汽車起重機(jī)伸縮臂系統(tǒng)設(shè)計(jì)【QAY50汽車起重機(jī)】
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開題報(bào)告
題目 汽車起重機(jī)伸縮臂系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.課題來源
近年來，隨著社會(huì)的發(fā)展，社會(huì)生活中對(duì)起重機(jī)的需求越來越大，所以起重機(jī)的研發(fā)越來越緊迫，由于汽車式起重機(jī)轉(zhuǎn)場(chǎng)靈活，從而方便快捷，所以進(jìn)幾年我國(guó)的汽車式起重機(jī)發(fā)展很快。但是，與國(guó)外汽車式起重機(jī)相比，國(guó)外汽車式起重機(jī)技術(shù)得到了飛速發(fā)展，為了降低整機(jī)成本，提高性能，整機(jī)質(zhì)量越來越小，在起重性能相同的情況下，自重約比十年前降低了２０％左右，由于車輛自重的減小，使車輛采用盡可能少的軸數(shù)（尤其是大噸位起重機(jī)），這樣，大大簡(jiǎn)化了車輛的結(jié)構(gòu)，成本降低，同時(shí)提高了起重機(jī)的作業(yè)能力及使用經(jīng)濟(jì)性，所以，同等噸位的銷售價(jià)較前十年有大幅下降，對(duì)中國(guó)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)造成了很大沖擊，因此，對(duì)我國(guó)的汽車式起重機(jī)的生產(chǎn)者來說是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。臂架是起重機(jī)的主要承載構(gòu)件。起重機(jī)通過臂架直接吊載，實(shí)現(xiàn)大的作業(yè)高度與幅度。臂架的強(qiáng)度決定了最大起重量時(shí)整機(jī)起重性能，其自重直接影響整機(jī)傾覆穩(wěn)定性，因而臂架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，將直接影響整機(jī)的性能，如整機(jī)重量、整機(jī)重心高度和整機(jī)穩(wěn)定性等。所以要在保證臂架安全工作的條件下盡量減輕臂架的重量，這對(duì)提高整機(jī)質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。
2. 研究目的和意義
臂架是起重機(jī)的主要承載構(gòu)件。起重機(jī)通過臂架直接吊載，實(shí)現(xiàn)大的作業(yè)高度與幅度。臂架的強(qiáng)度決定了最大起重量時(shí)整機(jī)起重性能，其自重直接影響整機(jī)傾覆穩(wěn)定性，因而臂架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，將直接影響整機(jī)的性能，如整機(jī)重量、整機(jī)重心高度和整機(jī)穩(wěn)定性等。所以要在保證臂架安全工作的條件下盡量減輕臂架的重量，這對(duì)提高整機(jī)質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。
3.國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
中國(guó)的汽車式起重機(jī)誕生于上世紀(jì)的10年代，經(jīng)過了近30年的發(fā)展，期間有過3次主要的技術(shù)改進(jìn)，分別為70年代引進(jìn)蘇聯(lián)的技術(shù)，80年代引進(jìn)日本的技術(shù)，90年代引進(jìn)德國(guó)的技術(shù)。但是總體來說，中國(guó)的汽車式起重機(jī)產(chǎn)業(yè)始終走著自主創(chuàng)新的道路，有著自己清晰的發(fā)展脈絡(luò)，尤其是進(jìn)幾年，中國(guó)的汽車式起重機(jī)產(chǎn)業(yè)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，雖然與國(guó)外相比還有一定的差距，但是這個(gè)差距正在逐漸的縮小。而且我國(guó)目前在中小噸位的汽車式起重機(jī)的性能已經(jīng)完好，能夠滿足現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)的要求。在不久的將來，我國(guó)的汽車式起重機(jī)行業(yè)一定會(huì)發(fā)展成為一個(gè)發(fā)展穩(wěn)定，市場(chǎng)化程度高的成熟產(chǎn)業(yè)。
許多專家認(rèn)為，高速發(fā)展的市場(chǎng)，是中國(guó)汽車式起重機(jī)產(chǎn)業(yè)各個(gè)廠商有利的技術(shù)創(chuàng)新基礎(chǔ)和環(huán)境。近幾年，中國(guó)汽車式起重機(jī)產(chǎn)業(yè)除了一家較小的公司與日本起重機(jī)品牌廠家合資以外，其余廠家一直在追趕國(guó)外先進(jìn)水平的進(jìn)程中，一直堅(jiān)持自主的技術(shù)創(chuàng)新道路，基本上沒有整體引進(jìn)國(guó)外技術(shù)的做法，也使的中國(guó)汽車式起重機(jī)產(chǎn)業(yè)在達(dá)到和接近國(guó)際先進(jìn)水平的同時(shí)，在產(chǎn)品技術(shù)上有明顯的中國(guó)特質(zhì)。
中國(guó)汽車式起重機(jī)已經(jīng)大量使用PLC可編程集成控制技術(shù)，帶有總線接口的
液壓閥塊，液壓馬達(dá)，油泵等控制和執(zhí)行元件已較為成熟，液壓和電器已實(shí)現(xiàn)了緊密的結(jié)合?？赏ㄟ^軟件實(shí)現(xiàn)控制性能的調(diào)整，大幅度簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)，減少液壓元件，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，具備了實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)診斷，遠(yuǎn)程控制的能力。
當(dāng)前我國(guó)新一代汽車起重機(jī)產(chǎn)品，起重作業(yè)的操作方式，大面積應(yīng)用先導(dǎo)比例控制，具有良好的微調(diào)性能和精控性能，操作力小，不易疲勞。通過先導(dǎo)比例手柄實(shí)現(xiàn)比例輸送多種負(fù)荷的無級(jí)調(diào)速，有效防止起重作業(yè)時(shí)的二次下滑現(xiàn)象，極大的提高了起重作業(yè)的安全性、可靠性和作業(yè)效率。
部分大型汽車式起重機(jī)還在伸縮臂上使用了單缸插銷的伸縮技術(shù)，通過液壓銷作用，以單個(gè)液壓油缸可完成多節(jié)伸臂的運(yùn)動(dòng)，并達(dá)到各種工況的程度控制和自動(dòng)伸縮，改變了以往能不油缸加內(nèi)部繩排的作業(yè)方式，使起重機(jī)相對(duì)更輕，拓展了起重機(jī)向更高工作高度發(fā)展的空間。
在走向國(guó)際市場(chǎng)的過程中，我國(guó)汽車式起重機(jī)產(chǎn)業(yè)近幾年品質(zhì)水平的快速提高，也得到了國(guó)際擁護(hù)的高度肯定，由于產(chǎn)品使用規(guī)范，用戶的專業(yè)素質(zhì)較高，出口產(chǎn)品的質(zhì)量反饋比在過內(nèi)有了明顯的減少，產(chǎn)品反映較好。這都為中國(guó)汽車式起重機(jī)行業(yè)的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。
目前世界上約有百余家企業(yè)生產(chǎn)汽車起重機(jī)，但著名的也就右十余家，如美國(guó)的格魯夫、德國(guó)的利勃海爾、徳馬克、日本加藤、多田野等。生產(chǎn)的汽車起重機(jī)品種有數(shù)百種，90年代以來，生產(chǎn)，銷售各種噸位的起重機(jī)萬余臺(tái)。
汽車起重機(jī)的市場(chǎng)主要集中在東亞、北美和歐洲。東亞約占銷售量的40%，北美和歐洲各約占20%。國(guó)外汽車起重機(jī)發(fā)展的主要特點(diǎn)可以歸納為：多品種生產(chǎn)，標(biāo)準(zhǔn)化程度高和一機(jī)多用。
目前，世界汽車起重機(jī)的生產(chǎn)，從技術(shù)上講，德國(guó)利勃海爾公司略占優(yōu)勢(shì)，但從企業(yè)規(guī)模上講，美國(guó)格魯公司居世界首位。而生產(chǎn)量則是日本的多田野和藤加最多。市場(chǎng)總的趨勢(shì)式供大于求，面對(duì)激烈競(jìng)爭(zhēng)，國(guó)外各大公司除了紛紛增加投資、擴(kuò)大生產(chǎn)、提高自身的競(jìng)爭(zhēng)能力外，還通過聯(lián)合或兼并來提高在國(guó)際市場(chǎng)的份額。如1984年，美國(guó)格魯夫公司收購(gòu)了英國(guó)老牌企業(yè)科爾斯公司。1987年，德國(guó)克虜伯公司收購(gòu)了格的瓦爾德公司，稱為當(dāng)時(shí)德國(guó)最大的起重機(jī)公司，但該公司1995年又被美國(guó)格魯夫公司收購(gòu)。1990年，日本多田野兼并了德國(guó)法恩公司等。
在起重機(jī)行業(yè)內(nèi)，國(guó)外的大型汽車起重機(jī)的發(fā)展比我國(guó)迅速，在技術(shù)和運(yùn)用上已相當(dāng)成熟，目前國(guó)際市場(chǎng)對(duì)汽車起重機(jī)的需求在不斷增加，從而使國(guó)外各大汽車式起重機(jī)制企業(yè)在生產(chǎn)中更多的應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)，機(jī)械自動(dòng)化和自動(dòng)化設(shè)備，這對(duì)起重機(jī)行業(yè)的發(fā)展造成了很大的影響。目前國(guó)外的起重機(jī)企業(yè)主要是生產(chǎn)大噸位的起重機(jī)，而且有完善的設(shè)計(jì)體系，和一批先進(jìn)的研發(fā)人員，不斷的進(jìn)行創(chuàng)新和完善。國(guó)外的制造企業(yè)現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到規(guī)模化的生產(chǎn)，技術(shù)含量比較高，而且液壓技術(shù)和電子技術(shù)在汽車起重機(jī)的設(shè)計(jì)中也已廣泛的應(yīng)用，很多企業(yè)的品牌在用戶的心中已經(jīng)打上了堅(jiān)實(shí)的烙印，這也使的國(guó)外起重機(jī)的繼續(xù)發(fā)展占有了更大的優(yōu)勢(shì)。
伸縮臂作為輪式起重機(jī)的主要受力構(gòu)件，其重量一般占整機(jī)的13%~20%，而其在大型起重機(jī)的重量中所占的比例則更大。因此，伸縮臂的性能對(duì)大噸位輪式起重機(jī)在大幅度、高起升高度情況下性能的影響至關(guān)重要，而伸縮臂的關(guān)鍵技術(shù)在于伸縮機(jī)構(gòu)的形式和臂架截面形式。
目前我國(guó)生產(chǎn)的輪式起重機(jī)以中、小噸位為主，普遍采用伸縮油缸加繩排的伸縮機(jī)構(gòu)的形式，只是在細(xì)節(jié)上各具特點(diǎn)。該伸縮機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是最末一、二節(jié)伸縮臂采用鋼絲繩伸縮，其它伸縮臂用油缸伸縮，因而最末節(jié)伸縮臂的截面變化較大，大大降低了起重機(jī)在大幅度下的起重性能。同時(shí)采用該形式的起重機(jī)在五節(jié)以上伸縮臂應(yīng)用時(shí)難度較大。西方發(fā)達(dá)國(guó)家生產(chǎn)50噸以上的中、大噸位輪式起重機(jī)時(shí)，普遍采用單缸插銷形式的伸縮機(jī)構(gòu)。該形式伸縮機(jī)構(gòu)的采用大幅度提高了起重機(jī)的起重性能。
從B~aChina2007年博覽會(huì)上可以看出，橢圓形伸縮臂、單缸插銷式伸縮機(jī)構(gòu)、自動(dòng)伸縮臂系統(tǒng)構(gòu)成了以德國(guó)利勃海爾(UEBHERR)代表的西方先進(jìn)伸縮臂技術(shù)的核心，代表當(dāng)前世界最高水平，是輪式起重機(jī)伸縮臂技術(shù)的發(fā)展方向。LTM1300起重臂的截面也采用了橢圓形截面，其截面上彎板為大圓弧槽形板，下彎板為橢圓形槽形板，且由下向上收縮，其重量?jī)?yōu)化，抗扭性能顯著，具有固有的獨(dú)特穩(wěn)定性和抗屈曲能力。
GROVE和TADANO采用大圓弧六邊形截面，根據(jù)需要，腹板上設(shè)計(jì)橫向和縱向加強(qiáng)筋，提高腹板的抗屈曲能力。KATO采用四邊形截面，也采用加筋解決腹板的抗屈曲能力，大圓弧六邊形截面在國(guó)內(nèi)己廣泛使用。
目前國(guó)內(nèi)僅徐工集團(tuán)徐州重型機(jī)械廠一家推出QAY130、QAY160、QAY200、QAY240、QAY300五種噸位單缸插銷式伸縮臂技術(shù)的全地面起重機(jī)，并采用進(jìn)口高強(qiáng)度鋼板，雙缸加雙繩排的伸縮機(jī)構(gòu)，在吊臂伸縮時(shí)，臂節(jié)之間有寬大的滑塊，保證了主臂的同心度，使重量和受力較好的傳遞，增大起重能力。獨(dú)特的吊臂對(duì)中裝置，使伸縮更方便，但國(guó)內(nèi)其它廠家目前還沒有使用這種截面形式。
輪式起重機(jī)的伸縮式吊臂是一個(gè)雙向壓彎構(gòu)件，除受有整體強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的約束外，主要受局部穩(wěn)定性約束，因此把伸縮臂制成為箱形截面是合理的。歸納起來，伸縮臂可以制成幾種典型箱形截面:矩形、梯形、倒置梯形、五邊形、六邊形、八邊形、大圓角矩形以及橢圓形截面等。目前，利勃海爾推出的橢圓形截面是全地面起重機(jī)針對(duì)不同機(jī)型，它所設(shè)計(jì)的截面形狀也有一定的差異。
4.研究的內(nèi)容及技術(shù)路線
汽車起重機(jī)由于具有動(dòng)作靈活、集成化程度高、功率大、穩(wěn)定性好、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛受到各工程的青睞。汽車起重機(jī)伸縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞直接影響整機(jī)的性能。因此汽車起重機(jī)的伸縮臂架設(shè)計(jì)技術(shù)被作為目前汽車起重機(jī)急需解決的主要關(guān)鍵技術(shù)之一。本課題針對(duì)某汽車起重機(jī)伸縮機(jī)構(gòu)的分析和研究，根據(jù)工作要求確定伸縮機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)方案，進(jìn)而采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和現(xiàn)代先進(jìn)的分析方法對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。課題成果具有一定的理論研究?jī)r(jià)值和實(shí)際運(yùn)用價(jià)值。
本文主要根據(jù)QAY50汽車起重機(jī)工作要求來確定伸縮機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)方案，進(jìn)而采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法對(duì)主臂的三鉸點(diǎn)、主臂的長(zhǎng)度、及每節(jié)臂的長(zhǎng)度、臂架的結(jié)構(gòu)、液壓缸尺寸進(jìn)行確定，通過傳統(tǒng)的力學(xué)對(duì)臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析。利用ANSYS對(duì)臂架進(jìn)行有限元分析。
5.工作的主要階段
1、閱讀相關(guān)文獻(xiàn)資料，了解伸縮臂結(jié)構(gòu)形式和臂架的伸縮原理為下一步打好基礎(chǔ)。
2、通過了解伸縮臂工作原理，分析比較順序伸縮、同步伸縮、獨(dú)立伸縮三種伸縮方式，確定合理的伸縮臂傳動(dòng)方案，進(jìn)而計(jì)算出伸縮臂各主要性能參數(shù)。
3、對(duì)通過計(jì)算得出的各伸縮臂性能參數(shù)進(jìn)行分析校核，確定是否合理。
4、利用軟件對(duì)臂架進(jìn)行有限元分析
5、根據(jù)最后確定的參數(shù)對(duì)伸縮臂進(jìn)行裝配。
6.工作進(jìn)度和實(shí)現(xiàn)目標(biāo)
2009.12.5～2009.1.19 整理收集資料，明確課題任務(wù)，完成開題報(bào)告（含文獻(xiàn)綜述），外文翻譯；
2010.3.1～2009.4.1 畢業(yè)實(shí)習(xí)、寫實(shí)習(xí)報(bào)告；
2010.4.1～2009.5.31 完成畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）正文：即設(shè)計(jì)計(jì)算，建模編程，調(diào)試程序，繪圖，編寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書、論文或完成論文結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和撰寫論文，提交初稿及修改論文，包括：論文提綱、理論分析及計(jì)算等；
2010.5.31～2009.6.6 整理設(shè)計(jì)（論文）資料，完善并提交設(shè)計(jì)（論文）成果。
7.小結(jié)
通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，希望能基本上掌握了汽車起重機(jī)的結(jié)構(gòu)，及其主要的工作原理，并且通過查閱資料和圖紙，鍛煉了自己繪圖以及識(shí)圖的能力。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，在查閱資料之后，首先確定起重機(jī)伸縮臂的傳動(dòng)方案和臂架的截面，然后對(duì)起重機(jī)主臂所需要設(shè)計(jì)的部分進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算得出了三鉸點(diǎn)的位置數(shù)值，各節(jié)臂的長(zhǎng)度值，液壓缸的主要尺寸；并參照QAY50汽車起重機(jī)的資料，選取截面形狀及尺寸。在上述數(shù)值確定之后，根據(jù)配合關(guān)系進(jìn)行裝配，在經(jīng)過裝配之后發(fā)現(xiàn)，很多地方出現(xiàn)干涉，從而可以看到，實(shí)際設(shè)計(jì)和裝配整機(jī)，還有著一定距離。
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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題目 汽車起重機(jī)伸縮臂系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 目 錄 前言 1 摘要 2 1 緒論 .2 1.1 國(guó)內(nèi)外汽車起重機(jī)發(fā)展概況及趨勢(shì) .2 1.2 伸縮臂結(jié)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀 .4 1.3 伸縮臂機(jī)構(gòu)形式介紹 .6 1.4 本課題內(nèi)容及重要意義 .7 2 QAY50 汽車起重機(jī)主要技術(shù)參數(shù)和工作級(jí)別 .7 2.1 QAY50 起重機(jī)主要技術(shù)參數(shù) .7 2.2 QAY50 汽車起重機(jī)的工作級(jí)別 .9 3 伸縮臂傳動(dòng)方案和臂架截面的確定 .12 3.1 伸縮臂傳動(dòng)方案的確定 .12 3.2 伸縮臂架截面的確定 .14 4 伸縮臂設(shè)計(jì)計(jì)算 .17 4.1 起重機(jī)伸縮臂尺寸的確定 .17 4.2 臂架伸縮液壓缸的計(jì)算及選擇 .22 4.3 伸縮臂受力計(jì)算 .25 5 伸縮臂有限元分析 .31 5.1 伸縮吊臂有限元模型建立 .32 5.2 計(jì)算結(jié)果與分析 .34 總結(jié) .37 致謝 .38 參考文獻(xiàn) .39 1 汽車起重機(jī)伸縮臂系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要：臂架是起重機(jī)的主要承載構(gòu)件。起重機(jī)通過臂架直接吊載，實(shí)現(xiàn)大的作業(yè)高度 與幅度。臂架的強(qiáng)度決定了最大起重量時(shí)整機(jī)起重性能，其自重直接影響整機(jī)傾覆穩(wěn)定 性，因而臂架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，將直接影響整機(jī)的性能，如整機(jī)重量、整機(jī)重心高度和 整機(jī)穩(wěn)定性等。所以要在保證臂架安全工作的條件下盡量減輕臂架的重量，這對(duì)提高整 機(jī)質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。本文主要根據(jù) QAY50 噸汽車起重機(jī)工作要求來確 定伸縮機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)方案，進(jìn)而采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法對(duì)主臂的三鉸點(diǎn)、主臂的長(zhǎng)度、 及每節(jié)臂的長(zhǎng)度、臂架的結(jié)構(gòu)、液壓缸尺寸進(jìn)行確定，對(duì)臂架進(jìn)行受力分析，利用有限 元對(duì)臂架進(jìn)行分析。 關(guān)鍵詞：伸縮臂；液壓缸；臂架結(jié)構(gòu)，有限元分析 Design of truck crane Telescopic boom system Abstract：Boom is the main host of crane components. Directly through the jib crane hanging load, to achieve great height and range operations. Arm strength determines the maximum time from the weight lifting machine performance, its weight directly affect the machine overturning stability, structural design and therefore merits of boom, will directly affect the overall performance, such as the weight of the whole machine center of gravity height and machine stability. Thus, to ensure safe working conditions of boom to minimize the weight of boom, which improves overall quality and economy of great practical significance. Mainly based on XCMG truck crane 50 tons of requests to determine the structure and transmission expansion program, and then using the traditional design method is the main arm of the three nodes, the main arm length, arm length, and each section, Boom structure, determine the size of hydraulic cylinders. Keywords：Telescopic boom; hydraulic cylinder; Structure of boom ；ansys 2 前言 近年來，隨著社會(huì)的發(fā)展，社會(huì)生活中對(duì)起重機(jī)的需求越來越大，但是，與國(guó)外汽 車起重機(jī)相比，國(guó)外汽車起重機(jī)技術(shù)得到了飛速發(fā)展，所以國(guó)內(nèi)起重機(jī)的研發(fā)越來越緊 迫。然而對(duì)于汽車起重機(jī)整機(jī)而言，汽車起重機(jī)伸縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞直接影響整機(jī)的性 能。因此汽車起重機(jī)的伸縮臂架設(shè)計(jì)技術(shù)被作為目前汽車起重機(jī)急需解決的主要關(guān)鍵技 術(shù)之一。本課題針對(duì)徐工 50t 汽車起重機(jī)伸縮機(jī)構(gòu)的分析和研究，從而改進(jìn)汽車起重機(jī) 的整機(jī)性能，降低成本，同時(shí)提高了起重機(jī)的作業(yè)能力及使用經(jīng)濟(jì)性。目前伸縮臂機(jī)構(gòu) 有兩種形式，繩排系統(tǒng)和單缸插銷式。繩排系統(tǒng)在中國(guó)已經(jīng)應(yīng)用的比較成熟，也是一種 歷史比較悠久的技術(shù)。此技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是臂長(zhǎng)變化容易、工作臂長(zhǎng)種類多、可以帶載伸縮、 實(shí)用性很強(qiáng)，缺點(diǎn)是自重重、對(duì)整機(jī)穩(wěn)定性的影響較大。而單缸插銷式伸縮臂技術(shù)是典 型的機(jī)、電、液一體化系統(tǒng).而本課題的汽車起重機(jī)伸縮臂采用的是雙缸雙繩排系統(tǒng)， 槽形截面，通過傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法對(duì)主臂的三鉸點(diǎn)、主臂的長(zhǎng)度、及每節(jié)臂的長(zhǎng)度、液壓 缸尺寸進(jìn)行確定，對(duì)臂架進(jìn)行受力分析，利用有限元對(duì)臂架進(jìn)行分析。 1 緒論 1.1 國(guó)內(nèi)外汽車起重機(jī)發(fā)展概況及趨勢(shì) 1.1.1 國(guó)內(nèi)汽車起重機(jī)發(fā)展概況及趨勢(shì) 中國(guó)的汽車式起重機(jī)誕生于上世紀(jì)的 10 年代，經(jīng)過了近 30 年的發(fā)展，期間有過 3 次主要的技術(shù)改進(jìn)，分別為 70 年代引進(jìn)蘇聯(lián)的技術(shù)，80 年代引進(jìn)日本的技術(shù)，90 年代 引進(jìn)德國(guó)的技術(shù)。但是總體來說，中國(guó)的汽車式起重機(jī)產(chǎn)業(yè)始終走著自主創(chuàng)新的道路， 有著自己清晰的發(fā)展脈絡(luò)，尤其是進(jìn)幾年，中國(guó)的汽車式起重機(jī)產(chǎn)業(yè)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展， 雖然與國(guó)外相比還有一定的差距，但是這個(gè)差距正在逐漸的縮小。而且我國(guó)目前在中小 噸位的汽車式起重機(jī)的性能已經(jīng)完好，能夠滿足現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)的要求。在不久的將來，我國(guó) 的汽車式起重機(jī)行業(yè)一定會(huì)發(fā)展成為一個(gè)發(fā)展穩(wěn)定，市場(chǎng)化程度高的成熟產(chǎn)業(yè)。 許多專家認(rèn)為，高速發(fā)展的市場(chǎng)，是中國(guó)汽車式起重機(jī)產(chǎn)業(yè)各個(gè)廠商有利的技術(shù)創(chuàng) 新基礎(chǔ)和環(huán)境。近幾年，中國(guó)汽車式起重機(jī)產(chǎn)業(yè)除了一家較小的公司與日本起重機(jī)品牌 廠家合資以外，其余廠家一直在追趕國(guó)外先進(jìn)水平的進(jìn)程中，一直堅(jiān)持自主的技術(shù)創(chuàng)新 道路，基本上沒有整體引進(jìn)國(guó)外技術(shù)的做法，也使的中國(guó)汽車式起重機(jī)產(chǎn)業(yè)在達(dá)到和接 近國(guó)際先進(jìn)水平的同時(shí)，在產(chǎn)品技術(shù)上有明顯的中國(guó)特質(zhì)。 中國(guó)汽車式起重機(jī)已經(jīng)大量使用 PLC 可編程集成控制技術(shù)，帶有總線接口的液壓閥 塊，液壓馬達(dá)，油泵等控制和執(zhí)行元件已較為成熟，液壓和電器已實(shí)現(xiàn)了緊密的結(jié)合。 3 可通過軟件實(shí)現(xiàn)控制性能的調(diào)整，大幅度簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)，減少液壓元件，提高系統(tǒng)的穩(wěn) 定性，具備了實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)診斷，遠(yuǎn)程控制的能力。 當(dāng)前我國(guó)新一代汽車起重機(jī)產(chǎn)品，起重作業(yè)的操作方式，大面積應(yīng)用先導(dǎo)比例控 制，具有良好的微調(diào)性能和精控性能，操作力小，不易疲勞。通過先導(dǎo)比例手柄實(shí)現(xiàn)比 例輸送多種負(fù)荷的無級(jí)調(diào)速，有效防止起重作業(yè)時(shí)的二次下滑現(xiàn)象，極大的提高了起重 作業(yè)的安全性、可靠性和作業(yè)效率。 部分大型汽車式起重機(jī)還在伸縮臂上使用了單缸插銷的伸縮技術(shù)，通過液壓銷作用， 以單個(gè)液壓油缸可完成多節(jié)伸臂的運(yùn)動(dòng)，并達(dá)到各種工況的程度控制和自動(dòng)伸縮，改變 了以往能不油缸加內(nèi)部繩排的作業(yè)方式，使起重機(jī)相對(duì)更輕，拓展了起重機(jī)向更高工作 高度發(fā)展的空間。 在走向國(guó)際市場(chǎng)的過程中，我國(guó)汽車式起重機(jī)產(chǎn)業(yè)近幾年品質(zhì)水平的快速提高，也 得到了國(guó)際擁護(hù)的高度肯定，由于產(chǎn)品使用規(guī)范，用戶的專業(yè)素質(zhì)較高，出口產(chǎn)品的質(zhì) 量反饋比在過內(nèi)有了明顯的減少，產(chǎn)品反映較好。這都為中國(guó)汽車式起重機(jī)行業(yè)的發(fā)展 打下了良好的基礎(chǔ)。 1.1.2 國(guó)外汽車起重機(jī)發(fā)展概況及趨勢(shì) 目前世界上約有百余家企業(yè)生產(chǎn)汽車起重機(jī)，但著名的也就右十余家，如美國(guó)的格 魯夫、德國(guó)的利勃海爾、徳馬克、日本加藤、多田野等。生產(chǎn)的汽車起重機(jī)品種有數(shù)百 種，90 年代以來，生產(chǎn)，銷售各種噸位的起重機(jī)萬余臺(tái)。 汽車起重機(jī)的市場(chǎng)主要集中在東亞、北美和歐洲。東亞約占銷售量的 40%，北美和 歐洲各約占 20%。國(guó)外汽車起重機(jī)發(fā)展的主要特點(diǎn)可以歸納為：多品種生產(chǎn)，標(biāo)準(zhǔn)化程 度高和一機(jī)多用。 目前，世界汽車起重機(jī)的生產(chǎn)，從技術(shù)上講，德國(guó)利勃海爾公司略占優(yōu)勢(shì)，但從企 業(yè)規(guī)模上講，美國(guó)格魯公司居世界首位。而生產(chǎn)量則是日本的多田野和藤加最多。市場(chǎng) 總的趨勢(shì)式供大于求，面對(duì)激烈競(jìng)爭(zhēng)，國(guó)外各大公司除了紛紛增加投資、擴(kuò)大生產(chǎn)、提 高自身的競(jìng)爭(zhēng)能力外，還通過聯(lián)合或兼并來提高在國(guó)際市場(chǎng)的份額。如 1984 年，美國(guó) 格魯夫公司收購(gòu)了英國(guó)老牌企業(yè)科爾斯公司。1987 年，德國(guó)克虜伯公司收購(gòu)了格的瓦 爾德公司，稱為當(dāng)時(shí)德國(guó)最大的起重機(jī)公司，但該公司 1995 年又被美國(guó)格魯夫公司收 購(gòu)。1990 年，日本多田野兼并了德國(guó)法恩公司等。 在起重機(jī)行業(yè)內(nèi)，國(guó)外的大型汽車起重機(jī)的發(fā)展比我國(guó)迅速，在技術(shù)和運(yùn)用上已相 4 當(dāng)成熟，目前國(guó)際市場(chǎng)對(duì)汽車起重機(jī)的需求在不斷增加，從而使國(guó)外各大汽車式起重機(jī) 制企業(yè)在生產(chǎn)中更多的應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)，機(jī)械自動(dòng)化和自動(dòng)化設(shè)備，這對(duì)起重機(jī)行業(yè)的發(fā) 展造成了很大的影響。目前國(guó)外的起重機(jī)企業(yè)主要是生產(chǎn)大噸位的起重機(jī)，而且有完善 的設(shè)計(jì)體系，和一批先進(jìn)的研發(fā)人員，不斷的進(jìn)行創(chuàng)新和完善。國(guó)外的制造企業(yè)現(xiàn)在已 經(jīng)達(dá)到規(guī)?；纳a(chǎn)，技術(shù)含量比較高，而且液壓技術(shù)和電子技術(shù)在汽車起重機(jī)的設(shè)計(jì) 中也已廣泛的應(yīng)用，很多企業(yè)的品牌在用戶的心中已經(jīng)打上了堅(jiān)實(shí)的烙印，這也使的國(guó) 外起重機(jī)的繼續(xù)發(fā)展占有了更大的優(yōu)勢(shì)。 1.2 伸縮臂結(jié)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀 伸縮臂作為輪式起重機(jī)的主要受力構(gòu)件，其重量一般占整機(jī)的 13%20%，而其在大 型起重機(jī)的重量中所占的比例則更大。因此，伸縮臂的性能對(duì)大噸位輪式起重機(jī)在大幅 度、高起升高度情況下性能的影響至關(guān)重要，而伸縮臂的關(guān)鍵技術(shù)在于伸縮機(jī)構(gòu)的形式 和臂架截面形式。 目前我國(guó)生產(chǎn)的輪式起重機(jī)以中、小噸位為主，普遍采用伸縮油缸加繩排的伸縮機(jī) 構(gòu)的形式，只是在細(xì)節(jié)上各具特點(diǎn)。該伸縮機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是最末一、二節(jié)伸縮臂采用鋼絲 繩伸縮，其它伸縮臂用油缸伸縮，因而最末節(jié)伸縮臂的截面變化較大，大大降低了起重 機(jī)在大幅度下的起重性能。同時(shí)采用該形式的起重機(jī)在五節(jié)以上伸縮臂應(yīng)用時(shí)難度較大。 西方發(fā)達(dá)國(guó)家生產(chǎn) 50 噸以上的中、大噸位輪式起重機(jī)時(shí)，普遍采用單缸插銷形式的伸 縮機(jī)構(gòu)。該形式伸縮機(jī)構(gòu)的采用大幅度提高了起重機(jī)的起重性能。 從 BaChina2007 年博覽會(huì)上可以看出，橢圓形伸縮臂、單缸插銷式伸縮機(jī)構(gòu)、自 動(dòng)伸縮臂系統(tǒng)構(gòu)成了以德國(guó)利勃海爾(UEBHERR)代表的西方先進(jìn)伸縮臂技術(shù)的核心，代 表當(dāng)前世界最高水平，是輪式起重機(jī)伸縮臂技術(shù)的發(fā)展方向。LTM1300 起重臂的截面也 采用了橢圓形截面，其截面上彎板為大圓弧槽形板，下彎板為橢圓形槽形板，且由下向 上收縮，其重量?jī)?yōu)化，抗扭性能顯著，具有固有的獨(dú)特穩(wěn)定性和抗屈曲能力。 GROVE 和 TADANO 采用大圓弧六邊形截面，根據(jù)需要，腹板上設(shè)計(jì)橫向和縱向加強(qiáng) 筋，提高腹板的抗屈曲能力。KATO 采用四邊形截面，也采用加筋解決腹板的抗屈曲能 力，大圓弧六邊形截面在國(guó)內(nèi)己廣泛使用。 目前國(guó)內(nèi)僅徐工集團(tuán)徐州重型機(jī)械廠一家推出 QAY130、QAY160、QAY200、QAY240、QAY300 五種噸位單缸插銷式伸縮臂技術(shù)的全地面 起重機(jī)，并采用進(jìn)口高強(qiáng)度鋼板，雙缸加雙繩排的伸縮機(jī)構(gòu)，在吊臂伸縮時(shí)，臂節(jié)之間 有寬大的滑塊，保證了主臂的同心度，使重量和受力較好的傳遞，增大起重能力。獨(dú)特 的吊臂對(duì)中裝置，使伸縮更方便，但國(guó)內(nèi)其它廠家目前還沒有使用這種截面形式。 5 高強(qiáng)度鋼四板拼焊，腹板 薄，制有大量密集重孔， 孔邊鑲固，孔之間加筋， 自重輕，承載力大，垂直 方向及側(cè)向繞度小 輪式起重機(jī)的伸縮式吊臂是一個(gè)雙向壓彎構(gòu)件，除受有整體強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的 約束外，主要受局部穩(wěn)定性約束，因此把伸縮臂制成為箱形截面是合理的。歸納起來， 伸縮臂可以制成幾種典型箱形截面:矩形、梯形、倒置梯形、五邊形、六邊形、八邊形、 大圓角矩形以及橢圓形截面等。目前，利勃海爾推出的橢圓形截面是全地面起重機(jī)針對(duì) 不同機(jī)型，它所設(shè)計(jì)的截面形狀也有一定的差異。表 1.2 列舉了國(guó)外一些主要的起重機(jī) 制造廠商所選用的吊臂截面形狀。 表 1.2 國(guó)外主要起重機(jī)制造廠商選用的吊臂截面形式及特點(diǎn) 公司 截面形式 截面特點(diǎn) Grove F.M.C Gottwald c=700Mpa 調(diào)制合金鋼， 八角形壓型后焊接 P.P.M 五邊形， “V”型底部 突緣，重量輕而堅(jiān)固， 受壓穩(wěn)定性好，側(cè)向 移動(dòng)小 KATO 1=700Mpa，高強(qiáng)鋼， 焊接工藝先進(jìn) Liebherr 兩塊不同厚度板壓制 成大圓角槽形，在中 線拼焊，受力合理 高強(qiáng)鋼四角鋼加固， 側(cè)板較薄，大強(qiáng)度/重 量比，吊臂垂直于側(cè) 向繞度較小 6 1.3 伸縮臂機(jī)構(gòu)形式介紹 1.3.1 繩排系統(tǒng) 繩排系統(tǒng)在中國(guó)已經(jīng)應(yīng)用的比較成熟，也是一種歷史比較悠久的技術(shù)。此技術(shù)的 優(yōu)點(diǎn)是臂長(zhǎng)變化容易、工作臂長(zhǎng)種類多、可以帶載伸縮、實(shí)用性很強(qiáng)，缺點(diǎn)是自重重、 對(duì)整機(jī)穩(wěn)定性的影響較大。現(xiàn)在在 100 噸以下的起重機(jī)上應(yīng)用的比較廣泛，其原理如圖， 就是簡(jiǎn)單的滑輪原理。對(duì)于四節(jié)臂以上起重臂的伸縮機(jī)構(gòu)又分為以下兩種：多缸或多級(jí) 缸加一級(jí)繩排、單缸或多缸加兩級(jí)繩排。DEMAG 和 TADANO 部分產(chǎn)品采用第一種伸縮機(jī) 構(gòu)，這種伸縮機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是最末一節(jié)伸縮臂采用鋼絲繩伸縮，其它伸縮臂采用多級(jí)缸或 多個(gè)單級(jí)缸或多級(jí)缸和單級(jí)缸套用等方式直接用液壓缸伸縮。因而最末伸縮臂的截面變 化較大，其它臂節(jié)截面的變化較小。在過去，徐重、浦沅、長(zhǎng)起跟隨 LIEBHERR 技術(shù)多 年，普遍使用第二種伸縮機(jī)構(gòu)，使用單缸或雙缸加繩排實(shí)現(xiàn)四節(jié)或五節(jié)臂的伸縮。這種 伸縮方式在國(guó)內(nèi)最先進(jìn)，但解決五節(jié)臂以上起重臂的伸縮難度很大。北起、泰起、錦重 等廠家采用第一種伸縮機(jī)構(gòu)（多個(gè)單級(jí)缸加一級(jí)繩排） ，但由于技術(shù)落后，第二缸、第 三缸的進(jìn)回油依靠軟管卷筒輸送?，F(xiàn)在，大多數(shù) 5 節(jié)臂的起重機(jī)使用的是雙缸雙繩排的 技術(shù)，一般為第 2 節(jié)臂獨(dú)立伸縮，第 3.4.5 節(jié)臂同步伸縮；4 節(jié)臂的一般單缸雙繩排為 2.3.4 節(jié)同步伸縮。其局限性在于最末一、二節(jié)伸縮臂采用鋼絲繩伸縮，其它伸縮臂用 油缸伸縮，因而最末伸縮臂的截面變化較大，大大降低了起重機(jī)在大幅度下的起重性能； 同時(shí)，對(duì)于大噸位的起重機(jī)，對(duì)鋼絲繩的要求也非常高，符合要求鋼絲繩非常難加工。 雖然有些日本企業(yè)有將繩排技術(shù)發(fā)展到 6 節(jié)甚至更多，但是對(duì)于中大噸位起重機(jī)，一般 企業(yè)還是優(yōu)先考慮單缸插銷技術(shù)。 1.3.2 單缸插銷系統(tǒng) 單缸插銷式伸縮臂技術(shù)是典型的機(jī)、電、液一體化系統(tǒng).以較典型的德國(guó)利勃海爾 為例，作為伸縮臂伸縮的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要由（見圖）1伸縮缸、2拔銷機(jī)構(gòu)、3缸 銷等組成，為保證伸縮臂伸縮過程的安全性、可靠性，該機(jī)構(gòu)采用內(nèi)置式互鎖系統(tǒng)即在 伸縮油缸上裝的彈簧驅(qū)動(dòng)缸銷銷定伸縮臂后，才機(jī)械釋放該節(jié)臂和其他節(jié)臂的連接。該 方式確保某一節(jié)伸縮臂和伸縮油缸互相鎖定后才能釋放該節(jié)臂和其它節(jié)臂的聯(lián)接。利勃 海爾將拔銷裝置置于伸縮機(jī)構(gòu)上方，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，自鎖性強(qiáng)，便于實(shí)現(xiàn)；格魯夫 GROVE、德馬格（DEMAG） 、多田野（TADANO 材料許用應(yīng)力。 剛度條件 fDEFLM 式中 DEFLM 變幅平面內(nèi)最大位移; f 變幅平面內(nèi)允許最大位移。 5.2 計(jì)算結(jié)果與分析 結(jié)論:此 U 形臂采用的截面尺寸完全符合技術(shù)要求,能夠完成工作任務(wù)最大額 定起重量 50 噸,最大起升高度 38.5m.強(qiáng)度和剛度完全符合要求,采用結(jié)構(gòu)合金鋼. 圖 4-2 旋轉(zhuǎn)平面邊界條件示意圖 35 圖 4-3 旋轉(zhuǎn)平面位移圖 可見旋轉(zhuǎn)平面最大撓度為 67.2mm 圖 4-4 變幅平面邊界條件示意圖 36 圖 4-5 變幅平面位移圖 可見變幅平面最大撓度為 780.3mm 圖 4-6 變幅平面 VON MISE 應(yīng)力圖 37 可見變幅平面最大應(yīng)力為 541.5MPa（其 為 885mpa）H 38 總結(jié) 通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，基本上掌握了汽車起重機(jī)的結(jié)構(gòu)，及其主要的工作原理，并且 通過查閱資料和圖紙，鍛煉了自己繪圖以及識(shí)圖的能力。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，在查閱資 料之后，首先確定起重機(jī)伸縮臂的傳動(dòng)方案和臂架的截面，然后對(duì)起重機(jī)主臂所需要設(shè) 計(jì)的部分進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算得出了三鉸點(diǎn)的位置數(shù)值，各節(jié)臂的長(zhǎng)度值，液壓缸的主要尺 寸；并參照 QAY50 汽車起重機(jī)的資料，選取截面形狀及尺寸。在上述數(shù)值確定之后，根 據(jù)配合關(guān)系進(jìn)行裝配，在經(jīng)過裝配之后發(fā)現(xiàn)，很多地方出現(xiàn)干涉，從而可以看到，實(shí)際 設(shè)計(jì)和裝配整機(jī)，還有著一定距離。 39 參 考 文 獻(xiàn) 1張志文.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè).北京：中國(guó)鐵道出版社，1997. 2顧迪民.工程起重機(jī).哈爾濱：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1988. 3孔云鵬.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì).沈陽：東北大學(xué)出版社，2000. 5徐格寧 起重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997 6 章宏甲，黃宜，王積偉主編.液壓與氣壓傳動(dòng).機(jī)械工業(yè)出版社.2005.5 7 蔡福海. 全地面起重機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù)探討. 工程機(jī)械與維修. 2006.09 8 李震. 中大噸位汽車起重機(jī)的伸縮機(jī)構(gòu). 建筑機(jī)械. 2005.04 9 周衛(wèi). 液壓汽車起重機(jī)吊臂同步伸縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì). 工程機(jī)械. 1987.12 10 王強(qiáng)華.一種新型四節(jié)臂同步伸縮機(jī)構(gòu). 工程機(jī)械. 1991.11 11 楊又林. 起重臂用撓性伸縮機(jī)構(gòu). 起重運(yùn)輸機(jī)械. 1985.07 12 雷天覺.液壓傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè).機(jī)械工業(yè)出版社.1988 13 官忠范.液壓傳動(dòng)系統(tǒng).機(jī)械工業(yè)出版社.1997 14 呂維鎮(zhèn). 伸縮臂式鐵路救援起重機(jī)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)型式的研究. 鐵道貨運(yùn). 1994.01 15 李玉琳. 液壓元件與系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京航空航天大學(xué)出版社,1991 16 張魁元. 汽車起重機(jī)伸縮機(jī)構(gòu)的維修. 工程機(jī)械與維修. 2005.07 17 吳承彪. 汽車起重機(jī)吊臂伸縮機(jī)構(gòu)故障的探討. 工程機(jī)械與維修. 1998.06 18 吳承彪. 汽車起重機(jī)臂架機(jī)構(gòu)故障的維修. 起重運(yùn)輸機(jī)械. 1999.02 19 劉永國(guó). 汽車起重機(jī)伸縮臂回縮抖動(dòng)分析. 工程機(jī)械. 1991.11 20 郝振鐸. 大型伸縮臂式汽車起重機(jī)變幅鉸點(diǎn)的選取. 工程機(jī)械. 1985.01 21 郭耀松. 起重機(jī)吊臂結(jié)構(gòu)的有限元分析. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程. 2009.07 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
附 錄
外文文獻(xiàn)原文：
The Introduction of cranes
A crane is defined as a mechanism for lifting and lowering loads with a hoisting mechanism Shapiro, 1991. Cranes are the most useful and versatile piece of equipment on a vast majority of construction projects. They vary widely in configuration, capacity, mode of operation, intensity of utilization and cost. On a large project, a contractor may have an assortment of cranes for different purposes. Small mobile hydraulic cranes may be used for unloading materials from trucks and for small concrete placement operations, while larger crawler and tower cranes may be used for the erection and removal of forms, the installation of steel reinforcement, the placement of concrete, and the erection of structural steel and precast concrete beams.
On many construction sites a crane is needed to lift loads such as concrete skips, reinforcement, and formwork. As the lifting needs of the construction industry have increased and diversified, a large number of general and special purpose cranes have been designed and manufactured. These cranes fall into two categories, those employed in industry and those employed in construction. The most common types of cranes used in construction are mobile, tower, and derrick cranes.
1. Mobile cranes
A mobile crane is a crane capable of moving under its own power without being restricted to predetermined travel. Mobility is provided by mounting or integrating the crane with trucks or all terrain carriers or rough terrain carriers or by providing crawlers. Truck-mounted cranes have the advantage of being able to move under their own power to the construction site. Additionally, mobile cranes can move about the site, and are often able to do the work of several stationary units.
Mobile cranes are used for loading, mounting, carrying large loads and for work performed in the presence of obstacles of various kinds such as power lines and similar technological installations. The essential difficulty is here the swinging of the payload which occurs during working motion and also after the work is completed. This applies particularly to the slewing motion of the crane chassis, for which relatively large angular accelerations and negative accelerations of the chassis are characteristic. Inertia forces together with the centrifugal force and the Carioles force cause the payload to swing as a spherical pendulum. Proper control of the slewing motion of the crane serving to transport a payload to the defined point with simultaneous minimization of the swings when the working motion is finished plays an important role in the model.
Modern mobile cranes include the drive and the control systems. Control systems send the feedback signals from the mechanical structure to the drive systems. In general, they are closed chain mechanisms with flexible members [1].
Rotation, load and boom hoisting are fundamental motions the mobile crane. During transfer of the load as well as at the end of the motion process, the motor drive forces, the structure inertia forces, the wind forces and the load inertia forces can result in substantial, undesired oscillations in crane. The structure inertia forces and the load inertia forces can be evaluated with numerical methods, such as the finite element method. However, the drive forces are difficult to describe. During start-up and breaking the output forces of the drive system significantly fluctuate. To reduce the speed variations during start-up and braking the controlled motor must produce torque other than constant [2,3], which in turn affects the performance of the crane.
Modern mobile cranes that have been built till today have oft a maximal lifting capacity of 3000 tons and incorporate long booms. Crane structure and drive system must be safe, functionary and as light as possible. For economic and time reasons it is impossible to build prototypes for great cranes. Therefore, it is desirable to determinate the crane dynamic responses with the theoretical calculation.
Several published articles on the dynamic responses of mobile crane are available in the open literature. In the mid-seventies Peeken et al. [4] have studied the dynamic forces of a mobile crane during rotation of the boom, using very few degrees of freedom for the dynamic equations and very simply spring-mass system for the crane structure. Later Maczynski et al. [5] studied the load swing of a mobile crane with a four mass-model for the crane structure. Posiadala et al. [6] have researched the lifted load motion with consideration for the change of rotating, booming and load hoisting. However, only the kinematics were studied. Later the influence of the flexibility of the support system on the load motion was investigated by the same author [7]. Recently, Kilicaslan et al. [1] have studied the characteristics of a mobile crane using a flexible multibody dynamics approach. Towarek [16] has concentrated the influence of flexible soil foundation on the dynamic stability of the boom crane. The drive forces, however, in all of those studies were presented by using so called the method of ‘‘kinematics forcing’’ [6] with assumed velocities or accelerations. In practice this assumption could not comply with the motion during start-up and braking.
A detailed and accurate model of a mobile crane can be achieved with the finite element method. Using non-linear finite element theory Gunthner and Kleeberger [9] studied the dynamic responses of lattice mobile cranes. About 2754 beam elements and 80 truss elements were used for modeling of the lattice-boom structure. On this basis a efficient software for mobile crane calculation––NODYA has been developed. However, the influences of the drive systems must be determined by measuring on hoisting of the load [10], or rotating of the crane [11]. This is neither efficient nor convenient for computer simulation of arbitrary crane motions.
Studies on the problem of control for the dynamic response of rotary crane are also available. Sato et al. [14], derived a control law so that the transfer a load to a desired position will take place that at the end of the transfer of the swing of the load decays as soon as possible. Gustafsson [15] described a feedback control system for a rotary crane to move a cargo without oscillations and correctly align the cargo at the final position. However, only rigid bodies and elastic joint between the boom and the jib in those studies were considered. The dynamic response of the crane, for this reason, will be global.
To improve this situation, a new method for dynamic calculation of mobile cranes will be presented in this paper. In this method, the flexible multibody model of the steel structure will be coupled with the model of the drive systems. In that way the elastic deformation, the rigid body motion of the structure and the dynamic behavior of the drive system can be determined with one integrated model. In this paper this method will be called ‘‘complete dynamic calculation for driven “mechanism”.
On the basis of flexible multibody theory and the Lagrangian equations, the system equations for complete dynamic calculation will be established. The drive- and control system will be described as differential equations. The complete system leads to a non-linear system of differential equations. The calculation method has been realized for a hydraulic mobile crane. In addition to the structural elements, the mathematical modeling of hydraulic drive- and control systems is decried. The simulations of crane rotations for arbitrary working conditions will be carried out. As result, a more exact representation of dynamic behavior not only for the crane structure, but also for the drive system will be achieved. Based on the results of these simulations the influences of the accelerations, velocities during start-up and braking of crane motions will be discussed.
2. Tower cranes
The tower crane is a crane with a fixed vertical mast that is topped by a rotating boom and equipped with a winch for hoisting and lowering loads (Dickie, 990). Tower cranes are designed for situations which require operation in congested areas. Congestion may arise from the nature of the site or from the nature of the construction project. There is no limitation to the height of a high-rise building that can be constructed with a tower crane. The very high line speeds, up to 304.8 mrmin, available with some models yield good production rates at any height. They provide a considerable horizontal working radius, yet require a small work space on the ground (Chalabi, 1989). Some machines can also operate in winds of up to 72.4 km/h, which is far above mobile crane wind limits.
The tower cranes are more economical only for longer term construction operations and higher lifting frequencies. This is because of the fairly extensive planning needed for installation, together with the transportation, erection and dismantling costs.
3. Derrick cranes
A derrick is a device for raising, lowering, and/or moving loads laterally. The simplest form of the derrick is called a Chicago boom and is usually installed by being mounted to building columns or frames during or after construction (Shapiro and Shapiro, 1991).This derrick arrangement. (i.e., Chicago boom) becomes a guy derrick when it is mounted to a mast and a stiff leg derrick when it is fixed to a frame.
The selection of cranes is a central element of the life cycle of the project. Cranes must be selected to satisfy the requirements of the job. An appropriately selected crane contributes to the efficiency, timeliness, and profitability of the project. If the correct crane selection and configuration is not made, cost and safety implications might be created (Hanna, 1994). Decision to select a particular crane depends on many input parameters such as site conditions, cost, safety, and their variability. Many of these parameters are qualitative, and subjective judgments implicit in these terms cannot be directly incorporated into the classical decision making process. One way of selecting crane is achieved using fuzzy logic approach.
Cranes are not merely the largest, the most conspicuous, and the most representative equipment of construction sites but also, at various stages of the project, a real “bottleneck” that slows the pace of the construction process. Although the crane can be found standing idle in many instances, yet once it is involved in a particular task ,it becomes an indispensable link in the activity chain, forcing at least two crews(in the loading and the unloading zones) to wait for the service. As analyzed in previous publications [6-8] it is feasible to automate (or, rather, semi-automate) crane navigation in order to achieve higher productivity, better economy, and safe operation. It is necessary to focus on the technical aspects of the conversion of existing crane into large semi-automatic manipulators. By mainly external devices mounted on the crane, it becomes capable of learning, memorizing, and autonomously navigation to reprogrammed targets or through prêt aught paths.
The following sections describe various facets of crane automation:
First, the necessary components and their technical characteristics are reviewed, along with some selection criteria. These are followed by installation and integration of the new components into an existing crane. Next, the Man –Machine –Interface (MMI) is presented with the different modes of operation it provides. Finally, the highlights of a set of controlled tests are reported followed by conclusions and recommendations.
Manual versus automatic operation: The three major degrees of freedom of common tower cranes are illustrated in the picture. In some cases , the crane is mounted on tracks , which provide a fourth degree of freedom , while in other cases the tower is “telescope” or extendable , and /or the “jib” can be raised to a diagonal position. Since these additional degrees of freedom are not used routinely during normal operation but rather are fixed in a certain position for long periods (days or weeks), they are not included in the routine automatic mode of operation, although their position must be “known” to the control system.
外文文獻(xiàn)中文翻譯：
起重機(jī)介紹
起重機(jī)是用來舉升機(jī)構(gòu)、抬起或放下貨物的器械。在大多數(shù)的建設(shè)工程中，起重機(jī)是最有用、功能最多的器械。它們因結(jié)構(gòu)、容量、操作模式、使用強(qiáng)度和費(fèi)用的不同而不同。在一個(gè)大的工程項(xiàng)目上，一個(gè)承包商可以因?yàn)椴煌睦媚康亩褂枚喾N起重機(jī)。小的液壓移動(dòng)式起重機(jī)可以用來從卡車上卸下材料，處理小而具體的物體的安置，然而較大的爬式或塔式起重機(jī)可以用來豎立并移動(dòng)框架，安置加強(qiáng)的鋼鐵，放置混凝土，豎起鋼筋結(jié)構(gòu)和預(yù)制混凝土橫梁。
在一些建設(shè)地點(diǎn)，一臺(tái)起重機(jī)是用來提升重物的，例如：混凝土的裝料車、加強(qiáng)部分和模殼。隨著建筑行業(yè)的提升要求不斷增加并且變化多樣，大量的具有綜合的和特殊性能的起重機(jī)被設(shè)計(jì)和制造出來。這些起重機(jī)被分成兩類：工業(yè)用起重機(jī)和建筑用起重機(jī)。用于建筑業(yè)的最普通型式的起重機(jī)是移動(dòng)式、塔式和架式起重機(jī)。
1. 移動(dòng)式起重機(jī)
一臺(tái)移動(dòng)式起重機(jī)是一個(gè)不被局限于預(yù)先確定的軌道，在自身動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)下具有運(yùn)動(dòng)能力的起重機(jī)。將起重機(jī)與卡車，甚至所有地帶的運(yùn)輸工具甚至粗糙地帶的運(yùn)輸工具，更甚至借助于所提供的爬行工具，起重機(jī)的就有運(yùn)動(dòng)的可能。車載起重機(jī)具有在它們自己的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下能夠移動(dòng)至建筑地點(diǎn)中的任何地方的優(yōu)勢(shì)。此外，移動(dòng)式起重機(jī)可以在場(chǎng)所內(nèi)移動(dòng)，經(jīng)常能夠處理與提升一些靜止部件的工作。
移動(dòng)式起重機(jī)用來裝載、安裝、搬運(yùn)大負(fù)荷，也常用于在各種各樣的障礙中，例如：力量線和相似的科技安裝。在這兒必不可少的困難是當(dāng)工作過程中和工作完成之后有效載荷的擺動(dòng)，相關(guān)的大的角速度和底座的負(fù)的速度是其特有的。慣性力，伴著離心力和科里奧利力引起載物像一個(gè)球形鐘擺一樣旋轉(zhuǎn)。當(dāng)工作行為結(jié)束時(shí)，對(duì)同時(shí)用于將貨物輸送到限定地點(diǎn)的起重機(jī)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作進(jìn)行適當(dāng)?shù)南拗疲谀Ｐ椭衅鹬苤匾淖饔谩?
現(xiàn)代的移動(dòng)式起重機(jī)包括驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)把來自機(jī)械結(jié)構(gòu)的反饋信號(hào)傳送到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，大體上，它們是由柔性元件組成的閉鏈機(jī)械系。
旋轉(zhuǎn)、負(fù)荷和提升是移動(dòng)式起重機(jī)的基礎(chǔ)動(dòng)作，在傳送重物的過程中與運(yùn)作過程一樣，馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)力、結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力、風(fēng)力和貨物的內(nèi)力可以導(dǎo)致起重機(jī)產(chǎn)生一定的不希望得到的搖晃。結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力和貨物內(nèi)應(yīng)力可以用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行估價(jià)，例如有限元的方法。無論怎樣，驅(qū)動(dòng)力是很難描述的。在起動(dòng)和制動(dòng)的過程中，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的外力起伏變化很大。為了減小起動(dòng)和制動(dòng)中速度的變化，可控制的馬達(dá)必須產(chǎn)生可變化的力矩，來影響起重機(jī)的運(yùn)作。
現(xiàn)代的移動(dòng)式起重機(jī)直到今天還在鑄造，常常有3000噸的舉重能力，而且經(jīng)久不衰。起重機(jī)的結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)必須是安全、有效和盡量輕巧的。因?yàn)榻?jīng)濟(jì)和時(shí)間的原因，對(duì)于大的起重機(jī)不可能建造出其原型，所以，人們希望利用理論上的計(jì)算來確定起重機(jī)的電動(dòng)反應(yīng)。
在開放的文化中，一些反映移動(dòng)式起重機(jī)動(dòng)態(tài)影響的已發(fā)表文章是可以找到的。其中70歲的Peeken通過在動(dòng)態(tài)方程中利用很少的自由度，并在起重機(jī)結(jié)構(gòu)中利用非常簡(jiǎn)單的彈簧阻尼系統(tǒng)，研究了在懸臂旋轉(zhuǎn)中一臺(tái)移動(dòng)式起重機(jī)的動(dòng)態(tài)力學(xué)。之后，Maczynski研究了起重結(jié)構(gòu)上有四塊模型的移動(dòng)式起重機(jī)的載荷搖擺問題。Posiadala考慮到旋轉(zhuǎn)、裝載和載荷提升的變化而研究了被提升的載荷的運(yùn)動(dòng)。無論怎樣，只有運(yùn)動(dòng)學(xué)被研究了。稍后，相同的作家調(diào)查了在載荷運(yùn)行中的支持系統(tǒng)的彈性影響。最近，Kilicaslan利用柔性綜合動(dòng)態(tài)方法研究了移動(dòng)式起重機(jī)的特性。Towarek把研究彈性基壤的影響集中在懸臂式起重機(jī)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性上。在這些研究中，通過利用所謂帶有假定速度和加速度的運(yùn)動(dòng)力學(xué)的方法，驅(qū)動(dòng)力無論怎樣都有所出現(xiàn)。在實(shí)踐中，這種假想無法和運(yùn)行中的起動(dòng)和制動(dòng)相符合。
利用有限元的方法，一個(gè)詳細(xì)且正確的移動(dòng)式起重機(jī)的模型是可以實(shí)現(xiàn)的。利用非線性有限元理論，Gunthner 和 Kleeberger研究了移動(dòng)式起重機(jī)的動(dòng)態(tài)影響，在網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中，大約2754個(gè)光線元素和80個(gè)構(gòu)架元素被用到。在此基礎(chǔ)上，一個(gè)有效的關(guān)于移動(dòng)式起重機(jī)計(jì)算的有效軟件NODYA被發(fā)明出來。無論如何，通過衡量載荷的提升量或起重機(jī)的旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的影響必須要考慮到。這對(duì)于起重機(jī)多種運(yùn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)模擬來說，既不很有效也不方便。
對(duì)于旋轉(zhuǎn)起重機(jī)動(dòng)態(tài)影響的控制的問題研究是有效的。Sato讓那個(gè)在載荷搖擺轉(zhuǎn)換末尾可將重物傳遞到所渴望的位置的控制理論盡快的衰退。Gustafsson為了移動(dòng)貨物時(shí)沒有振動(dòng)并且正確地在最后位置排列貨物，描述了一個(gè)旋轉(zhuǎn)起重機(jī)的反饋控制系統(tǒng)。然而，在研究中，只有在懸臂和絞點(diǎn)中的堅(jiān)硬的固體和彈性節(jié)點(diǎn)被考慮到了。因?yàn)檫@個(gè)原因，所以起重機(jī)的動(dòng)態(tài)影響是廣泛存在的。
為了改變這種狀況，關(guān)于移動(dòng)式起重機(jī)的動(dòng)態(tài)計(jì)算的一種新的方法將會(huì)出現(xiàn)。在這種方法中，鋼鐵結(jié)構(gòu)的彈性綜合模型將會(huì)同驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的模型一起出現(xiàn)。在那種方法下，用一個(gè)獨(dú)立的模型，就可以解決關(guān)于彈性破壞、結(jié)構(gòu)的固體運(yùn)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為問題。這種方法被稱為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的全動(dòng)態(tài)計(jì)算。
在彈性綜合體理論和方程的基礎(chǔ)上，全動(dòng)態(tài)計(jì)算的系統(tǒng)方程將被確定下來。驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)將用不同的方程來描述。整個(gè)系統(tǒng)生成一個(gè)不同方程的非線性系統(tǒng)。在一個(gè)液壓移動(dòng)式起重機(jī)上這種計(jì)算方法得以實(shí)現(xiàn)了。為了補(bǔ)充結(jié)構(gòu)單元，液壓驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型將被刪除。多種工作狀況的起重機(jī)旋轉(zhuǎn)的模擬將被啟用。結(jié)果，一個(gè)不光為起重機(jī)結(jié)構(gòu)，更為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的更加詳細(xì)的表達(dá)將會(huì)實(shí)現(xiàn)。在這些模型計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，起重機(jī)起動(dòng)和制動(dòng)過程中的加速度和速度影響將會(huì)被討論。
2. 塔式起重機(jī)
塔式起重機(jī)是一種在固定垂直桅桿頂端裝有旋轉(zhuǎn)桿的起重機(jī)，并被裝備了絞盤，用以舉升和降下重物。塔式起重機(jī)是為滿足在擁擠密集地點(diǎn)作業(yè)的要求而設(shè)計(jì)的。擁擠可能是由于地理位置的自然狀況或者是因?yàn)榻ㄖこ痰奶攸c(diǎn)。對(duì)于可以借助塔式起重機(jī)來建筑實(shí)施的高層樓房來說，其高度是沒有限制的。非常高的線速度，高達(dá)304.8米/分鐘，利用在一些具體模型上就可以在任何高度產(chǎn)生高的生產(chǎn)效率。它們提供了一個(gè)相當(dāng)大的水平作業(yè)半徑，在地面上卻只需要一個(gè)很小的工作場(chǎng)地。一些機(jī)器還可以在72.4千米/時(shí)的速度下旋轉(zhuǎn)，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了移動(dòng)式起重機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。
塔式起重機(jī)只對(duì)較長(zhǎng)工作周期的建設(shè)運(yùn)行和高的提升頻率工程來說更經(jīng)濟(jì)，這是由于為安置而需要相當(dāng)廣闊的規(guī)劃布置，再加上運(yùn)輸、建造和拆除設(shè)備的費(fèi)用。
3. 架式起重機(jī)
架式起重機(jī)是一種為提升、降下和（或）橫向移動(dòng)貨物的裝置。架式起重機(jī)最簡(jiǎn)單的形式叫做芝加哥桿，經(jīng)常在建設(shè)過程中或建設(shè)過后被安放在建筑物的柱子或框架上。當(dāng)架式起重機(jī)被安放在桅桿上，或被固定在框架上，這種架式起重機(jī)的處理方式就變成了繩索型架式起重機(jī)和硬桿型架式起重機(jī)。
起重機(jī)的選擇是工程項(xiàng)目生命流程的中心環(huán)節(jié)。起重機(jī)必須選來滿足工作的要求。一個(gè)選擇適當(dāng)?shù)钠鹬貦C(jī)對(duì)提高工程效率、縮短工作時(shí)間、增加工程收益有幫助。如果沒有實(shí)現(xiàn)起重機(jī)的正確選擇和構(gòu)建，那么可能會(huì)產(chǎn)生費(fèi)用增加，并牽連到安全問題。選擇一個(gè)特殊起重機(jī)的決定依賴于許多輸入?yún)?shù)，例如：位置條件、費(fèi)用、安全及它們的易變性，這些參數(shù)中很多是定性的，而且在這些術(shù)語中所暗示的主觀判斷不可以直接地被吸收到古典的決策程序中?，F(xiàn)在借助于模糊邏輯方法，選擇起重機(jī)的一種方法可以實(shí)現(xiàn)。
在建筑場(chǎng)所，起重機(jī)不僅僅是最大、最引人注意、最具有代表性的裝備，而且在工程的許多不同階段，是一個(gè)使工程進(jìn)度放慢的真正障礙。雖然在遠(yuǎn)處看去，你可能發(fā)現(xiàn)起重機(jī)很幽閑地站在那里，但是一旦它進(jìn)入特殊的工作過程中，它將在工作鏈中成為不可缺少的環(huán)節(jié)，促使至少兩個(gè)員工等候供應(yīng)。正如前面的分析，使計(jì)算機(jī)自動(dòng)化來達(dá)到更高的產(chǎn)量，更好的經(jīng)濟(jì)效益和更安全的運(yùn)作是可能的。把重點(diǎn)放在將現(xiàn)成的起重機(jī)變?yōu)橐粋€(gè)大的半自動(dòng)操作者的技術(shù)方面是很必要的。借助附在起重機(jī)上的主要外在裝置，它變得具有學(xué)習(xí)、記憶、獨(dú)立的從計(jì)劃之前的目標(biāo)或通過預(yù)先知道的路徑產(chǎn)生自動(dòng)反饋的能力。
下面部分簡(jiǎn)要描述起重機(jī)自動(dòng)化的多種方面：首先，與一些選擇條件一起，考察了必要成分和它們的技術(shù)性能，接下來是把這些新的元件安置并組合成一個(gè)實(shí)實(shí)在在的起重機(jī)。其次，人機(jī)界面因它提供的不同運(yùn)行狀態(tài)而呈現(xiàn)。最終，結(jié)論和介紹尾隨一系列控制結(jié)果中的最重要的部分而產(chǎn)生。
人工和自動(dòng)運(yùn)作過程的對(duì)比：塔式起重機(jī)的三個(gè)主要自由度在圖中描述出來，在一些情況下，起重機(jī)被安放在軌道上，這就提供了四個(gè)自由度，但在其他情況下，塔是可伸縮的，起重機(jī)的臂可以升到一個(gè)傾斜的角度。雖然他們的位置必須輸入控制系統(tǒng)，但因?yàn)檫@些附加的自由度在常規(guī)的運(yùn)作中不經(jīng)常使用，而是在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)（幾天或幾周）被固定在一個(gè)特定的位置，所以它們并不包含在運(yùn)作過程中的常規(guī)自動(dòng)化狀態(tài)。
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