【《一种便携式车载起重机的结构设计》17000字】

II1绪论1.1选题的背景及意义由于现代工业以及现代建筑行业越来越发展的快了，起重机的运用也就越来越广泛了，而且起重机的种类也是五花八门。从工地中最常见的塔式起重机，一直到车间里普遍采用的龙门式起重机，也就是我们俗称的行车，一直到大型工程当中使用的一次性起吊重量达到上千吨的超重型履带式起重机等等。但是在这些起重机类型当中，车载起重机是一个比较实用且相对特殊的群体，因为车载起重机它既不像塔吊一样是固定不动的，它可以灵活运动，它也没有超重型履带起重机那种起吊上千吨的万钧之力，它一般也就起吊几吨到数十吨。但是它确有前两者不可比拟的优点，它凭借自身高度的机动性和运动的灵活性，在建筑、工业生产以及生活等方方面面均有使用。作者王刚等利用ADAMS和ANSYS软件对吊臂的机械结构进行刚柔耦合建模和仿真，研究分析吊臂的动力性能和吊杆的应力应变，为便携式起重机的发展优化做好准备[1]。随着当今社会的科技的发展，针对便携式起重机的不断优化，出现了各种效率更高的动力源，例如马强强等提出的便携式船用气动起重机，一改平常电动及液压动力源，进一步作出优化[2]。图1.1常见的便携式车载起重机车载起重机分为两种，一种是重型车载起重机，也就是我们经常看到的有好多个轮子、好多车轴，然后上面有长长的吊臂，起吊时车体四周还伸出支撑腿将车辆支撑起来，这种起重机它可以起吊的高度很高，起重重量大。当然他的缺点也非常明显，他的灵活性不足，它只能在非常宽阔的空间下作业，只能形式和运行在坚实的道路上，也只能在城市的主干道以及没有其他遮挡物的大空间内使用，对于一些小街小巷、街头巷尾等拐弯抹角的小地方根本没办法使用。然而就是在这些拐弯抹角街头巷尾的地方，却居住着城市中的大部分的居民，他们生活中或生产中经常需要吊装各式各样的货物，但是由于空间的限制，大型的起重机无法开进来，更不用说吊装了，所以只得使用车载起重机的第二类，也就是本课题研究的这种便携式车载起重机，又称随车起重机。由于这种小型的、便携的起重机是直接安装在中小型货车上面的，所以它不仅可以直接灵活的开到城市的各个大街小巷，而且还自带车斗，能将货物直接吊装放到自己的车斗中拉走，不需要再喊货车来拖货，具有高度的实用性，可以说是快速吊装运输中小批量货物的神器。但是由于这种便携式小型车载起重机的发展里程并不很长，所以它还是存在着许许多多的问题。就比如这种小型起重机由于结构比较紧凑，所以吊臂的起升完全依赖于单一的液压缸，因此对于液压缸的性能依赖较高，如果出现液压泄漏或者是传动不稳定，会影响到吊装工作的安全。而且这种小型的便携式随车起重机它的操作比较复杂，注意点很多，虽说结构简单但起吊过程要凭借操作者多年的经验掌握，起吊速度和起吊高度都依赖操作者的经验作为判断依据。因此年轻的操作者或经验不足者不宜操作这种设备，需要经过长时间的培训和师傅带徒弟的教育方式下才能够使用。总的来说就是一句话，机器的操作过程不够自动话和人性化。另外由于这种便携式车载起重机的体型较小，所以在反复多次的吊装工作过程当中，起重机的吊装系统容易出现严重的磨损情况，影响关键部件的使用寿命。正是有这些因素的存在，所以有必要对便携式车载起重机的结构进行进一步的深入研究，在保证其固有优点的基础上，尽可能的提升机器的自动化程度，改善机器的操作方式，延长关键部件的强度和耐磨性，保证机器长期稳定工作。李聪等人针对便携式起重机的结构优化设计，针对安全性能、成本等方面进行分析，并基于ANSYSWorkbench有限元软件模拟起重机在负载状态下的应力变化[3-5]。李伟等人通过AD与TRIZ理论的集成，提出H型伸缩式支腿结构[6]。郑德玺等人分析了市面上常见的回转机构做出分析，为回转机构的选择提供了数据支撑[7]。李文峰等人提出的有限元分析结果，，为吊臂的分析方法提供了一种快速高效的方法[8]。韩翔、刘湃、刘昊等人，分别对起重机的各个结构进行分析，并在不改变其安全性能的情况下，提出了尽可能轻量化的设计[9-11]。何远宏等人对于下回转结构易开裂问题，对其结构进行优化处理，减小了最大应力[12]。针对起升机构、起重臂、变幅油缸、回转机构、液压系统等主要结构进行研究分析，并结合以往起重机所发生的问题，以促进整体结构的优化[13-15]。当代的起重机，不论是重型或是便携式，普遍以液压为动力，其发展时间长且工作状态稳定。所以在起重机整体设计中，液压机构占比较大且要求稳定性高，对其设计与制造方面要求严格，对于与液压机构相连的机械部分，为主要受力点，设计时也要尤为注意。谢文牧、朱冰、朱燕等人针对伸缩油缸及其动臂油缸、铰点机构等的受力分析，提出优化方案，减小应力集中，提高油缸及大臂的使用寿命和稳定性[16-19]。除此之外，便携式起重机的支腿液压系统的稳定性同样至关重要，王吉龙等对垂直支腿油缸导向部分的优化，极大的提高了油缸的抗偏载能力。刘洋等人通过有限元分析软件对升降台油缸安装板结构稳定性的提高，解决了安装板油缸断裂的问题[20-22]。整个液压系统的重中之重便是油缸，油缸设计的好坏直接关系到设备的正常运转。油缸的设计包括工作压力、行程距等，其自锁功能更是现代起重机不可缺少的安全性能之一。再次，便携式起重机工作地点恶劣，要保证其能在低温环境下正常工作，由于油液在低温时的弊端，也要尤为重视温度参数的设定[23-25]。变幅油缸用于改变起重机吊臂幅度，也是非常重要的一项参数指标。变幅油缸的设计优化与前面提到的其他油缸基本一致，值得注意的是，变幅油缸的参数直接影响举升高度和效率，所以铰点位置的选择成为重要研究优化对象[26-27]总而言之，提高优化便携式车载起重机的液压机构，对于设备整体的各项指标的提升有着深远的意义[28]。由于起重机在工作过程中，其起重的重物及钢绳轨迹的不确定性，在对钢绳、滚筒和滑轮的设计上要经过严密的计算，以获得最优解，减小误差[29-32]。JacekOlearczyk等人的CPLL算法，提供了一种很好的计算方法[33]。同时研究便携式车载起重机，对于中小批量货物吊装起重运输行业的发展来说具有举足轻重的地位。图1.2车载起重机1.2国内外发展现状古人对于如何吊装运输重型物体是动足了脑筋，从最早数千年前古埃及人通过修建缓坡，用滚石法运送大块的石头，修建出了惊人的金字塔，到古罗马帝国利用木质绞车建造出了辉煌的建筑。还有中国的先民利用木质的吊装机械建造出了伟大的长城。但是这些惊人成就的背后，都是千万万劳动人民的牺牲，加上劳民伤财的统治者的逼迫。不过工业革命以后，现代起重机的出现改变了这一情况。现代起重机是从英国等欧洲国家开始出现、兴起、并最后大量的投入具体实际运用的。由于国外的工程建筑业在很早就开始飞速的发展了，由于城市化的建设运营和工程量巨大，急需一种可以吊装建筑石料的起重装置，于是早期由蒸汽机驱动的简易起重机出现了。当然这种起重机是固定式的，而随着汽车技术的发展又出现了最早的车载起重机[34]。而在这众多的国家之中，其中最有代表性的那当属德国了。德国在关于建筑工程起重机的研究可以说是非常的独到，也颇有建树。德国的起重机种类非常之多，无论是大型的起重机还是小型的便携式起重机都有。其实德国在欧洲开始研究现代起重机的时间并没有英国等其他欧洲国家早，但是他的进展却很快，而且走的思路也比较有特点。尤其是德国在重型和超重型起重机的研究方面在世界上独树一帜，其中就包括上文中提到的可以一次性起吊上千吨重物的超重型履带式起重机。在一次展会当中，德国的这家起重机制造商，用套娃的形式表演了这台起重机的强悍的起重能力。所谓的套娃就是利用起重机吊起重机的形式：开始时一台几吨重的便携式起重机被一台十几吨的车载起重机吊着，而这台十几吨重的车载起重机被几十吨的大型车载起重机吊的，而几十吨的大型车载起重机则被一个一百多吨的履带式起重机吊着，而这个一百多吨的履带式起重机则被数四五百吨重的重型履带起重机吊着，而这个四五百吨重的重型履带起重机最终被起重能力超过一千吨的超重型履带起重机掉着。也就是说超重型履带起重机它的吊装总重量是前面从便携式起重机开始一直到重型履带式起重机重量之和。如此强悍的吊装能力，使得现场各国参观人员目瞪口呆，纷纷对德国的起重机超强的能力竖起了大拇指。而德国不光在超重型起重机领域独领风骚，在小型便携式起重机的设计和制造方面也很有建树，他们还开发出了可以单人操作的小心便携移动式的起重机，这种起重机只有几百斤重，但是却可以吊起一百多公斤的重物，实用性非常强，很多家庭也买这种起重机来使用。图1.3常用的车载起重机关于德国的小型便携式的起重机值得一提的就是他们在初始设计环节，他们在设计时特别注重用计算机辅助设计和分析软件来帮助工程师进行分析和设计。注重产品初代设计时的模块化，这就使得德国的小型便携式的起重机在不断的更新换代之中变得更加的顺利，让他们能够更加系统化的对小型便携式的起重机进行加工生产。在整个国际市场上，关于小型便携式的起重机的竞争也很强烈，除了德国以外，英法美等国也相继开发出了各具特色的小型便捷式起重机，不过欧美的起重机他们一贯以来的传统就是注重模块化、改进材料工艺性、增强自动化，而且起重机的专用性也比较强，当然成本也较高。真要说到国内的起重机发展源头，那最早可得从先秦时期说起来。那个时候建筑房屋的就要想办法将建筑材料由下往上的进行运输，那么这个时候如果仅仅是依靠人力来进行工作，那么难度也未免太过于大了一些，所以早在先秦时期人们就发明了木质绞车，用人推马拉作为动力，拉动绳索牵引物体由低处往高处运动。而这个绞车其实就是古代的起重机了，尤其在战国时期为了自保，各国纷纷将城墙加固的很高，在修建城墙时，为了将建筑材料运到高处的城墙上，因此经常架设这种绞车用来吊装物体。虽然古代对于最原始的起重机早有研究，但是我国关于现代的起重机的研究发明其实是比较晚的。国内最早的关于现代起重机的研究是在新中国成立以后才开始有的，那时候国内正在集中力量建设重工业，各种大的厂房纷纷开工，所以急需一批起重机用于吊装建筑材料，所以当时就开始仿制前苏联的多功能卷扬机，再焊接一个机架，拉上钢索，通过卷扬机拉动钢索实现起重，而车载起重机的研究则几乎是空白。所以直到改革开放以后，我国才开始对大型龙门式起重机以及现代建筑中的塔吊进行大规模的研究，而车载起重机也正是从那时才开始出现的。国内的起重机主要运作场合也就是矿山开采、楼房建造，以及大型的房地产工程，由于这些建设施工的规模都比较大，所以一开始出现的起重机都比较的大型并且笨重。对于小型便携式的起重机研究还未进行，当时重量较轻的小批量货物还采用人工搬运的方法，但是随着国内私营经济的高速发展，以及中小企业和个人对于货物吊装运输需求的不断增加，让相关的起重机制造企业和研究单位认识到很有必要开发一种随车的便携式起重机。然后就有了我们本课题所讲的车载式的小型便携式起重机的最早型号，刚刚开发出来的车载便携式起重机结构十分简陋，能够起吊的货物重量非常有限，起吊高度也不高，而且在操作时需要多个人一起配合，另外起重机的安全稳定性也严重缺乏，工人也违规操作，所以事故一直不断。但随着液压技术的进步以及现代起重机理论技术的逐步完善，加上各个高校不断培养出现代起重机设计的专业人才，使得国产便携式车载起重机技术也随之得到了提升。图1.5已有的车载起重机另外我国还逐步出现了一批以生产起重机、挖掘机、装载机为主的工程机械的大企业，这些企业人才雄厚，技术力量丰富，他们生产的各种起重机不光在国内广泛应用，而且还出口到了世界上好多国家。比如大名鼎鼎的徐工集团，他们所生产的车载起重机在国外的名声也非常好，很多国家纷纷采购中国产的车载起重机使用，所以在这一领域中国的相关技术其实还是非常强的，在全世界范围来说，中国的车载起重机技术也称得上是先进的，而且未来国内的车载起重机技术还会继续向前发展，道路越来越广阔[35]。1.3主要研究内容本课题主要研究的是一种便携式车载起重机的设计。首先查阅相关设计的资料，分析便携式车载起重机的设计思路，对便携式车载起重机进行总体方案设计。总体方案确定以后，分别设计便携式车载起重机的机架、卷曲机构、升降机构、传动装置等。分析便携式车载起重机的装配和使用维护等内容，最后完成车载起重机的零件图和装配图。2便携式车载起重机的总体方案设计2.1起重机的基本形式和总体结构组成经过分析设计要求，本设计它属于小型车载起重机，或者叫随车起重机，所以它的主要结构包括：载重汽车、起升机构、起重臂、变幅机构、回转机构、液压系统等组成。如下图2.1所示。载重汽车2.起升机构3.起重臂4.变幅油缸5.回转机构6.液压系统图2.1结构组成2.2起重机起升机构方案在起重机当中起升机构可以说是它的核心组成部分。起升机构用于实现货物的升降，起升机构主要由驱动装置、传动装置、卷绕系统、取物装置与制动装置等组成。起升结构采用液压马达一减速机一卷筒的传动方案。卷筒与开式大齿轮用沿满圆周布置的螺栓相连接。减速机的低速轴带动卷筒，使钢丝绳绕进或放出。这种结构紧凑、易于实现。起升时，马达逆时针旋转，摩擦片被松开，卷筒顺时针旋转放下货物；制动时，马达停止旋转，卷筒依靠自重顺时针旋转，使二级齿轮轴顺时针旋转，摩擦片被压紧，棘爪顶住棘轮，卷筒停止转动，重物悬吊不动。吊动的升降靠马达改变转向来达到。起升机构如下图2.2所示。1.液压马达2.减速机3.棘轮停止器4.卷筒5.钢丝绳图2.2起升机构2.3起重机变幅机构方案变幅机构是决定起重机参数的重要因素。变幅机构通过改变动臂的角度和升降重物来增加吊重的范围和高度。变幅机构的三铰点至关重要，分别为吊臂下铰点、变幅上铰点、变幅下铰点。变幅机构的选择设计上要尽量做到在变幅过程中使吊钩的运动轨迹保持在水平线上。本文选用前倾式变幅机构，其优点是动臂上的作用力臂较长，变幅油缸的推力较小，因此油缸直径较小，由于臂的悬臂长度较短，有利于臂的受力。如下图2.3所示图2.3常见的前倾式变幅机构2.4起重机回转机构方案回转机构是起重机的主要工作机构之一，它的作用是使已被升在空间的货物绕起重机的垂直轴线作圆弧运动。回转机构的动力是液压马达通过齿轮齿圈传动来实现回转。回转机构与变幅机构相结合工作，可使服务面积扩大到相当宽的环形面积；与运行机构相结合，可使服务范围扩大到与桥架形起重机一样。如下图2.4所示。1齿圈2齿轮3液压马达图2.4回转机构2.5起重机液压系统方案液压系统是当代起重机普遍采用的动力源，也是目前发展最为完善、可靠的动力源系统。便携式起重机液压系统一般来说，含有：支腿回路、回转回路、起升回路、伸缩回路和变幅回路等。液压系统的工作原理概括来说就是：动力源——控制机构——执行机构三个部分，其中动力源就是我们常说的液压泵，传动控制装置主要是油管和各种阀门之间的连接机构，执行机构就是各种不同功用的液压缸。这三大部分不同的组合也就构成了不同的液压回路，其综合起来便构成便携式起重机的液压系统。如下图2.5所示图2.5简单液压回路示意图2.6本章小节本章节对便捷式车载起重机的总体方案进行了分析设计，首先确定了它的基本结构组成，然后重点分析了起重机的起升机构和回转机构这两个核心部分的方案。下面对车载起重机的具体结构进行相关的设计计算。3便携式车载起重机的设计计算3.1起升机构的基本参数计算由已知得钢丝绳速度：V绳＝V升×ɑ（3-1）式中：a：滑轮组倍率；V升＝12m/min。V绳＝12×6＝72m/min钢丝绳速度：n卷＝V绳／[（D+4+d）×π]=（3-2）式中：D：卷筒直径；d：钢丝绳直径。n卷=114.6r/min初步选定减速比为i＝26.18，则马达转速：n马＝n卷×i（3-3）n马＝26.18×114.6卷筒扭矩;M卷＝S×[D＋9×d]／[2×η卷]（3-4）式中：n马=3000r/min；S=11052.6N；η卷=0.98。M卷＝11052.6×[(160+6×10)×10-3]／2×0.98M卷=1410Nm马达扭矩：M马=M卷／(i×η)（3-5）η=η卷×η轴承3×η开齿×η闭齿（3-6）式中：η卷:卷筒效率;η轴承:轴承传动效率;η开齿:开式齿轮传动效率；η闭齿：闭式齿轮传动效率。η=0.98×0.993×0.94×0.99η=0.89M马=M马=60.5Nm故马达M-MFB20-US；排量：qm=21.10ml/r；转速100r/min~3200r/min，最大输出扭矩64N/min；由马达转速，得出油泵的容量：Q=（3-7）式中：马达容积效率：n马=3000r/min；qm=21.10ml/r；η马容=0.96。Q==65937.5ml/min重物提升功率：N重=V升×Q起（3-8）N重=12×6300×6.8／60=12.348kw油泵驱动功率：N泵=N重／η（3-9）式中：η=η卷×η轮组×η减×η马总×η泵总；其中：η卷：卷筒效率；η轮组：滑轮组效率;η轮：导向轮效率;η减：减速机效率;η马总：马达总效率；η泵总：油泵总效率;η卷=0.98;η轮组=0.95;η轮=0.96;η减=0.94;η马总=0.87;η泵总=0.8η=0.98×0.95×0.96×0.94×0.87×0.8=0.585N泵=EQ\F(12.348,0.585)=21.12kw发动机转速：n发=2600r/min泵的排量：q=（3-10）q==23.63ml/r式中:：Q：油泵容量=65937.5ml/min;η容：容积效率=0.93。q=EQ\F(65937.5,2600×0.93)故选用泵CB-B-32;排量qm=32ml/r3.2钢丝绳的选用钢丝绳在工作状态下的最大静拉力计算：d=c（3-11）式中：d：钢丝绳最小直径mm;c：选择系数；其值与机构工作级别和钢丝绳抗拉强度有关。c=（3-12）式中：绳断面积与毛面积之比n=4.5;k=0.82;σb=1850N/mm2；w=0.46。c==0.0906最大单绳拉力（N）：s=EQ\F(Q,α×η)（3-13）式中：Q：起升重量；Q=63000N；α：滑轮组倍率；a=6;η：滑轮组效率；。s=11052.6Nd=0.0906×≈9.53查标准圆整选取：钢丝绳69370-10-1850-特-光-右交GB1102-74。3.3滑轮及滑轮组设计考虑到滑轮组的效率：S=（3-14）式中：S：单绳拉力；a：滑轮组倍率6；：滑轮组的效率。=（3-15）式中：：采用滚动轴承时为0.98=S=EQ\F(63000,6×0.95)=11052.6N滑轮直径D为了提高绳的寿命。D（h－1）×d（3-16）式中：d：钢丝绳直径；h：与机构工作级别和钢丝绳有关的系数D（18－1）×10d=10mm；h=18；D=170mm采用绳槽断面5.5－2ZBJ80006.1-87，本设计取绳槽两侧面夹角2β=35~45平衡滑轮直径。滑轮轴设计采用45钢，是心轴。γ0=5；2β=45；Dp=170mmRA=EQ\F(2×S×116×2×S×74+2×S×32,148)=EQ\F(2×11052.6×(116+74+32),148)（3-17）RB=6×S－RA（3-18）MC=RA×74－2×S×42式中：RA=33158N；RB=33158N；MC=1525Nm；[σ]对固定心轴，载荷无变化时D=21.68=21.68圆整（3-19）==95N/mm2滑轮轴承的设计与校核各轴承受力相同均匀为2S=22105.2N，选用轴承圆柱滚子32511E，校核：L=（3-20）L==73393.4吊钩的设计与选用目前起重机的吊钩已经实现了标准化，经过分析选用吊钩型号：LYD6-MGB10051.5强度等级M6。选配推力球轴承：GB301-84.8310校核：C0=S0×P0﹤C0a式中：P0：对a=90°的推力轴承P0a=Fa；C0a=126KN；S0=2；P0a=6300N；C0=2×6300。C0=126KN﹤Coa合格横梁只受弯矩，不受转矩的心轴，采用45钢R=Mc=Ra×EQ\F(l,2)=31500×EQ\F(148,2)W=（3-21）式中：a为：EQ\F(d,D)=EQ\F(50,120)=0.4167W=(1－0.41674)（3-22）σ=EQ\F(M,W)=EQ\F(2331000,164533)（3-23）由公式可知：b==45mm（3-24）3.5卷筒设计名义直径：D1=hd（3-25）式中：d：钢丝绳直径；d=10mm；h：与机构工作级别和钢丝绳结构有关；h=16。D1=16×10=160mm卷筒的长度：L=1.1（3-26）式中：n：卷绕层数n=5；a：滑轮组倍率a=6；D：卷筒直径160mm；H：起升高度10mm；d：钢丝绳直径10mm。L=1.1×EQ\F(6×10000×10,π×5×（160×5×10）)=200.08mm卷筒厚度本卷筒为钢卷筒ZG230-450，可由经验取=15mm卷筒强度校核：=A（3-27）式中：S：钢丝绳最大拉力；P：卷筒节距；δ：卷筒厚度；A：原与卷筒层数有关的系数。A=2；Smax=11052N；P=11.5mm；δ=15mm；[σy]：许用压应力=；；σs=230N/mm2=128N/mm<合格图3.1设计完成的卷筒图3.2设计完成的起重机起吊部分传动系统3.6回转机构支承的选用垂直载荷Gp=K×Q+Gb+G1（3-28）式中：K:超载系数；Q:起重量取起重力矩最大时；Gb:主起重臂重量；G1:上车不回转其他部分的重量算得：GP=1.1×2500+410+290=3450kg水平载荷H:按H=10%GP=345kg计算弯矩M（倾覆力矩）：M=1.2Q·R+Gb·Lb－G1·G1（3-29）=1.2×2.5×5.48+0.41×1.2－0.29×0.08式中：Lb：主臂重心到回转中心线距离Lb=Lw－C1=1.4－0.2（3-30）式中：Lw:主臂重心到主臂后铰点距离；C1：回转中心到吊臂后铰点的距离；Lb=1.2mLw=1.4m偏心距为：e=M/GP=EQ\F(16.91,3.45)（3-31）e=4.9m考虑风力时最大工作载荷：GP=Q+Gb+G1=2500+410+290（3-32）M=Q×r+Gb×Lb+H×h－G1×L1（3-33）静态：Fa’=1.2×53.45M’=1.25×16.91动态：Fa’=1.55×3.2M’=1.55×16.41M’=21.14NmFa’=4.96tM’=25.43Nm由手册图查得型号为Z=94，m=8,调质后齿轮圆周力；回转支承装置的摩擦阻力矩力计算Mf：Mf=ΣN·U·Do/Z（3-34）式中：Do为回转支承装置轨道中心直径。ΣN=2.828×GP×e×Ke/Do（3-35）=2.828×3450×4.9×1.2/0.631Mf=90917.3×0.01×0.631/2Mf=2868.4Nm回转平台倾斜引起的阻力矩：Ms=Q×r×sina=2.5×5.48×sin3=0.717tm（3-36）惯性回转阻力矩：Mp=EQ\F(n,93.5t)[Gb·R2/3g+4·(G1·L12/3g)]（3-37）=EQ\F(3,93.5×5)×[0.41×5.482/(3×9.8)+4×0.29×0.182(3×9.8)]式中：t:起动时间5sMp=4844.7Nm风压引起的回转阻力矩：Mn=qu(1.2AbR－1.2A1L1)（3-38）Mn=15×(1.2×0.6×5.48－1.2×0.3×0.18)式中：Qu:风压值；Ab:吊臂迎风面积；A1：回转部分迎风面积；L1：回转部分形心离回转中心的距离。回转时最大阻力矩：MSW=Mf+Ms+Mp+Mn（3-39）=2868.4+7170+4844.7+582.12额定工况F惯性阻力矩和倾斜力矩按70%计算：M额=Mf+(Ms+Mp)×70%=2868.4+(7170+4844.7)×70%（3-40）式中：Mn=582.12Nm；Msm=15465Nm；M额=11279Nm校核回转支承调质后齿轮所受圆周力为8.3×104N。F=EQ\F(M,2×d)=11279×103/(2×9×48)（3-41）选用回转减速机速比：i=40输出小齿轮：Z=17回转支承齿数：Z=94F=0.75×104<8.3×104合格回转机构输出扭矩：M回=M额/（Z1/Z2）=11279/（94/17）（3-42）回转马达的输出扭矩M马=M回/i=2039.8/40（3-43）回转马达的输出转速n马=n转×Z1/Z2×40=3×94/17×40（3-44）选择马达：MFB10最高工作压力：20.7Mpa最大输出扭矩：64Nm工作压力：P=22M马/（ηmq马）（3-45）式中：ηm:马达容积效率；q马:马达排量。P=22×50.995/（0.92×21.1）=16.5Mpa加上背压10N/cm2，P=16.5+10P=17.5Mpa3.7回转机构减速机的选用每小时负载率Jc=(小时负荷工作的时间/60)×100%=40/60×100%工作环境温度为30℃；减速机型号Cws；计算输出转矩值：T2J=T2×f1×f2=2039.8×1.25×1（3-46）T2J=T2×f3×f4×f5×f6×=2039.8×0.95×1.14×1×1.5故应按T2J=2549Nm,进行选择。输出轴转速：n2=663/40T2J=2549NmT2J=2209Nm最接近的减速器为：a=160T=2772符合要求：Cwc-160-40-IVGB9147-88图3.3设计完成的回转机构3.8起重机支腿反力计算起重车的大车轮被支承缸顶起，整车成为四点状态，则前两个支腿平均分配载荷：Fz=EQ\F(K×G,4)（3-47）式中：G：整车满载时的重量；K：安全系数Fz=EQ\F(1.25×14.3,4)Fz=4.468t取缸径：D=80mm；缸截面积：S=π×D2/4=π×802/4（3-48）垂直油缸受的静压力为：P=EQ\F(Fz,S)=4.468×10/5026.5（3-49）垂直缸所需流量计算Q=π×D2×V/(4×η)=π×802×0.05×10-6/(4×1)=2.51×10-4m3/s（3-50）3.9本章小节本章节对车载起重机的结构进行了设计计算。首先计算了起重机相关基本参数，然后对起重机的起升机构和回转机构进行了详细的设计计算，并且还选择了起重机所要用到的钢丝绳和滑轮组。下面对车载起重机的控制和装配过程进行分析。4便携式车载起重机的控制和装配4.1起重机的控制作为本课题研究的这种小型车载式起重机，它的控制方法其实也比较多，可以使用工控机，也可以说PLC，也可以使用单片机。面对现在如此丰富的控制方法，我们到底该如何选择，具体要从以下几个方面入手：第一方面要理解和满足被控对象的各项要求。在选型机械设备控制系统设计控制方案的时候，首先要对被控对象，也就是我们所设计的机器要进行深入的了解，如果机器不是本人设计，那么要跟直接设计它的工程师相对接沟通，对机器的结构原理，以及工程师提出的各项需要满足的控制要求都要仔细消化，逐字逐句的理解，一条一条的对号入座。比如被控对象要求控制精度高，因此必须要采用闭环系统，那么如果你采用一个开环或者半闭环的系统，显然是不能满足要求的。所以控制系统理解和满足被控对象的控制需求是基础条件。第二方面要求控制系统安全可靠。这一条也是硬性基本要求，不论什么样的控制系统，安全可靠必须保障。尤其机器在工作不正常的状态下，控制系统也要保证机器的安全，比如当下很多企业都是被限电的，所以突发断电的情况必须要考虑到，如果机器断电控制系统要及记录下机器断电瞬间的工作状态，以便对来电以后继续为机器的安全工作提供保障。因为有的安全性差的控制系统，机器一旦停电重新启动以后，它就会恢复到最初的状态，他完全不会考虑断电时机器没有完成的工作，而是硬生生的直接回到最初状态，而在这一过程中往往机器就会出现各运动部件之间运动干涉，甚至是激烈的碰撞以及其他危险情况。另外机械的操作者难免要发生错误，特别对于新手来说，第一次使用新设备按错控制按钮的概率还是比较高的，所以在设计控制系统选择控制方式时这个也必须要考虑到。比如有的机器控制系统安全性就很低，就好像人一样太死板，不知道转弯，这样的机器一旦按错控制按钮，就会发生意想不到危险。但有的机器控制系统就比较人性智能，一旦检测到有可能是异常的操作时，会有多次提醒确认的过程，以便提醒操作者操作错误，方便他及时改正。因此机器控制系统在安全保障方面必须要多留一手，多转几个弯，以保障控制可靠、操作安全。第三方面要求控制系统力求经济简单、方便维护。这一点也可以理解成为控制系统的经济性要求，比如设计一台售价低廉的农机，只要求主轴稳定旋转即可，本来使用普通异步电动机加上一般继电器就能实现的功能，偏偏使用了精密的伺服电机加上了高端的PLC。以为是锦上添花，其实是画蛇添足，徒增了无用的成本。导致单单控制系统的费用就足以购买数台同类型的机器。这种行为完全没有考虑到控制系统对经济性的要求，将原本可以简单经济的控制系统变的复杂化。所以这一点在控制系统设计和控制方式选择时，是完全不可取的，而是应该在满足控制要求的同时就应力求经济简便。经过上述分析，同时结合车载起重机具体的要求，最终我们选用PLC进行控制。因为PLC控制非常的稳定可靠，抗干扰能力也强，而且非常重要的一个就是PLC特别适合对起重机这种有固定动作顺序的设备进行控制。我们控制系统的核心采用西门子S7200PLC。图4.1西门子S7200PLC图4.2基于PLC控制起重机简易流程图4.2车载起重机的装配首先我们在进行车载起重机的装配之前，车载起重机它是安装在车架上面的，车架是车辆的主体车身结构，因为它非常的结实，所以起重机必须也之只能安装在车架上。首先先安装起重机的底板，底板和车架之间通过螺栓进行连接，在底板上面安装回转台，千万不能直接将回转台就安装到了车架上，因为它是需要转动的，如果直接将它和机架固定在了一起，那么它就没法转动了，所以中间要有一个底板作为衔接部分，相对底板进行转动。回转台在它安装到底板上之前，首先要把回转台的一些部件全部装配好，然后把它看成自己的独立的组件进行装配。而不是将回转台的部件依次的装配底板上，这样的话在实际装配操作时就不是很方便了，因那样操作的话就要人要站在车架上操作了，那样肯定没有把部件放在地面上或者专门的装配台上面操作要来的方便。回转台的装配主要部件包括回转台主体、电动机、液压马达的安装架以及齿轮和齿圈，因为起重机回转它是通过液压马达带动齿轮齿圈机构实现转动的。在具体装配时，首先我们要把液压马达架安装在回转台的主体上，然后将液压马达固定在液压马达架上，同样的也是通过螺栓固定，安装时孔对孔要对齐了。然后这个时候我们要把齿圈装到回转台上，齿圈它并不是一个完整的圈，它是由几部分拼接而成的，这样是为了方便装配。在安装时需要把齿圈和齿轮主体部分连接起来，连接是通过螺栓固定上就行，这个固定不难，但是难的是要对齐的，尤其是接缝部分要保证缝隙均匀。因为它的外圈还要有个齿轮与之进行啮合，如果在拼接时齿与齿之间的缝隙过大或不均，那么后期在运转时就会就会出现啮合问题，或者是噪音过大的情况。就好比是以前的铁轨是一节一节拼起来的，当车轮行驶至铁轨接缝处就会发生咔哒一声，所以以前的火车在跑起来的时候就会出现咔哒咔哒的响声，同样的道理齿轮传动也是如此。只有把齿圈均匀的安装好，保证接缝缝隙均匀才能够满足。有人肯定会问为什么不直接做成严丝合缝式的，这样装配会更加方便一些，这话是没错，但是起重机在室外工作有温差，齿圈会热胀冷缩，如果做成了严丝合缝，那么就没有膨胀空间了。齿圈固定好以后，把小齿轮装到液压马达上，这时要注意小齿轮和齿圈之间的啮合要求，至少要保证同时有两到三个齿处于啮合状态，当然了小齿轮和齿圈之间也不能嵌入的过深以免影响传动。回转台的侧面还需要安装收卷机构，它是由电动机、减速器以及卷筒等部分组合成的。这其实也是一个独立的组件，在很多机器上这个部件被称为卷扬器，在很多机器上这一部分都是可以直接采购现成的，买来的时候液压马达、减速器以及卷筒都是安装好的，都不用自己装配，在选购时只需要注意它的牵引力、液压马达的功率等基本参数就可以了。把回转台组件装好之后，再将这一整体安装到底座上。回转台的上部装有一个连接板或者叫固定板，这个连接板它是将来要安装起重臂的。这个连接板与回转台的相对位置并没有固定死，因此这一部分是不能直接焊接到回转台上的，因为后期还要有液压缸撑着起重臂进行俯仰。如果这里直接焊死了，那么后期就没法进行俯仰动作了，因此连接板与回转台之间只能通过螺栓和销轴进行连接，既要保证它们之间的连接路径，同时也要让连接板能够绕轴进行转动。液压缸它是通过两点铰接的形式进行安装的，液压缸体铰接在回转台上，液压活塞杆则是通过销轴与连接板进行固定的。这时当液压缸伸缩时它就可以推动连接板进行俯仰，而连接板上面是安装的起重臂，那么起重臂自然就实现了俯仰动作。而起重机的安装也是作为一个独立的组件，起重臂按照直径的大小分为大中小三节，三节是各自套在一起的，就好像是俄罗斯套娃一样。这些大的部件装好了之后就有很重要的一个环节绕钢索，大家都知道钢索它是缠绕在卷筒上的，但是这里要注意的是，缠绕在卷筒上没错，但是这个缠绕是有固定方法要求的，不是说随便一绕就行的。它是按照一定的方向一定顺序，一圈挨着一圈，紧密又不混乱的缠绕着的。而且刚开始缠绕时，钢索的头要牢牢的固定在滚筒上，而不是单纯的只是绕在上面，这个固定方法一般是滚筒表面开有孔，钢索头穿过孔打个结，然后通过U形螺栓固定住。端头固定好之后才开始绕地一圈，然后依次一圈挨着一圈缠绕，一层绕完以后再绕第二层，每层之间都非常紧实。钢锁在卷筒上绕上一段长度以后，然后引出到安装在吊臂末端的滑轮组上，钢索穿过滑轮组然后末端安装上吊钩。钢索与吊钩的连接部分会有个接头，这个接头必须要固定好，也是用专门的钢丝接头螺栓，一般是U型螺栓进行固定。到这里车载起重机部分的装配才算是完成。有一个没提到就是起重机的支撑腿这一部分的装配，实际上它是一个完整的组件，一般也是和车架相连接的，它的主要结构包括支撑臂、支撑腿、液压缸等部件组成，它的装配的话也属于比较简单，与起重机主体部分的结构没有太大的关系。图4.2装配完成的车载起重机4.3本章小节本章节完成了车载起重机的控制和装配过程分析。首先分析了控制系统的选择方法，从而确定了车载起重机的控制方式和控制系统的型号，然后详细分析了车载起重机各个部件的装配过程以及装配时的注意点。下面分析车载起重机的使用和结构注意点，以及后期的维护工作。5便携式车载起重机的使用维护5.1车载起重机的使用方法和结构注意点本设计车载起重机虽说是属于中小型起重机，但说到底它仍然是一种起重设备，所以在使用时有很多的点要注意。首先，大小不同的车载起重机所承载的重量不一样，所以在使用车载起重机时，一定要注意所使用的车载起重机所能够承受的重量是多少。要选择与所选的车载起重机的能够承受的重量，不能超重，如果车载起重机承载的重量比本身所能够承受的重量要重的话，那么车载起重机就不能够正常工作。就算可以工作，那么对车载起重机的性能使用寿命都是很大的打击。并且长时间承载超重的物体，那么车载起重机的零部件就会受到很大的损坏，以至于不能正常工作，如果严重的话，车载起重机的使用寿命会大大缩短，所以在使用方面一定要注意车载起重机的承载重量问题。车载起重机虽然说是便利的运输方式，但是它也是需要专业人员操作的。虽然车载起重机的操作不算非常复杂，但是也有很多注意的地方。不能什么人都能随便用的，有的人可能会自以为是，认为自己水平高，认为操纵起重机不就是搬搬手柄、按按按钮的事嘛，有什么难的呢，这些人会在没有经过专门培训的情况下就擅自的去操作，这样是很危险的。车载起重机里有许多小的设备，比如档位，车载起重机的钢丝绳的起吊方向操控等等这些都是需要经过专业的培训才能学会的。另外还有一些起重机的控制自动化程度比较高，里面是通过电脑触屏的方式。如果对电脑一窍不懂的人员，是不能进行操作车载起重机的。在使用车载起重机时，一定要注意车载起重机周围是不能有人存在的，车载起重机毕竟是一个机器，它感受不到周围是不是有人存在，并且，驾驶员在操作车载起重机时，他也不一定会全方位进行观察，车辆存在盲区，那么车载起重机也肯定存在一定的盲区，那么这个盲区就是最危险的地方，所以在使用车载起重机时，要确保周围没有人员存在，注意保护人员安全。最好是有一名现场指挥人员在现场进行指挥，辅助操作者将货物全部吊装上车。另外还有一点，在起吊货物之前要把车载起重机的支撑腿支撑起来，千万不能让车轮着地，因为车轮它是橡胶轮胎的，车轮一旦受力的时候它就会出现下压变形。这样就会导致整个起重机车间出现晃动，如果严重的话，还有可能会让车身倾覆，万一砸到人或者砸到东西就不好了。可以在吊装货物时要养成先将起重机的支撑腿放下，将整个车辆支撑起来的好习惯。这里要注意的是，支撑腿不能直接就撑在地面上，而是在支撑腿与地面之间要垫几块枕木，起一个缓冲作用。在这种情况下吊装作业起重机整个就非常的稳了，就不会出现晃动的情况。但是在很多时候，有的人在吊装较重的货物时知道要这样做，但是吊装轻的货物时就违规操作，节省这一环节，就直接让车轮着地，虽然有的时候确实货物较轻，没有对车辆造成大的影响，但是老抱着这种侥幸心理肯定不行，万一在操作时出现一点失误，那这个后果是操作者承担不来的。所以在起重前无论如何要先把起重机支撑腿放好，要先将整个起重机支撑稳定，要让车轮离开地面，当然不用离开很多，只要车轮不着地就行了。车载起重机是需要用燃油来进行工作的，所以在使用之前要确保油箱里是否有足够的油，因为车载起重机大部分所运送的物品都较大，并且运送的路途较远，那么油的作用就是非常关键了。前面要注意的油指的是汽车的燃油，后面还要注意的油就是指的液压系统液压油。因为起重机起重臂的俯仰是通过液压缸来实现的，这里要注意的就是注意液压装置的液压油是否有泄漏的情况，如果没有泄露那就是没问题的，而且这个油它是内部循环使用的，所以不会像燃油一样出现消耗的情况，但如果有泄漏了，那肯定就有损耗，这时候不光要解决泄漏问题，还要及时补充液压油。具体的在后面的维护部分也会分析。另外起重臂它是可以伸长缩短的，越往末端的起重臂它的直径越小，最末端的起重臂可以缩到前一端的内部，前一端的可以缩到再前一段的内部，就好像是套娃一样。起重臂在伸缩时要注意在其伸缩路径上必须要保证畅通，不能有杂物，否则的话要么导致伸缩故障，要么会出现卡死，要么就会加大起重臂的磨损。车载起重机起重臂的末端有吊钩，这个吊钩是用来挂住东西，然后放到车载起重机的后面车斗力，吊钩的升降是通过上面的钢索牵引的，而钢索是通过滚轮的旋转进行缠绕和收放的。起重完成以后要将吊钩收到最高位置。这时还要注意，放置在车斗后面的物品如果过高，那么物品的顶部就会与车载起重机的吊钩进行碰撞，在长期碰撞之后，不仅对车载起重机的吊钩进行破坏，对所运送的物品也会造成损坏。所以在选择运送物品时，一定要注意所装载的物品一定不要高于车载起重机吊钩部件的高度。而且还有一个非常重要的就是当起吊装货工作完成以后吊钩在固定住。有的人可能会说，既然吊钩已经收到最高位置了，它可以自由运动的范围已经被压缩到最小了，那么为什么还要固定呢，这个实际上是一个双保险，为了防止车辆在运动中，吊钩左右摇摆对货物造成损伤，或引发意外情况。它的固定也很简单，在回转台上有一个固定绳，这个绳拉住吊钩就行了。另外除了吊钩要固定死，吊臂也要辅助固定，虽然理论上来说，吊臂的回转装置在不工作时它是锁死的，吊臂不会出现回转，但是这毕竟只停留在理论上，如果车辆在行驶中吊臂受到一定的外力，那么就难说了。因为以前经常有人疏于防范，车载起重机在行驶过程中，由于转弯时车辆开的也挺快，受到离心率的作用，加上此时吊臂没有辅助固定，让原来的与车斗处于平行状态的吊臂变成了垂直的状态，也就是说吊臂被甩了出去，这样不仅对行车危险，而且很有可能甩到其他的车辆，造成人员伤亡。所以在行车时不但要固定好吊钩，还要固定好吊臂。图5.1起重机的整体结构5.2车载起重机的维护首先车载起重机的液压缸是重点部位，无论在使用之前还是在使用之后，都要对车载起重机的液压缸进行检查，检查车载起重机的液压缸装置地密封性是不是完好的，如果发现车载起重机的液压缸密封性存在问题，一定要及时进行修补。如果液压缸的密封性存在问题，那么液压油肯定就会泄露了，所以这个时候要做两件事，第一个要对泄漏进行检修，看看是不是密封圈坏了或者是不是有其他原因，当然检修的人员必须是专业的。第二个由于液压油泄漏了，油箱内的油液总量就会减少，由于液压油是循环使用的，总量减少之后势必会影响液压装置的工作，因此需要及时的补充液压油液。还有一点非常重要，虽然液压油循环使用，不会像燃油一样燃烧少掉。但是这个油液使用时间太长还是需要更换的，不能一直使用，有的人为了节约成本，甚至用了几年都不换，他认为液压油在密封状态下循环不会产生什么问题，也不跟空气接触，也没有杂质，所以根本就不用换。其实这种思想是错误的，液压油虽然内部密封循环，但是它长时间使用以后油液必然会变成粘稠，流动性也降低，而且难免会有一些细微的杂质进入到油液当中，长此以往就会影响液压缸的正常工作，所以必须要在规定期间内更换。当然了也有的人知道不更换的危害，但是为了节约成本就是不换，这样也是不行的。车载起重机的吊钩以及钢索都是需要定期检查的。一般来说吊钩的问题不大，只要不是违规操作，吊钩可以用很长时间，吊钩主体部分是一体铸造出来的，一般想把它用坏也是比较困难的。而容易出问题的则是吊钩的销轴部分，所以要定期检查销轴的磨损情况，该更换的就得换。另外由于起重机长时间承受较大的力，所以它的钢索虽然很结实，但是也难免有磨损，这一点非常重要，起重机的钢索是由多股细钢索捆扎在一起的，磨损严重时可能有部分的钢丝断裂，而整根钢索没有断掉。这个时候我们不能说因为有一点磨损就不去管它，因为钢丝的断裂都是在一瞬间的，如果有磨损一定要更换，这个非常的重要，这关系到了操作的安全，也是对人生命的负责。有的人认为起重机不吊装重物，钢索有一点磨损也无所谓不去理会，这实际上就拿自己的生命和他人的生命在开玩笑了。如果在起重时突然断裂，重物砸了下来，最后后果不敢想的。所以如果发现钢索出现磨损，甚至有部分已经断裂，一定要果断的更换整条的钢筋，千万不要为了省这一点钱而导致发生承担不起的后果。另外车载起重机有许多零部件需要经常移动，那么零部件的移动就需要零部件非常的顺滑。比如吊臂它的伸缩就是如此，在伸缩时其摩擦部位相接触的摩擦阻力比较大，这个部位如果润滑做的不好，那么在伸缩时就会产生很大的噪音，而且会加重磨损。总的来说认真的维护和规范的操作才能够保证车载起重机可靠的问我们服务。5.3本章小节本章节完成了便携式车载起重机的使用和维护的分析。首先分析了车载起重机的正确使用方法以及使用时的注意点，同时还重点分析了车载起重机相关结构的注意事项。紧接着分析了车载起重机的维护工作，到这里本设计便携式车载起重机的设计就全部完成了。总结本课题完成了一种便携式车载起重机的设计。首先查阅相关设计的资料，分析便携式车载起重机的设计思路，对便携式车载起重机进行了总体方案设计，在总体方案设计时分别考虑了起重机的经济性和实用性。总体方案确定以后，分别设计了便携式车载起重机的机架、卷曲机构、升降机构、传动装置等。对便携式车载起重机的传动系统进行了详细的设计计算，对关键部件进行了受力分析和强度校核。最后分析便携式车载起重机的装配和使用维护等内容。通过研究便携式车载起重机，让我把大学期间所学习的相关专业知识都进行了一次总的复习。对我来说意义特别重要，因为它一方面让我认识到了自己存在的不足，同时也让我看到了通过自身的努力能解决一些以前我认为比较难的问题，让我增加了信心，为今后我从事相关汽车或机械设计工作提供了一定的知识储备。参考文献[1]王刚,胡斌,黄亚宇.某车载起重机吊臂刚柔耦合系统动态性能分析[J].新技术新工艺,2012(10):44-46.[2]马强强,卫冬生,赵红恩,伍浩坪,陈佳.一种便携式船用气动起重机的设计与研究[J].机械工程师,2019(07):99-101.[3]李聪,丛日平,辛泳霖.随车起重机主要结构的设计计算[J].建筑机械化,2021,42(06):64-67.[4]李聪,张亚鹏,连冬晓.基于ANSYS的起重机结构设计优化[J].时代汽车,2021(12):111-112.[5]工程起重机[J].工程机械文摘,2020(06):40.[6]李伟,肖超,丛日平.基于AD_TRIZ的随车起重机支腿创新设计[J].机械工程与自动化,2021(03):79-80+82.[7]郑德玺,韩翔,陈宝凤.随车起重机回转机构特点及其应用研究[J].工程机械,2021,52(02):54-58+8-9.[8]李文峰,韩甲文,张永超,于少萌,张燕军.折臂随车起重机有限元分析方法[J].农业装备技术,2020,46(04):46-49.[9]韩翔,郑德玺.随车起重机轻量化设计应力应变试验研究[J].内燃机与配件,2020(24):7-9.[10]刘湃.SQZ4500B随车起重机下车结构分析与轻量化设计[D].燕山大学,2020.[11]刘昊,周成,于存贵.随车起重机伸缩臂截面多目标优化[J].机械设计与研究,2020,36(01):173-176.[12]何远宏,张清奎,徐敏.随车起重机下回转的改进