吊臂二维工程图如图2.10，图2.11所示。主吊臂与副吊臂进行简单校核，对于副吊臂而言，受到的力是重物带来的，主要在安装起重链的那一端，根据力学知识，该位置所受压力为P=式中：P—安装孔处所受的压力F—安装孔处受的力（单位：N）S—安装孔处受力面积（单位：m2图2.10副吊臂二维工程图图图2.11主吊臂二维工程图图因为低碳钢许用应力σ=235MPa>176.4MPa，所以这一位置通过校核。对于主吊臂，需要校核的位置主要是与副吊臂相连的位置，尤其是第一个孔位的位置，是需要进行校核的。同样适用公式2.17，将相应的数据代入，得到P=96.6MPa，因为铸铁的许用应力σ=135MPa2.4底座底座是用来支撑起升机构与驱动机构的，材料一般为铸铁或者低碳钢。根据设计，底座部分主要是与支腿部分相连接，同时，固定在上面的钢板为折叠式液压引擎吊机的立柱部分减轻了负担。因为底座材料的许用压应力一般都比较大，所以没有必要采用实心设计，可以采用中控设计以减少材料的使用，节约成本。根据机械设计的理论，我们应该尽可能的选择材料利用率较高的方案，因此我们考虑焊接的手法：用于安装行走轮与固定吊钩的位置以及与支腿相连的部分，我们都选择手工电弧焊的手法，因此需要对焊接处进行校核。根据在网络上查阅设计成品，我们初步选择π字型设计的底座，长宽高选择70mmX70mmX790mm；因为需要安装行走轮与钢板，因此需要预留安装位置。考虑到节约成本与效率的问题，我们直接利用与底座部分相同的矩形空心钢材；为了组装折叠式液压起重机，我们需要在预留用于螺栓安装的孔。根据上面的设计选择对底座进行设计，设计结果如图2.12所示。图2.12底座二维工程图接下来需要对底座进行校核。根据经验，对底座部分来说，主要需要校核的是用来固定钢板的焊接部分。这一部分的受力主要来自起重机上端部分自重及起重机在工作状态下带来的反作用力。当起重机在提升2t的重物时，根据所学的知识，该位置受力最大的一刻就是起重机停止前的一刻。我们假设此时的加速度a=0.25m式中：Fm—物体的质量（单位：kg）a—物体的加速度所以物体所受的合力为F=式中：F—物体所受合力（单位：N）当液压千斤顶达到极限位置时，吊臂与水平方向夹角约30°。根据吊臂末端受到的转矩的方向进行力的分解，得到所以，作用在连接处的竖直方向的力为F查询低碳钢许用应力表，在正常工作条件下，低碳钢的许用应力σ为111MPa。因为采用了焊接的方式，我们需要对许用应力进行调整计算，根据公式可得：因为此处为受压，所以式中：σa1—焊缝所受压应力（单位：PaL—焊缝长度（单位：m）h—接头中较薄板的厚度（单位：m）将数据代入计算，可得σ根据已经通过校核的二维图，我们绘制其三维图。三维图如图3.13所示。3.5立柱底座立柱底座部分与支腿相连，起到的作用主要有三个：（1）作为支撑结构的一部分。（2）为了安装行走轮，提高整体稳定性。（3）为了缩短支腿的力矩，降低支腿设计的要求。图2.13底座三维图同座部分相似，为了降低使用成本，我们仍然使用中空结构，安装行走轮的部分也利用与底座相同的材料，利用焊接的手法安装在需要的位置。利用数学的相似知识，我们求得中间部分的值约400mm，考虑到支腿与底座的数据，左右选择80mmX80mmX336mm。焊接的方式我们仍选择手工电弧焊，材料选择铸铁。因为焊接部位稍有不同，所以这里我们需要对两处进行校核。初步设计的立柱底座如图2.14所示。对于立柱底座中间的部分来说，受到的力主要也是来自起重机上端部分自重及起重机在工作状态下带来的反作用力。所以受力最大时的瞬间与底座相似。这时，根据吊臂的长度进行估算，该位置向下的力大约为24000N。由于底座中间的部分受力，所以单侧受力F4将数据代入公式2.23，得到σa2=22.22MPa。查询常用材料许用应力表，低碳钢的许用应力σ约91MPa。因为采用了焊接的方式，我们需要对许用应力进行调整计算，根据公式可得：因为σ图2.14立柱底座二维工程图图2.15立柱底座三维图我们先分析与立柱底座接触的部分。这一部分受到的力存在一个水平方向的分力，会产生一个压力。这一压力的数值为：将数据代入公式，得到σa3=17.1MPa<σ2图2.16立柱二维工程图图对于与吊臂相连的头部，这一位置受到的力也是一个水平方向的力，这个力最大的时候:F=式中：F—立柱头部受的力（单位：N）将数据的值代入公式得到σa3最后我们分析安装液压千斤顶的位置。这一部分的受力是由液压千斤顶及重物与吊臂部分带来的力。根据制造商提供的数据，液压千斤顶大约重20kg，因此G=m∙g=200N(2.27)式中：G—液压千斤顶的重力（单位：N）m—液压千斤顶的质量（单位：kg）因为吊臂的自重相较重物而言并不算大，我们将吊臂的自重与液压千斤顶自重加在一起，按照重物的21000N来计算。对于这一部分的受力，起作用的也是一个分力。计算的方式为式中：F分设计的其他相关数据：焊接处长、宽为145mmX5mm，两边同时分担液压千斤顶的重力，所以单侧力只有液压千斤顶重力的一半。图2.17立柱三维图将数据代入上面的公式，得到σa3=9.56MPa<σ2因此三处都通过校核，立柱设计通过。随后，根据二维图绘制三维图，如图2.17所示。3.7支腿与行走轮如之前所述，支腿主要是与底座和立柱底座及行走轮相连，行走轮则是安装在底座和立柱底座下方的位置。参照已有成品的数据，整体材料选择铸铁，支腿的总长我们定为1440mm，长宽为70mmX70mm。由于将最前面的一对轮设计为万向轮，所以在最前端预留了120mm的加厚部分，这一部分的上部厚度设计为13mm，为了不影响万向轮的工作，下端部分去除，其余部分的壁厚仍然为5mm。为了安装支腿与万向轮，需要预留安装用的螺栓孔。整体我们依然采用中空的设计以节省材料，提高性价比。相较于支腿而言，行走轮的设计比较简单，参照小车等机械产品的设计方案，选择以低碳钢作为行走轮的材料，行走轮外径定为86mm，用于安装的中间部分的直径设定为10mm，周围设计6个通孔以减少材料的使用，以上就是行走轮的设计思路。根据初步预设的数据绘制工程二维图，具体如图3.10，3.11所示。接下来我们对所设计的支腿与行走轮进行校核。对于支腿来说，需要校核的位置是与立柱底座相合的位置，这一部分需要承受压力；对于行走轮来说则是由于螺栓固定的孔需要校核。对于支腿而言，受压部分是与立柱底座重合的部分，因此P=式中：P—重合部分所受压力（单位：Pa）S—重合部分面积（单位：m2F—重合部分所受的压力（单位：N）将相关数据代入计算，得到P=223214.2857Pa≈0.223MPa，铸铁的许用应力σ≫0.023MPa接下来对行走轮进行校核。对与行走轮而言，相当于4只行走轮与一对万向轮一同承担了起重机全部的重力，由于万向轮部分的轮规格与行走轮相同，因此可以看做6只轮平摊折叠式液压引擎吊机整体重力。在载重状态下，吊机整体受到的力为：式中：F总m吊机—吊机自身的质量（单位：kg），这里m将相关数据代入，F总F图2.18支腿二维工程图图图2.19行走轮二维工程图将数据代入公式3.14，可以得到P分=8.86MPa，一般工作条件下的低碳钢的许用应力根据二维图绘制支腿与行走轮的三维图，如图2.20、2.21所示。图2.20支腿三维图图2.21行走轮三维图3.8万向轮万向轮与普通轮相似，区别在于万向轮可以是吊机更加灵活。在万向轮的设计方面，本文选择参照市场上的万向轮成品的结构，按照折叠式液压引擎吊机所需要的万向轮尺寸进行设计，结果如图2.22所示。,图2.22万向轮二维工程图万向轮需要校核的主要是开口销和轴承的部分，首先我们校核开口销部分。根据之前的计算，我们可以知道开口销部分受力与行走轮部分相似，因此我们可以直接将将相关数据代入公式2.29，根据计算开口销受到的压力P分≈10MPa。一般情况下，开口销都是优质钢材制造，许用应力对于轴承部分，只是受到压力，可以直接代入公式2.29。因为轴承是标准件，所以直接按照GB中的数据代入计算。根据轴承的数据可得P分=28.28MPa，查阅相关数据，轴承材料一般为低碳钢，许用应力需要校核的两个部位都通过了校核，所以万向轮整体的设计通过校核，可以按照二维图来绘制三维图，三维图具体如图2.23所示。3.9本章小结本章首先对起重机吊钩、链条和吊臂等属于起重机起升机构的部分进行了简单的介绍，随后对折叠式液压引擎吊机的剩余部分进行了设计，这一部分包括立柱、立柱底座、底座、支腿、行走轮及万向轮。图2.23万向轮轮三维图每完成一部分的设计，都根据任务书中给出的数据结合所学的知识对设计中需要计算的部分进行了校核。-PAGE31--PAGE30-第3章折叠式液压引擎吊机驱动机构设计对于起重机械来说，驱动机构是十分重要的部分，它是起重机的动力的来源，有很多的种类，可以决定起重机的一些工作特性与结构特征。目前，常见的驱动方式一般有手动驱动、电力驱动、液压驱动和机械驱动等方式。在以上常见的方式中，液压驱动因为有很多的优点，所以是最常见的选择。3.1液压传动3.11液压传动简介液压传动是指以液体为工作介质进行能量传递和控制的一种传动方式。在液体传动中，根据其能量传递形式不同，可以分为液力传动和液压传动。液力传动主要是利用液体动能进行能量转换的传动方式，液压传动则是利用液体压力能进行能量转换的传动方式。3.12液压传动的优点（1）因为有用液体作为传动介质特点，所以一般来说，液压元件的润滑条件都比较好。（2）和另外几种传动方式相比，液压传动装置具有结构紧凑、效率高、可以在大范围内实现无级变速、传动平稳、反应迅速、可以频繁地启动与换向和可以简化传动系统等优点。（3）液压元件已经实现了标准化、通用化和系列化，比较容易设计、制造和推广使用。（4）易于实现载荷控制、速度控制和方向控制，可以进行集中控制、遥控和实现自动控制。此外，液压控制还可以与其它控制方式结合使用，提高控制效率[22]。3.13液压传动的缺点（1）液压传动需要经过能量的转化，这就不可避免的产生了能量的损失。（2）由于采用液体传动，所以一方面液压元件存在漏油的问题；另一方面，液压传动对温度会比较敏感，对工作环境也有着一定的要求。（3）通常来说，液压元件对制造精度、表面粗糙度、材料材质和表面热处理都有的一定的要求，所以成本也比较高。（4）相对于其他几种传动方式，液压系统的故障的检查和排除比较困难[23]。3.2液压千斤顶液压千斤顶是指采用柱塞或液压缸作为刚性顶举件的千斤顶。具有结构紧凑，工作平稳，顶撑力大，可自锁等特点。它是一个液压系统的一部分。3.21液压系统组成一个完整的液压系统一般由五部分组成：动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件（附件）和液压油[24]。3.22液压千斤顶工作原理1—杠杆2—小活塞3、6—液压缸4、5—钢球7—大活塞8—重物9—放油阀10—油箱图3.1液压缸原理图液压千斤顶的工作原理如图3.1所示。杠杆1、小活塞2、液压缸3、4,5形成的单向阀组成手动液压泵。当手柄1被抬起，活塞2向上移动，活塞下腔密封容积增大，单向阀4打开，油箱中的油在大气压的作用下进入活塞下腔，完成一次吸油。当用力按下手柄时，活塞2下移，其下密封容积减小，油压升高，单向阀4关闭，单向阀5打开，油液进入举升缸下腔，驱动活塞7使重物上升一段距离，完成一次压油。反复抬压手柄，就能使油液也不断进入举升缸，重物不断抬高。使用完毕后将放油阀9旋转，活塞7就可以在自重和外力的作用下实现归位（具体归位速度取决于扭转的角度大小）[25]。3.23液压千斤顶使用时的注意事项（1）)新的或久置的液压千斤顶，因液压缸内存有较多空气，故在开始使用时，活塞杆可能出现微小的突跳现象，可将液压千斤顶空载往复运动2～3次，以排除腔内的空气。长期闲置的液压千斤顶，由于密封件长期不工作而硬化，从而影响液压千斤顶的使用寿命，所以液压千斤顶在不使用时，每月要使其空载往复运动2～3次。（2）液压千斤顶使用油作为介质，故必须做好油液及设备的保养工作，以免堵塞或漏油，影响使用效果。（3）为了保障安全，在使用前应该对重物质量进行估算，并校核是否安全。（4）使用时，不得加偏载或超载，以免千斤顶破坏发生危险。在有载荷时，切忌将快速接头卸下，以免发生事故及损坏机件。3.3液压千斤顶的选择3.31液压缸的负载计算液压千斤顶的设计必须先计算液压缸。液压缸的受力主要来自三方面：负载的压力、摩擦力和速度产生的惯性力。（1）对于工作负载的压力Fg式中Fg——工作负载（单位：NM——负载的质量（单位：kg），设计中按照给定数据M=2000kgg——重力加速度（单位：Nm2（2）对于摩擦负载Ff式中G——运动部件所受的重力（单位：N）M——负载的质量（单位：kg），设计中按照给定数据M=2000kgμ——摩擦因数，见图3.2中的数据，本次用μ=0.2表3.1摩擦因数表导轨类型导轨材料运动状态摩擦因数滑动导轨铸铁对铸铁启动时低速（v<0.16高速（v>0.160.15—0.200.1—0.120.05—0.08滚动导轨淬火钢导轨对滚珠铸铁对滚珠（柱）-0.005-0.020.003-0.006静压导轨铸铁-0.005（3）对于摩擦负载Fa式中∆v——速度变化量单位：m∙s∆t——启动或制动的时间（单位：s）一般机械∆t=0.1~0.5s，选取的原则为轻载低速运动部件取小值，重载高速部件取大值。行走机械一般取（4）总负载F外考虑到工程设计的实际需要，我们加上一个安全系数，取安全系数Φ=1.38，故F=3.32系统工作压力的选择系统压力的选择要考虑的有很多，比如负载的大小、设备的型号等因素。如果选择的工作压力低了，那么就意味着需要对液压元件进行一些处理；压力选的高了也是如此，都会增加不必要的生产成本。整体来说，起重机系统压力的选择可以按照表3.2来初步选定。表3.2负载与工作压力工作负载/KN<5~1010~2020~3030~50>压力/MPa<1.5~22.5~33~44~5≥5根据工作负载33.35KN，选择5MPa作为系统工作压力。由于在这里我们选择使用成品的液压千斤顶，所以我们只需要计算到这一步，就可以根据上面的数据选择市场上的成品。至此，折叠式液压起重机的液压部分已经完成了设计，下面开始对其他部分进行设计。3.4本章小结本章首先主要讲述起重机的驱动机构部分，简单介绍了液压传动的特点和液压千斤顶的工作原理，根据相关数据对液压系统的部分进行了校核。-PAGE39--PAGE38-第4章折叠式液压引擎吊机三维图装配虽然上文按照机械设计的知识设计了折叠式液压引擎吊机，根据数据绘制了二维图。在对二维工程图进行校核之后，又根据二维图绘制了相应的三维图，但是仅仅拥有二维图与三维图在一些时候仍旧存在一定的局限性。因此我们对三维图进行进一步处理，利用catia软件对三维图进行装配，使得设计的效果更加直观。因为在上一章中已经完成了对组成折叠式液压引擎吊机的部件的三维建模，所以接下来可以直接利用已完成的三维模型进行装配。4.1CATIA软件CATIA，即交互式CAD/CAE/CAM系统，英文名称为ComputerAidedThree-dimensionalInteractiveApplication，是法国达索公司的产品开发旗舰解决方案。作为PLM协同解决方案的一个重要组成部分，它可以通过建模帮助制造厂商设计他们未来的产品，并支持从项目前阶段、具体的设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程。这款软件基于开放式可扩展的V5架构，模块化的CATIA系列产品可以提供提供产品的风格和外型设计、机械设计、设备与系统工程、管理数字样机、机械加工、分析和模拟等功能。因为这些实用的功能，企业试用这款软件可以缩短开发周期、提高开发速度、加快企业对市场反应的灵敏度。自从1999年以来，这款软件就成为了世界上常用的一款开发系统。目前，CATIA系列产品在：汽车、航空航天、船舶制造、厂房设计（主要是钢构厂房）、建筑、电力与电子、消费品和通用机械制造这八个领域里都可以提供3D设计与模拟解决方案。从1982年发布V1版本，到现在应用广泛的V5版本，还有正在设计中的V6版本，CATIA的功能越来越多，使用越来越方便，已经成为许多领域不可或缺的一款软件。想要利用CATIA软件建立一个装配图，就必须先有组成这一装配体的所有组成部分的三维图，其中标准件比如：螺栓、螺母、螺钉等可以直接在CATIA自带的零件库中调用，一般不需要单独绘制。下文就将使用CATIA软件，利用已经完成的三维图，对折叠式液压引擎吊机进行装配。4.2使用CATIA的装配流程利用已经完成的折叠式液压引擎吊机部件的三维图，我们可以在CATIA内进行装配。下面使用CATIAV5版本，利用已完成的三维图，对折叠式液压引擎吊机进行装配。装配功能位于CATIA开始选项——机械设计选项——装配设计选项。具体如图4.1所示。图4.1CATIA装配功能位置图在双击进入装配设计的界面之后，我们可以看到如下的操作部分。图4.2CATIA装配功能操作界面因为我们已经完成好了三维图的绘制，所以我们首先点击产品分栏的第四项——现有产品选项，然后可以看到打开界面如图4.3所示图4.3现有产品操作界面接下来我们选择需要打开的三维图文件，双击后点击打开，这时界面会回到CATIA装配设计初始的界面，没有图案显示。我们需要单机最左边的产品选项以打开文件，如图4.4所示。图4.4“产品”的位置重复上述操作，直到打开所有需要的文件。在打开所有文件后，我们就可以开始装配了。为了定位整个折叠式液压引擎吊机的位置，我们需要先选择一个零件固定位置。固定位置的选项在约束分栏中的第五个，如图4.5所示。点击零件，再点击固定就有了用于定位的零件，剩余零件的位置可以根据与这一个零件相对位置确定。图4.5约束工具栏在这里，本文选择吊钩与起重链部分固定，作为定位。因为这一部分已经固定位置，本文选择先对其余零部件进行约束。先对吊臂与副吊臂进行约束。副吊臂的外侧与主吊臂的内测是相合的关系，我们选择约束工具栏中的第二项——接触约束。点击接触约束，关闭系统的提示（这一提示不影响结果），点击副吊臂的一个外侧表面，再点击主吊臂与之相应的内表面，就完成了相合约束。主吊臂和副吊臂之间是需要通过螺栓连接的，主吊臂上的四个孔位对应着四个不同的档位，我们任选一个孔位。点击约束工具栏中的第一项——相合选项。点击之后仍然是先关闭系统的提示，然后找到刚才选择的孔位。用光标在孔位处移动，知道找到轴线。选中轴线时的情况如图4.6所示。在找到主吊臂的孔的轴线后，对付吊臂的孔位进行相同的操作，当选中了两个孔的轴线之后，相合约束就完成了。这里如果孔径的轴线不容易寻找的话，可以放大这一部分，更换方向再寻找，这样比较容易找到孔径的轴线。在完成了这些操作之后虽然已经添加上了关系，但是两个部件的位置并