汽車(chē)起重機(jī)伸縮臂系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汽車(chē)起重機(jī)伸縮臂系統(tǒng)設(shè)計(jì),汽車(chē)起重機(jī),伸縮,系統(tǒng),設(shè)計(jì) 38 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題目 汽車(chē)起重機(jī)伸縮臂系統(tǒng)設(shè)計(jì) 目 錄 前言……………………………………………………………………… 1 摘要……………………………………………………………………… 2 1 緒論 2 1.1國(guó)內(nèi)外汽車(chē)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(chē)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(chē)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 汽車(chē)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(guò)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(chē)起重機(jī)工作要求來(lái)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 前言 近年來(lái)，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(lái)越大，但是，與國(guó)外汽車(chē)起重機(jī)相比，國(guó)外汽車(chē)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(lái)越緊迫。然而對(duì)于汽車(chē)起重機(jī)整機(jī)而言，汽車(chē)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(chē)起重機(jī)的伸縮臂架設(shè)計(jì)技術(shù)被作為目前汽車(chē)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(chē)起重機(jī)伸縮機(jī)構(gòu)的分析和研究，從而改進(jìn)汽車(chē)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(xiāo)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(lèi)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(xiāo)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(chē)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(guò)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(chē)起重機(jī)發(fā)展概況及趨勢(shì) 1.1.1國(guó)內(nèi)汽車(chē)起重機(jī)發(fā)展概況及趨勢(shì) 中國(guó)的汽車(chē)式起重機(jī)誕生于上世紀(jì)的10年代，經(jīng)過(guò)了近30年的發(fā)展，期間有過(guò)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(lái)說(shuō)，中國(guó)的汽車(chē)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(chē)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(chē)式起重機(jī)的性能已經(jīng)完好，能夠滿(mǎn)足現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)的要求。在不久的將來(lái)，我國(guó)的汽車(chē)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(zhuān)家認(rèn)為，高速發(fā)展的市場(chǎng)，是中國(guó)汽車(chē)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(chē)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(méi)有整體引進(jìn)國(guó)外技術(shù)的做法，也使的中國(guó)汽車(chē)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(chē)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(xiàn)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。可通過(guò)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(chē)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(guò)先導(dǎo)比例手柄實(shí)現(xiàn)比例輸送多種負(fù)荷的無(wú)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(chē)式起重機(jī)還在伸縮臂上使用了單缸插銷(xiāo)的伸縮技術(shù)，通過(guò)液壓銷(xiāo)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(guò)程中，我國(guó)汽車(chē)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(hù)的專(zhuān)業(yè)素質(zhì)較高，出口產(chǎn)品的質(zhì)量反饋比在過(guò)內(nèi)有了明顯的減少，產(chǎn)品反映較好。這都為中國(guó)汽車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)起重機(jī)品種有數(shù)百種，90年代以來(lái)，生產(chǎn)，銷(xiāo)售各種噸位的起重機(jī)萬(wàn)余臺(tái)。 汽車(chē)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(xiāo)售量的40%，北美和歐洲各約占20%。國(guó)外汽車(chē)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(chē)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(guò)聯(lián)合或兼并來(lái)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(chēng)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(chē)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(chē)起重機(jī)的需求在不斷增加，從而使國(guó)外各大汽車(chē)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(chē)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(hù)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(xiāo)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(xiāo)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(xiāo)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(méi)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(lái)，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) 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 Grove 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 F.M.C Gottwald σc=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 KATOσ1=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(xiàn)拼焊，受力合理 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(lèi)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?，F(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(guò)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(xiāo)技術(shù)。 1.3.2單缸插銷(xiāo)系統(tǒng) 單缸插銷(xiāo)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(jiàn)圖）1．伸縮缸、2．拔銷(xiāo)機(jī)構(gòu)、3．缸銷(xiāo)等組成，為保證伸縮臂伸縮過(guò)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(xiāo)銷(xiāo)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(xiāo)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&FAUN）將拔銷(xiāo)裝置置于伸縮機(jī)構(gòu)兩側(cè)，結(jié)構(gòu)布置上比較困難，對(duì)加工、裝配精度要求高，插拔銷(xiāo)難度相對(duì)較大。缸銷(xiāo)則都布置在伸縮機(jī)構(gòu)的側(cè)方。單缸伸縮機(jī)構(gòu)要求動(dòng)作靈活、可靠性高、響應(yīng)速度快、互鎖性好，否則，很難實(shí)現(xiàn)吊臂的可靠伸縮。 此技術(shù)采用單缸、互鎖的缸銷(xiāo)和臂銷(xiāo)、精確測(cè)長(zhǎng)電子技術(shù)，優(yōu)點(diǎn)是重量最輕，對(duì)整機(jī)穩(wěn)定性的影響最小，但技術(shù)難度大、成本較高、臂長(zhǎng)種類(lèi)少、伸縮時(shí)間長(zhǎng)、臂長(zhǎng)變化時(shí)麻煩。現(xiàn)在，徐重和浦沅等國(guó)內(nèi)企業(yè)也成功研制出了此項(xiàng)技術(shù)，采用的是和LIEBHERR相似的拔銷(xiāo)裝置置于伸縮機(jī)構(gòu)上方的形式。由于此技術(shù)對(duì)于電液的要求較高，尤其是在自動(dòng)伸縮的PLC控制和伸縮系統(tǒng)的液壓回路的設(shè)計(jì)上，國(guó)內(nèi)企業(yè)的技術(shù)還不是太成熟，可靠性還不是太高，還有較長(zhǎng)的路去走。 1.4本課題內(nèi)容及重要意義 近年來(lái)，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(lái)越大，所以起重機(jī)的研發(fā)越來(lái)越緊迫，由于汽車(chē)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(chē)式起重機(jī)發(fā)展很快。但是，與國(guó)外汽車(chē)式起重機(jī)相比，國(guó)外汽車(chē)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(lái)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(chē)輛自重的減小，使車(chē)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(chē)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(xiāo)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(chē)式起重機(jī)的生產(chǎn)者來(lái)說(shuō)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(guò)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。 根據(jù)QAY50汽車(chē)起重機(jī)工作要求來(lái)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)行受力計(jì)算，采用ANSYS對(duì)臂架進(jìn)行有限元分析。 2 QAY50汽車(chē)起重機(jī)主要技術(shù)參數(shù)和工作級(jí)別 2.1 QAY50起重機(jī)主要技術(shù)參數(shù) 起重機(jī)的技術(shù)參數(shù)表征起重機(jī)的作業(yè)能力，汽車(chē)式起重機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)包括起重量、起升高度、幅度、起重力矩等。這些參數(shù)表名起重機(jī)工作性能和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，它是設(shè)計(jì)起重機(jī)的技術(shù)依據(jù)，也是生產(chǎn)使用中選擇起重機(jī)技術(shù)性能的依據(jù)。 （1）起重量 起重機(jī)起吊重物的質(zhì)量稱(chēng)為起重量，通常以Q表示，單位為kg或t。起重機(jī)的起重參數(shù)通常是以額定起重量表示的。所謂額定起重量是指起重機(jī)在各種工況下安全作業(yè)所容許的起吊重物的最大質(zhì)量的值，它是隨著幅度的加大而減小的。帶有吊鉤的起重機(jī)的額定起重量不包括吊鉤和滑輪組的自重。 汽車(chē)式起重機(jī)的額定起重量隨著吊臂的方位（側(cè)方、后方、前方三個(gè)基本作業(yè)方位）不同而有所變化。汽車(chē)式起重機(jī)的額定起重量還分支腿全伸、不用支腿吊臂行駛3種情況。起重機(jī)吊重行使時(shí)，起重臂必須前置。起重機(jī)不用支腿作業(yè)和吊重行使時(shí)的額定起重量決定于輪胎、車(chē)橋（或輪對(duì)轉(zhuǎn)向架）的承載能力。 如上所術(shù)，由于汽車(chē)式起重機(jī)的各種工況比較復(fù)雜，考慮的因素較多，額定起重量不只一個(gè)時(shí)，通常稱(chēng)額定起重量為最大起重量。此次設(shè)計(jì)的是50噸汽車(chē)式起重機(jī)的主臂，所以取起重量為Q=50t。 （2）起升高度 起升高度是指從地面或軌道頂面至取物裝置最高起生位置的鉛垂距離（吊鉤取取鉤環(huán)中心），單位為米。如果取物裝置能下落到地面或軌面以下，從地面或軌面至取物裝置最低下放位置間的鉛垂距離稱(chēng)為下放深度。此時(shí)總起升高度H為軌面以上的起升高度h2和 軌面以下的下放深度h3之和，H=h2+h3。 由于汽車(chē)式起重機(jī)的起升高度隨著臂架仰角和臂架長(zhǎng)度變化，在各種臂長(zhǎng)和不同臂架仰角時(shí)可得相應(yīng)的起升高度曲線(xiàn)。汽車(chē)式起重機(jī)起升高度的選擇按作業(yè)要求而定。在確定起升高度時(shí)，應(yīng)考慮配屬的吊具、路基和汽車(chē)高度保證起重機(jī)能將最大高度的物品裝入車(chē)內(nèi)。 汽車(chē)式起重機(jī)的最大起升高度的確定是根據(jù)起重機(jī)作業(yè)要求和起重機(jī)總體設(shè)計(jì)的合理性綜合考慮。參見(jiàn)《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》汽車(chē)式起重機(jī)技術(shù)參數(shù)表，如表2.1所示，50噸汽車(chē)式起重機(jī)的基本臂的范圍為11.0∕9.0（米），最長(zhǎng)主臂范圍為38∕32（米），及QAY50噸汽車(chē)起重機(jī)的參考值，選擇起升高度為基本臂作業(yè)10.4米，重機(jī)的參考值，選擇起升高度為基本臂作業(yè)10.2米，最長(zhǎng)主臂作業(yè)38米。圖2.1所示為汽車(chē)起重機(jī)起升高度圖 圖2.1汽車(chē)起重機(jī)起升高度圖 （3）幅度 旋轉(zhuǎn)臂架式起重機(jī)處于水平位置時(shí)，回轉(zhuǎn)中心線(xiàn)與取物裝置中心線(xiàn)垂直之間的水平距離稱(chēng)為幅度（R）。幅度的最小值Rmax和最大值Rmin根據(jù)作業(yè)要求而定。在臂架變幅平面內(nèi)起重機(jī)機(jī)體的最外邊至取物中心鉛垂線(xiàn)之間的距離稱(chēng)為有效幅度，有效幅度可為正值或副值。 汽車(chē)式起重機(jī)有效幅度通常是指使用支腿工作，臂架位于側(cè)向最小幅度時(shí)，取物裝置中心鉛垂線(xiàn)至該側(cè)兩支腿中心連線(xiàn)的水平距離，它表示汽車(chē)式起重機(jī)在最小幅度時(shí)工作的可能性。汽車(chē)式起重機(jī)的幅度R如圖2.1所示。參見(jiàn)表2.1，此次汽車(chē)式起重機(jī)的幅度R=3m。 （4）起重力矩 起重力矩是臂架類(lèi)起重機(jī)主要技術(shù)數(shù)據(jù)之一，它等于額定起重量Q和其相對(duì)應(yīng)的工作幅度R的乘積，即M=Q×R，起重力矩一般用t·m為單位。參見(jiàn)表1，Q=50t，R=3m,此次設(shè)計(jì)的汽車(chē)式起重機(jī)的起重力矩為M=Q×R=50×3=150t·m。同時(shí)參見(jiàn)表1可知，基本臂起重力矩為150 t·m，最長(zhǎng)主臂的起重力矩為85 t·m。 2.2 QAY50汽車(chē)起重機(jī)的工作級(jí)別 （1） 起重機(jī)利用等級(jí) 起重機(jī)在有效工作期間有一定總工作循環(huán)數(shù)，起重機(jī)作業(yè)的工作循環(huán)是從準(zhǔn)備其吊物品開(kāi)始到下一次其吊物品為止的過(guò)程。工作循環(huán)次數(shù)表征起重機(jī)的利用程度，是起重機(jī)分級(jí)的基本參數(shù)之一。確定適當(dāng)?shù)氖褂脡勖鼤r(shí)要考慮經(jīng)濟(jì)，技術(shù)和環(huán)境等因素，同時(shí)還要考慮設(shè)備老化的影響。工作循環(huán)次數(shù)除了可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，還可根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算： （2.1） 式中 : Y—起重機(jī)的使用壽命以年計(jì)算，與起重機(jī)的類(lèi)型、用途、環(huán)境、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)因素有關(guān)。 由于本設(shè)計(jì)為50噸，參見(jiàn)《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》不同類(lèi)型起重機(jī)使用壽命表，如表2.3所示，可知Y=13年。 B—起重機(jī)一年中的工作天數(shù)，取B=300天。 H—起重機(jī)每天工作小時(shí)數(shù)，取H=8小時(shí)。 T—起重機(jī)一個(gè)工作循環(huán)的時(shí)間，設(shè)定為T(mén)=300秒。 根據(jù)以上計(jì)算所得出的數(shù)據(jù)，(次) 參見(jiàn)《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》起重機(jī)利用等級(jí)表，如表2.2所示，可以選擇起重機(jī)的利用等級(jí)為，起重機(jī)的 使用情況為 ，經(jīng)常中等的使用。 表2.2 起重機(jī)利用等級(jí) 利用等級(jí) 總的工作循環(huán)次數(shù)N 起重機(jī)使用情況 利用等級(jí) 總的工作循環(huán)次數(shù)N 起重機(jī)使用情況 1.6 5 經(jīng)常中等的使用 3.2 1 不經(jīng)常繁忙使用 6.3 不經(jīng)常使用 2 1.25 4 繁忙的使用 2.5 經(jīng)常清閑的使用 4 表2.3 幾種不同類(lèi)型的起重機(jī)的使用等級(jí) 起重機(jī)類(lèi)型 使用壽命 （年） 汽車(chē)起重機(jī)（通用汽車(chē)底盤(pán)） 10 輪胎起重機(jī)和汽車(chē)起重機(jī)（專(zhuān)用底盤(pán)） 起 重 量 （t） 小于16 11 16～40 12 ＞40～100 13 大于100 15 塔式起重機(jī) 小于10 10 等于和大于10 16 橋式和門(mén)式起重機(jī) 工作級(jí)別 、 30 、、 25 、 20 履帶起重機(jī) 10 門(mén)座和鐵路起重機(jī) 25 (2) 起重機(jī)的載荷狀態(tài) 載荷狀態(tài)是起重機(jī)分級(jí)的另一個(gè)基本參數(shù)，它表明起重機(jī)的主要機(jī)構(gòu)—起升機(jī)構(gòu)受載的 輕重程度。載荷狀態(tài)與兩個(gè)因素有關(guān)：一個(gè)是實(shí)際起升載荷，與額定起升載荷之比，令一個(gè)是實(shí)際起升載荷的作用次數(shù)N1，與工作循環(huán)次數(shù)N之比。 此次設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際情況及汽車(chē)式起重機(jī)實(shí)際的使用情況，，可根據(jù)表2.4選擇=0.125，即很少吊起額定載荷，一般起吊輕載荷。 表2.4 起重機(jī)的載荷狀態(tài)及其名義載荷譜系數(shù) 載荷狀態(tài) 名義載荷譜系數(shù) 說(shuō)明 —輕 0.125 很少起升額定載荷，一般起升輕微載荷 —中 0.25 有時(shí)起升額定載荷，一般起升中等載荷 —重 0.5 經(jīng)常起升額定載荷，一般起升重載荷 —特重 1.0 頻繁的起升額定載荷 (3) 起重機(jī)工作級(jí)別的確定 劃分起重機(jī)的工作級(jí)別，示為了對(duì)起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了合理的基礎(chǔ)，它能使起重機(jī)勝任它需要完成的工作任務(wù)，起重機(jī)的工作級(jí)別使根據(jù)起重機(jī)的利用等級(jí)和起重機(jī)的載荷狀態(tài)而確定，根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》中，起重機(jī)工作級(jí)別的劃分，如表2.5所示，可以確定，此汽車(chē)式起重機(jī)的工作級(jí)別為A4。 表2.5 起重機(jī)工作級(jí)別的劃分 載荷狀態(tài) 名義載荷譜系數(shù) 利用等級(jí) —輕 0.125 —中 0.25 —重 0.5 —特重 1.0 3 伸縮臂傳動(dòng)方案和臂架截面的確定 3.1 伸縮臂傳動(dòng)方案的確定 主臂的伸縮機(jī)構(gòu)很多，可以從兩種角度進(jìn)行分類(lèi)，即按驅(qū)動(dòng)形式的不同，以及各節(jié)臂間的伸縮次序關(guān)系不同進(jìn)行分類(lèi)。 按驅(qū)動(dòng)形式的不同，可分為液壓、液壓—機(jī)械和人力三種。采用液壓驅(qū)動(dòng)時(shí)，執(zhí)行元件選用液壓油缸，利用缸體和活塞桿的相對(duì)運(yùn)動(dòng)推動(dòng)，推動(dòng)下節(jié)臂的伸縮，在設(shè)計(jì)三節(jié)臂伸縮機(jī)構(gòu)時(shí)，為了減輕重量，還可以利用吊臂之間的伸縮比例，采用鋼絲繩和滑輪組實(shí)現(xiàn)第三節(jié)臂的伸縮，以實(shí)現(xiàn)第三節(jié)臂的伸縮，這就形成了液壓機(jī)械驅(qū)動(dòng)。在某些情況下可以取消伸縮機(jī)構(gòu)，代之采用人力驅(qū)動(dòng)，或采用推桿和繩索的器件，而輔之以人工安裝插銷(xiāo)等方法伸縮吊臂，這就形成了人力驅(qū)動(dòng)。這幾種方法往往在小于等于三節(jié)臂的情況下使用。 對(duì)于擁有三節(jié)或三節(jié)以上的吊臂來(lái)講，各節(jié)臂的伸縮方式可以由不同的選擇，但是，由前面提到的大致可以分為三類(lèi)。 （1）順序伸縮：指吊臂在伸縮過(guò)程中，各節(jié)伸縮臂必須按一定先后順序，完成伸縮動(dòng)作。 （2）同步伸縮：指吊臂在伸縮過(guò)程中，各節(jié)伸縮臂同時(shí)以相同的形成比例進(jìn)行伸縮。 （3）獨(dú)立伸縮：指吊臂在伸縮過(guò)程中，各節(jié)臂均能獨(dú)立進(jìn)行伸縮。顯然，獨(dú)立伸縮構(gòu)，同樣也可以完成順序伸縮或同步伸縮的動(dòng)作。 在現(xiàn)實(shí)中，三節(jié)伸縮臂或三節(jié)以上的伸縮機(jī)構(gòu)，往往式上述幾種伸縮機(jī)構(gòu)的中和，而很少單獨(dú)采用某一種伸縮機(jī)構(gòu)。在三節(jié)伸縮臂時(shí)，基本上采用一個(gè)液壓缸加一個(gè)滑輪組的同步伸縮機(jī)構(gòu)。超過(guò)三節(jié)臂時(shí)，常用兩個(gè)液壓缸加一個(gè)滑輪組的伸縮機(jī)構(gòu)，或采用三各液壓缸的伸縮機(jī)構(gòu)，五節(jié)臂時(shí)為兩個(gè)液壓缸加兩個(gè)滑輪組，或最后一節(jié)的伸縮可用手動(dòng)的或簡(jiǎn)單的插銷(xiāo)式伸縮機(jī)構(gòu)。 本次設(shè)計(jì)的四節(jié)臂伸縮，采用后種方法過(guò)于落后，顧采用第一種方法。即，用一個(gè)液壓缸加兩個(gè)滑輪組的伸縮方式。傳動(dòng)方案如圖3.1 圖3.1 伸縮臂傳動(dòng)方案圖 傳動(dòng)過(guò)程：液壓缸2向外伸出帶動(dòng)第2節(jié)臂伸出，同時(shí)由于鋼絲繩的長(zhǎng)度是不變的，而液壓缸2向外伸出時(shí)鋼絲繩1變長(zhǎng)，從而鋼絲繩6變短，使得第三節(jié)臂通過(guò)固定在液壓缸2上的滑輪3向外伸出，當(dāng)?shù)谌?jié)臂向外伸出的時(shí)候由于鋼絲繩的長(zhǎng)度是不變的，鋼絲繩8變長(zhǎng)，從而鋼絲繩9變短，使得第四節(jié)臂通過(guò)固定在三節(jié)臂上的滑輪向外伸出，最終按順序的伸長(zhǎng)，反之縮回過(guò)程同理。 3.2 伸縮臂架截面的確定 3.2.1伸縮臂架的截面形式分類(lèi) 伸縮臂是受彎為主的雙向壓彎構(gòu)件，除受有整體強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的約束限制外，主要受局部穩(wěn)定性約束。因此采用何種截面形式使吊臂的自重較小、材料的利用充分，是伸縮式吊臂設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。 以下是目前伸縮式吊臂常見(jiàn)的截面形式(如圖2.2所示): . 歸納起來(lái)，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。 其中，矩形截面是由翼緣板和腹板焊接而成的，它是目前輪式起重機(jī)伸縮臂中用得最多的截面形式。與其他截面形式相比，矩形截面的制造工藝簡(jiǎn)單，具有較好的抗彎能力和抗扭剛度，因此，中、小噸位輪式起重機(jī)的伸縮臂通常都采用這一形式，但是這種截面沒(méi)有充分發(fā)揮材料的承載能力，為了使伸縮臂各節(jié)之間能很好地傳遞扭矩和橫向力，需設(shè)附加支承。 梯形截面的上翼緣板窄，下翼緣板寬，截面中性層靠下能發(fā)揮上翼緣板的機(jī)械性能，提高腹板的穩(wěn)定性，前部滑塊可接近腹板布置，后部滑塊傳遞給上翼緣板的集中力，因上翼緣板窄，產(chǎn)生的彎曲力矩減小。梯形截面的扭轉(zhuǎn)剛度和橫向剛度均較矩形截面大，但是，這種截面的下翼緣板寬，對(duì)局部穩(wěn)定不利，材料性能得不到充分發(fā)揮，且需設(shè)側(cè)向支承裝置，這是梯形截面的缺點(diǎn)。 倒置梯形的下翼緣板窄，上翼緣板寬，對(duì)提高下翼緣板的局部穩(wěn)定性很有好處，材料能得到充分利用，且和梯形截面一樣，具有較大的橫向剛度和扭轉(zhuǎn)剛度，倒置梯形伸縮臂對(duì)安裝變幅油缸較為有利，但是這種截面對(duì)上翼緣板的局部彎曲和腹板的穩(wěn)定性不是很有利，亦需設(shè)側(cè)向支承。 梯形和倒置梯形截面的伸縮臂通常用于大噸位的輪式起重機(jī)。八邊形和大圓角矩形截面的下翼緣板和腹板的實(shí)際計(jì)算寬度較小，有利于提高抗失穩(wěn)的能力。前后滑塊均支承在四角處，伸縮臂各板不產(chǎn)生局部彎曲，且能較好地傳遞扭矩與橫向力，因此這兩種截面形式的伸縮臂能較好的發(fā)揮材料機(jī)械性能，減輕結(jié)構(gòu)自重。對(duì)大噸位輪式起重機(jī)采用這種截面形式是合適的。制造這兩種截面形式的吊臂，需要大型軋床，但是隨著工業(yè)的發(fā)展，這兩種形式的吊臂應(yīng)用會(huì)逐漸增多。 LIEB班RR的LTM1300起重臂的截面采用了橢圓形截面，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。DEMAG也使用橢圓形吊臂截面形式。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)橫向和縱向加筋，提高腹板的抗屈曲能力。KATO采用四邊形截面，也采用加勁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，泰起在其新品Q(chēng)Y50A上也首次使用，其它廠家目前還在使用四邊形截面。目前，橢圓形起重臂的技術(shù)代表最高水平，其優(yōu)勢(shì)很明顯，由于不需采用加筋，因而每節(jié)臂截面的變化很小，有利于減輕起重臂的重量，提高起重機(jī)的起重能力。但是截面的成型難度大，生產(chǎn)周期長(zhǎng)。。 3.2.2吊臂截面的確定 對(duì)吊臂截面的設(shè)計(jì)是本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容，因此參閱了國(guó)內(nèi)外大量的資料，伸縮吊臂是輪式起重機(jī)中至關(guān)重要的部件，其重量一般占整機(jī)的13%~20%，而大型起重機(jī)這個(gè)比例則更大，這就導(dǎo)致起重機(jī)在大幅度下的起重量和大起重量下的起升高度急劇降低。因此，在滿(mǎn)足各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的前提下，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡可能降低吊臂自重，尤其對(duì)大噸位起重機(jī)具有十分重要的意義。減輕吊臂重量，增大吊臂剛度是改善起重性能的重要途徑。因此我從這個(gè)角度來(lái)確定吊臂截面，下面是我確定截面為U型截面的過(guò)程。 首先是選擇吊臂的材料，是最直接的減輕吊臂重量的途徑，全地面起重機(jī)伸縮臂的材料一般是16Mn，最好采用高強(qiáng)度的低合金鋼。但在材料確定的條件下，只能改進(jìn)吊臂的形狀，也就是吊臂截面的形狀，來(lái)改進(jìn)吊臂的性能。吊臂的截面形狀是決定吊臂重量的主要因素，近幾年來(lái)，隨著吊臂材料強(qiáng)度級(jí)別的提高，如何充分利用材料的性能，結(jié)構(gòu)專(zhuān)家提出了如何解決強(qiáng)度安全儲(chǔ)備與薄板局部失穩(wěn)安全儲(chǔ)備均衡的問(wèn)題，從而推動(dòng)吊臂截面從四邊形向六邊形、多邊形、橢圓形、U形發(fā)展。根據(jù)吊臂材料的發(fā)展趨勢(shì)，在最近幾年內(nèi)，材料強(qiáng)度級(jí)別的提高將受到限制，更高強(qiáng)度級(jí)別的材料將很難面世，U形吊臂技術(shù)將是最近幾年內(nèi)的最高水平。然而，吊臂是一個(gè)可以伸縮的階梯梁，目前，除基本臂可以加強(qiáng)外，許多生產(chǎn)廠家將伸縮臂設(shè)計(jì)成等截面梁，根據(jù)吊臂的受力特點(diǎn)，變截面伸縮臂將使吊臂更輕，性能更強(qiáng)。為了提高起重作業(yè)性能，減輕自重，起重臂截面形狀采用“U”形截面。該種截面是經(jīng)過(guò)優(yōu)化計(jì)算得出的最優(yōu)的截面形式，從而能最大限度地發(fā)揮材料的力學(xué)性能。 作為吊臂來(lái)說(shuō)，總希望在不發(fā)生局部失穩(wěn)的前提下，壁厚設(shè)計(jì)得薄一點(diǎn)，截面設(shè)計(jì)大一些。但由于受整機(jī)尺寸的限制，吊臂外形尺寸不能增大，因而只能在截面總高和總寬保持不變的條件下進(jìn)行截面的優(yōu)化，伸縮臂的箱形截面采用U型。其高寬比在1.3~1.8范圍之內(nèi)。側(cè)板一般選用薄鋼板，厚度在3.2~8mm范圍內(nèi)，側(cè)板薄一些對(duì)于減輕吊臂重量極為有效，但必須認(rèn)真考慮其局部失穩(wěn)的問(wèn)題，有的在鋼板上隔一定距離軋一條橫向筋，以增加其強(qiáng)度。有的為了減輕重量也可在側(cè)板上開(kāi)大孔，并卷邊加強(qiáng)。下底板一般做得比上蓋板厚些，一方面滿(mǎn)足下底板局部穩(wěn)定性的需要，為了減輕自重，吊臂應(yīng)盡量做成等強(qiáng)度梁。具體到每節(jié)臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，我們考慮兩個(gè)非常重要的工況:基本臂工況和全伸臂工況。由基本臂工況通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)確定基本臂截面尺寸和壁厚，并由各節(jié)臂之間的間隙確定其余各節(jié)臂的截面尺寸，然后再由全伸臂工況確定其它節(jié)臂的壁厚。 U型的截面最危險(xiǎn)處為四角焊縫處，該處應(yīng)力最大，也是最易產(chǎn)生應(yīng)力集中的地方。U型截面有大的抗彎模量和較高的抵抗局部失穩(wěn)的能力。確定U型為較合理的形狀。U型截面的橫向抗彎剛度和抗扭剛度比其他形式好。U型側(cè)板的上半部拉應(yīng)力較大，提高了側(cè)板的穩(wěn)定系數(shù)。下底板做成圓形，是為了提高下底板的抗局部失穩(wěn)的能力，和減少側(cè)板的計(jì)算寬度。這樣以來(lái)可以采用更薄鋼板，而充分利用鋼板的厚度，特別在采用高強(qiáng)度鋼材時(shí)。因?yàn)楦邚?qiáng)度鋼材的抗局部失穩(wěn)的能力并不比普通鋼板高。吊臂不同部位可以采用不同強(qiáng)度的鋼材，以充分發(fā)揮鋼材作用，如上蓋板才高強(qiáng)度，下蓋板采用普通鋼。 根據(jù)以上闡述的理論，在以下的設(shè)計(jì)中，將采用焊接方式為主（各種焊接方式應(yīng)用到合適的位置），螺紋連接以及鉸接為輔方式進(jìn)行臂架的連接。QAY50全地面起重機(jī)的舉升臂主體材料為合金結(jié)構(gòu)鋼適當(dāng)?shù)倪x取16Mn進(jìn)行加固。上下底板和腹板承受不同的載荷有的彎矩大，有的正應(yīng)力大，故采用不同的材料。在選取材料時(shí)應(yīng)遵循性?xún)r(jià)比最高選擇，以?xún)?yōu)化減輕臂架重量為最終目的。以達(dá)到對(duì)臂架乃至起重機(jī)性能的優(yōu)化的目的。 圖3.2.2臂架截面尺寸圖 根據(jù)公式 = +0.14 ，四節(jié)的尺寸依次為：455×660、420×600、385×540、350×480 （mm）見(jiàn)圖3.2.2 4伸縮臂設(shè)計(jì)計(jì)算 4.1起重機(jī)伸縮臂尺寸的確定 此次設(shè)計(jì)的50噸汽車(chē)式起重機(jī)的起升高度為38米，臂架材料選用HG6O。參見(jiàn)表4.1，選擇吊臂的節(jié)數(shù)為4。主臂尺寸的的確定包含以下的的內(nèi)容：一、 吊臂根部鉸點(diǎn)位置的確定，二、吊臂各節(jié)尺寸的確定，三、變幅液壓缸鉸點(diǎn)的確定，四、臂架的受力計(jì)算和分析，五、伸縮臂結(jié)構(gòu)的校核。 表4.1 起重機(jī)吊臂節(jié)數(shù) 最大起升高度H(m) 10～15 16～19 20～29 30～40 吊臂節(jié)數(shù)K 3 2～3 3～4 4～5 4.1.1 吊臂跟部鉸點(diǎn)位置的確定 設(shè)e為吊臂根部鉸點(diǎn)O至回轉(zhuǎn)中心線(xiàn)的水平距離，h為鉸點(diǎn)O到回轉(zhuǎn)支承裝置上表面的垂直距離，則鉸點(diǎn)O的坐標(biāo)為（e，h）見(jiàn)圖5.1.1。設(shè)是鉸點(diǎn)O至基本臂截面中心線(xiàn)距離，設(shè)下標(biāo)i表示不同位置的值的序號(hào)（i=1，2，…，n）當(dāng)?shù)趇個(gè)值為時(shí)，鉸點(diǎn)O的位置為。帶有符號(hào)，在吊臂中心線(xiàn)以下為負(fù)，反之為正。則： 圖4.1.1 三鉸點(diǎn)有關(guān)尺寸圖 吊臂根部鉸點(diǎn)的位置與吊臂長(zhǎng)度，起升高度和幅度有關(guān)。設(shè)吊臂的工作長(zhǎng)度為lw。即： （4.1） 從而得出=10.2m。 式中：H—基本臂的起升高度，H=10.2m。 b—吊頭距滑輪組的最短距離，b=1.5m。 、 —根部鉸點(diǎn)和頭部滑輪軸心離吊臂基本截面軸心的距離，并帶有正負(fù)號(hào)，在中心線(xiàn)以下者為正，以上為負(fù)。由于此項(xiàng)數(shù)值較小，所以在計(jì)算時(shí)可以不計(jì)。 h—根部鉸點(diǎn)離地距離，參見(jiàn)QAY50的h值，取h=2.4m。 —吊臂仰角，其值小于最大仰角=80°即=0.7amax。即=56°。 吊臂根部離鉸點(diǎn)的距離e （4.2） 得出吊臂根部離鉸點(diǎn)的距離e=1.73m。所以取距離e=1.73m。 吊臂根部鉸點(diǎn)離回轉(zhuǎn)平面的高度為 =2.4-0.16-1.4=0.84m 式中：——為回轉(zhuǎn)支承裝置的高度，= 0.16m。 ——為起重機(jī)汽車(chē)底盤(pán)的高度，=1.4m。 將最大起升高度H1帶入公式得出主吊臂最大長(zhǎng)度。 （4.3） 式中：H1—最長(zhǎng)主臂作業(yè)長(zhǎng)度，=38m。 a，r，b，h同上。 4.1.2 吊臂各節(jié)尺寸的確定 主吊臂的最長(zhǎng)長(zhǎng)度是由基本臂結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度和外伸長(zhǎng)度所組成。 即 （ （4.4） 式中﹑﹑為各節(jié)伸縮臂的伸縮長(zhǎng)度，在設(shè)計(jì)當(dāng)中，伸縮長(zhǎng)度往往取同一數(shù)值，即。則外伸長(zhǎng)度， ﹑﹑為二，三，四節(jié)臂縮回后外漏部分的長(zhǎng)度，在計(jì)算時(shí)取同一數(shù)值（a=0.25米）。 若假設(shè)為臂頭滑輪中心離基本臂端面的距離，則基本臂結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度加上即為基本臂的工作長(zhǎng)度。 =+=+ 而=++=（K-1） 將上式帶入式（4.4）可得 =-（K-1）+（K-1）=+（K-1）+（K-1）=+（K-1）（4.5） 即 38.5=10.2+（4-1） 從中可以得出=9.43（m）。 式中：K-為吊臂的節(jié)數(shù)。 通常搭接長(zhǎng)度應(yīng)該短些，以減輕吊臂重量。但是，太短將搭接部分反力增大了，引起搭接部分吊臂的蓋板或側(cè)板局部失穩(wěn)，同時(shí)，也是吊臂的間隙變形增大。因此，搭接部分要根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)而定，一般為伸縮臂外伸長(zhǎng)度的1/4—1/5（吊臂較長(zhǎng)者取后者，較短者取前者，同步伸縮者可取后者）。 從而得出外伸長(zhǎng)度為=（0.2-0.25）（m）。 在第i節(jié)臂退回后，除外露部分長(zhǎng)度a外，在前節(jié)（i-1）節(jié)臂中的長(zhǎng)度加上伸出后仍在前節(jié)臂中的那部分搭接長(zhǎng)度，第i節(jié)臂插在前節(jié)臂內(nèi)的長(zhǎng)度為（+），假設(shè)第i節(jié)臂的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為，則 =++a =+ （4.6） 各節(jié)伸縮臂插入前一節(jié)都留有一段距離c，這是結(jié)構(gòu)上的需要，在此距離內(nèi)要設(shè)置伸縮油缸的鉸支座和其它的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其大小視情況而定，在此次設(shè)計(jì)中 選擇c=0.55m。 因此前后兩節(jié)臂由這樣的關(guān)系，=+c-a （4.7） 從式4-6可知，=++a =++a 將上述兩式代入式（4.7），可得。 ++a=++c 已知，==，==，從上式可知，后一節(jié)的搭接長(zhǎng)度，臂前一節(jié)的搭接長(zhǎng)度小一些，因?yàn)橐话闱闆r下結(jié)構(gòu)空間c臂外露空間a大一些，得出 =+（c-a） （4.8） 此次設(shè)計(jì)共有4節(jié)臂，其最后一節(jié)的搭接長(zhǎng)度為使其等于1/5的外伸長(zhǎng)度，現(xiàn)在和已經(jīng)得出，則根據(jù)式（4.7），吊臂的各節(jié)搭接長(zhǎng)度和結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度分別為， =0.2+（c-a）=2.186（m） =1.2+（c-a）=9.117（m） =0.2+2×（c-a）=2.486（m） =1.2+2×（c-a）=9.488（m） =0.2+3×（c-a）=2.786（m） =1.2+3×（c-a）=9.848（m） =0.2+4×（c-a）=3.086（m） =1.2+4×（c-a）=10.186（m） 各節(jié)臂長(zhǎng)度尺寸的驗(yàn)算 計(jì)算的基本臂工作長(zhǎng)度必須滿(mǎn)足下面的式子，所計(jì)算的各節(jié)臂的長(zhǎng)度值才能滿(mǎn)足需要， =+（K-1）≥1.2+（K-1）c=1.2（+）+（K-1）c （4.9） 式中： =1.2×10.186+0.2（4-1）=12.823（m） 1.2（+）+（K-1）c=1.2×（9.43+0.2）+（4-1）×0.55=12.632（m） 即式（4.9）成立，所計(jì)算各節(jié)臂的長(zhǎng)度滿(mǎn)足要求。 上述為所計(jì)算出的各節(jié)臂的長(zhǎng)度尺寸，參考QAY50噸汽車(chē)起重機(jī)設(shè)計(jì)各節(jié)臂尺寸的確定，最終確定長(zhǎng)度為:=10.186（m）、=9.848（m）、 =9.488（m）、 =9.117（m） 4.1.3 變幅液壓缸鉸點(diǎn)的確定 變幅液壓缸的鉸點(diǎn)如圖4.1.3所示，變幅液壓缸根部鉸點(diǎn)（）的位置，一般使其落在回轉(zhuǎn)支撐裝置的滾道上，從而改變了平臺(tái)的受力情況。采用雙作用液壓缸，其鉸點(diǎn)離回轉(zhuǎn)中心的距離f取決于雙缸間的距離B,可通過(guò)下式算得： （4.10） 由于回轉(zhuǎn)支撐裝置D和吊臂寬度B都與起重能力有關(guān)，一般取D=(2.1～2.4)B。則從式4-10得出， m 式中：D-起重機(jī)底盤(pán)直徑，D=2m。 從而可以得出鉸點(diǎn)已經(jīng)確定。 圖4.1.3 三鉸點(diǎn)相互位置圖 鉸點(diǎn)在求得和已經(jīng)確定即=0.84m，e=1.73m，所以認(rèn)定鉸點(diǎn)已經(jīng)確定。因?yàn)殂q點(diǎn)離滾道面的距離式構(gòu)造所定，一般取=0.18m。 在圖4.1.3中可以看出，只有在基本臂上固定的鉸點(diǎn)尚未確定。鉸點(diǎn)的取得要滿(mǎn)足下述條件，在變幅缸縮回時(shí)， 吊臂位在行駛狀態(tài)，變幅液壓缸長(zhǎng)度為最短長(zhǎng)度；而當(dāng)全伸時(shí)吊臂位在最大仰角狀態(tài)，液壓缸長(zhǎng)度達(dá)到最大長(zhǎng)度。連接吊臂鉸點(diǎn)（），變幅缸鉸點(diǎn)（）和（），形成或。在中，在中，.面角是與水平線(xiàn)的夾角，它可由下式求得： （4.11） 式中：=0.84m，=0.18m，=1.73m，=0.9m。 從而可以得出：=14.087°。 在和確定后，用三角公式求得的位置，在中，其邊角關(guān)系為： 在中， 已知，，=（1.6～1.7），并帶入上述2式并消去、，可得的二次方程式： （4.12） 式中：=2.71m，=80°，=14.087°。 的值是根據(jù)實(shí)際的情況而定，在設(shè)計(jì)中，大體是所設(shè)計(jì)的鉸點(diǎn)應(yīng)位于基本臂工作長(zhǎng)度的中點(diǎn)處，由利于起重機(jī)的受力分布，使支點(diǎn)能夠達(dá)到最大的作用效果。 將上述值帶入式(4.12)得出：=0時(shí)，=7.23或1.01， =50時(shí)，=4.24或1.73， =40時(shí)，=5.59或1.32， 在=40時(shí)，比較接近中點(diǎn)值，所以鉸點(diǎn)位置確定為：=40時(shí)，=5.59或1.32，在=5.59時(shí)，根部鉸點(diǎn)的位置落在前方軌道上，=1.32時(shí)，根部鉸點(diǎn)落在后方軌道上。根據(jù)上述計(jì)算，汽車(chē)起重機(jī)鉸點(diǎn)的位置已經(jīng)確定。 4.2 臂架伸縮液壓缸的計(jì)算及選擇 4.2.1 缸筒內(nèi)徑計(jì)算 主臂液壓缸定為1節(jié)，尺寸形狀可按如下進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，當(dāng)主臂仰角為56時(shí)，工作幅度為3米時(shí)，主臂吊最大載荷Q=50T,此時(shí)伸縮缸承受最大壓力 T （4.12） 伸縮缸在工作時(shí)能夠達(dá)到的工作壓力按30MPa計(jì)算，根據(jù)公式如下 =mm (4.13) 式中:D—液壓缸的內(nèi)徑 F—最大載荷 P—工作壓力 可得出，D=159mm,參見(jiàn)表4-2，取D=160mm。 表4-2 缸桶內(nèi)徑選擇表 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 100 125 160 200 250 320 400 4.2.2活塞桿直徑 （1）計(jì)算 活塞桿直徑d一般按液壓缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度比計(jì)算，公式如下： mm （4.14） 式中：D—液壓缸直徑 --往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度比，參見(jiàn)表4-2-1，選擇=2。 可得出：d=113mm；參見(jiàn)表4-2-2，選擇d=125mm。 表4-2-1 速度比選擇 壓力MPa ≤10 12.5～20 ≥20 速度比 1.33 1.46 2 表4-2-2 活塞桿直徑尺寸系列 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 35 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 280 320 360 （2）強(qiáng)度驗(yàn)算 活塞桿工作時(shí)，一般主要受軸向主要拉壓作用力，因此活塞桿的強(qiáng)度驗(yàn)算，可按直桿拉壓強(qiáng)度驗(yàn)算，可按直桿拉壓公式計(jì)算， 即 （4.15） 式中：--活塞桿內(nèi)應(yīng)力。 F—液壓缸負(fù)載力。 --活塞桿材料許用應(yīng)力 ，為材料的抗拉強(qiáng)度，材料為45號(hào)鋼，故為600MPa，n為安全系數(shù)，一般取n≥3～5，n取5。 將上述值代入， 式（4.15）成立，所以強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。 （3）穩(wěn)定性驗(yàn)算 當(dāng)活塞桿直徑與液壓缸安裝長(zhǎng)度之比為1：10以上時(shí)，活塞桿容易出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，產(chǎn)生縱向彎曲破壞，這時(shí)需要進(jìn)行受壓穩(wěn)定性計(jì)算。 計(jì)算時(shí)吧液壓缸整體看成一個(gè)和活塞桿截面相等的桿件，采用歐拉公式計(jì)算出臨界壓縮載荷，再帶入壓桿穩(wěn)定公式進(jìn)行計(jì)算。 歐拉公式： (4.16) 式中：E—材料的彈性模數(shù)，對(duì)鋼而言，E=MPa。 J—活塞桿截面慣性矩，=。 L—液壓缸安裝長(zhǎng)度，由文獻(xiàn)〔1〕可知，此處選擇為L(zhǎng)=14.9m液壓缸長(zhǎng)度l=7.5米 。 --長(zhǎng)度折算系數(shù)，由文獻(xiàn)〔1〕可知，=1。 計(jì)算可得=N。 壓桿穩(wěn)定公式為： （4.17） 式中：--安全系數(shù)，一般取=3.5。 將帶入上式，所得結(jié)果與式（4.15）不符合。 參見(jiàn)表4-3-2，重新選擇活塞桿直徑d=140mm。 將上述值代入式（4.15）進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，式（4.15）成立，即滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。 所得=26.4N。將上述數(shù)值再次代入式（4.17），進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，計(jì)算可知，所得結(jié)果與式（4.17）相符合，可以確定尺寸為d=140mm 4.2.3缸筒壁厚及外徑計(jì)算 液壓缸壁厚和外徑由強(qiáng)度條件確定 （1）缸筒壁厚的確定 缸筒分為2種，當(dāng)缸筒內(nèi)徑D和壁厚的比值時(shí)，稱(chēng)為薄壁缸筒，反之稱(chēng)為厚壁缸筒。 對(duì)薄壁缸筒 (4.18) 式中：--液壓缸的耐壓試驗(yàn)壓力，當(dāng)P＜16MPa時(shí)，=1.5P。當(dāng)P＞16MPa時(shí)，=1.25P，P為液壓缸工作壓力為30MPa。 --缸筒材料的許用應(yīng)力，,為材料的抗拉強(qiáng)度，材料為45號(hào)鋼取=600MPa，N為安全系數(shù)，一般取N=5。 D—缸筒內(nèi)徑D=160mm。 將上述數(shù)值代入式（4.18）可得，=25mm。 此時(shí)，不滿(mǎn)足式，所以所求液壓缸不是薄壁缸筒，為厚壁缸筒。 對(duì)厚壁缸筒 （4.19） 通過(guò)上式求得=9.13，取整為=10mm。 即所得缸筒壁厚為10mm。 （2）缸筒外徑計(jì)算 缸筒外徑為 （4.20） 所得結(jié)果為=180mm。 通過(guò)計(jì)算得出液壓缸的基本參數(shù)為： 缸