定柱式懸臂起重機結構設計與分析

1、更多相關文檔資源請訪問 HYPERLINK /lzj781219 /lzj781219 完整CAD設計文件以及仿真建模文件，資料請聯(lián)系68661508索要定柱式懸臂起重機結構設計與分析摘要：定柱式懸臂起重機是由立柱、回轉臂、懸臂驅動裝置和電動葫蘆組成。立柱下端底座通過地腳螺栓固定在混凝土基礎上，由電機帶動減速機驅動裝置使懸臂回轉，電動葫蘆在懸臂工字鋼上作往返運行作業(yè)。它的特點有：自重輕，懸臂長，起重量大，安裝、操作、維修簡單。它們完全獨立，是一種理想的工作崗位起重機，并適用于室外的貨場和裝卸平臺。定柱占地面積小。對于起升凈空非常小的情況下也能獲得最大的起升高度。本設計從整體設計出發(fā)，依次設計計

2、算了2t定柱式懸臂起重機的懸臂和立柱的主要機構部件。選取了螺栓，開式齒輪等主要零部件。設計了符合要求的懸臂結構，并校核了軸承，焊縫強度和轉動軸鍵的強度和剛度等力學性能參數(shù)。在設計過程中，運用優(yōu)化設計的方法，使各個結構盡量達到最合理的布置和選擇。關鍵詞:定柱式懸臂起重機金屬結構columncantilevercranesstructure design and analysisAbstract: Slewing cantilever crane is a column, rotating arm, cantilever drive and the composition of electric

3、hoist. Column bottom of the base fixed to the concrete foundation by anchor bolts on the gear driven by the motor drives the cantilever rotary, electric hoist for the cantilever-beam on the run from job . Its characteristics are: light weight, arm length, lifting capacity, installation, operation an

4、d maintenance simple. They are completely independent, is an ideal job cranes, and applies to the outdoor yard and loading platforms. Set column small footprint. For lifting the case of very small clearance can get the Maximum lifting height.At the beginning of this design of main mechanism of 0.8t

5、in the column cantilever crane cantilever and the column component calculation.The main parts such as bolts, open gear. Designed to meet the requirements of the cantilever structure, and check the bearing, weld strength and the rotating shaft to bond strength and stiffness and other mechanical prope

6、rties. In the design process, using the method of optimal design, the structure to achieve the most reasonable layout and selection.Key words: Slewing cantilever crane Metal structure1 緒論1.1 課題的背景懸臂起重機是近年發(fā)展起來的中小型起重裝備，結構獨特，安全可靠，具備高效、節(jié)能、省時省力、靈活等特點，三維空間內(nèi)隨意操作，在短距、密集性調(diào)運的場合，比其它常規(guī)性吊運設備更顯示其優(yōu)越性。本產(chǎn)品廣泛應用于各種行業(yè)的

7、不同場所。懸臂起重機工作強度為輕型，起重機由立柱，回轉臂回轉驅動裝置及電動葫蘆組成，立柱下端通過地腳螺栓固定在混凝土基礎上，由擺線針輪減速裝置來驅動旋臂回轉，電動葫蘆在旋臂工字鋼上作左右直線運行，并起吊重物。起重機旋臂為空心型鋼結構，自重輕，跨度大，起重量大，經(jīng)濟耐用。定柱式懸臂起重機又稱立柱式懸臂起重機，起重量在125Kg-5000Kg，定柱式旋臂吊具有結構新穎、合理、簡單、操作方便、回轉靈活、作業(yè)空間大等優(yōu)點，是節(jié)能高效的物料吊運設備，可廣泛適用于廠礦、車間的生產(chǎn)線、裝配線和機床的上、下工作及倉庫、碼頭等場合的重物吊運。定柱式旋臂吊根據(jù)其旋臂所使用型鋼的不同可以分為：BZD型和BZD-JK

8、BK型。近年來，隨著電子計算機的廣泛應用，許多起重機制造商從應用計算機輔助設計系統(tǒng)（CAD），提高到應用計算機進行起重機的模塊化設計。根據(jù)市場調(diào)查預測的統(tǒng)計數(shù)字和積累的資料、圖表、圖線規(guī)律，在嚴密的科學理論指導下，擬定起重機結構、機構、部件等多層次的標準化、模塊化單元。起重機采用模塊單元化設計，不僅是一種設計方法的改革，而且將影響整個起重機行業(yè)的技術、生產(chǎn)和管理水平，老產(chǎn)品的更新?lián)Q代、新產(chǎn)品的研制速度都將大大加快。對起重機的改進，只需針對幾個需要修改的模塊；設計新的起重機只需選用不同的模塊重新進行組合；提高了通用化程度，可使單件小批量的產(chǎn)品改換成相對批量的模塊生產(chǎn)。亦能以較少的模塊形式，組合成

9、不同功能和不同規(guī)格的起重機，滿足市場的需求，增加競爭能力。隨著我國國民經(jīng)濟建設進一步深入，商品流通量大幅度增加，交通運輸業(yè)快速發(fā)展，起重運輸機械的需求量越來越大，其實用性能的要求也越來越高。懸臂起重機設備，非常適用五噸以下的工件定點頻繁起吊運輸。在機械加工領域，懸臂起重機具有強大的購買市場和廣闊的發(fā)展前景。1.2國內(nèi)外定柱式懸臂起重機的現(xiàn)狀與發(fā)展前景1.2.1 國內(nèi)起重機現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢中國的起重機產(chǎn)業(yè)誕生于上世紀70年代，經(jīng)過40余年的發(fā)展，經(jīng)歷了70年代引進蘇聯(lián)技術，80年代初引進日本技術和90年代初引進德國技術等三次主要技術改進，始終走著一條自主創(chuàng)新的道路。2000年以來，隨著國內(nèi)外技術交

10、流的日益頻繁和國產(chǎn)自主研發(fā)能力的顯著增強，更多的國外先進技術被成功引進應用，并進行了自主創(chuàng)新，獲得自主知識產(chǎn)權。隨著國產(chǎn)起重機產(chǎn)業(yè)制造水平的全面提升，與國外先進技術的差距不斷縮小，中國起重機產(chǎn)品開始在國際市場上體現(xiàn)出明顯的競爭力。懸臂起重機設備屬于通用機械，在二十多年高速發(fā)展過程中，已經(jīng)逐漸實現(xiàn)了規(guī)?；⒓瘓F化、機械化。在輔助加工生產(chǎn)中和自動化的作用，大大提高了勞動生產(chǎn)效率，減輕工人勞動強度。具有工作平穩(wěn)可靠，操作維護簡單、方便等優(yōu)點。根據(jù)當前我國情況來看，機械工業(yè)處于上升勢頭，汽車工業(yè)、機動車行業(yè)都處于強省發(fā)展期。專家預測，隨著國民經(jīng)濟的的增長，機械行業(yè)有很長一段時間處于旺盛發(fā)展階段，整體機

11、械行業(yè)以及未來發(fā)展過程中，懸臂起重機的使用處于不可替代、不可缺少的地位，在整體工業(yè)化過程中發(fā)揮著重要的輔助生產(chǎn)的作用。因此，我們在設計中應大膽采用先進的設計理念，充分利用計算機輔助工藝規(guī)劃、計算機輔助制造、柔性自動化系統(tǒng)等新技術、新工藝，縮短設計和生產(chǎn)周期、降低成本，調(diào)整產(chǎn)品結構、企業(yè)結構，增強企業(yè)參與市場競爭的能力，使中國起重機制造行業(yè)趕上世界先進水平。1.2.1 國外起重機現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢近二十年來，世界工程起重機行業(yè)發(fā)生了很大變化，世界工程起重機市場進一步趨向一體化。目前世界工程起重機年銷售額已達75億美元左右，主要生產(chǎn)國為美國、日本、德國、法國、意大利等，世界頂級公司有十多家，主要集中在

12、北美、亞洲（日本）和歐洲。美國既是工程起重機的主要生產(chǎn)國，又是最大的世界市場之一。但由于日本、德國起重機工業(yè)的迅速發(fā)展，美國廠商在世界市場獲取的主導地位逐步受到削弱，從而形成了美國、日本和德國三足鼎立之勢。1.3 本設計的主要內(nèi)容、目標和方法1.3.1主要內(nèi)容該課題是以定柱式懸臂起重機的結構設計為主要內(nèi)容的機械產(chǎn)品設計，課題涉及機械結構與傳動、機械加工與裝配等。其中，分析了該起重機所要求實現(xiàn)的功能和相應結構，了解起重機的工作原理，基本結構，系統(tǒng)組成及功能，掌握PROE的使用技術并完成橋式起重機的三維建模，繪制關鍵零部件的二維工程圖，并學會運用軟件做有限元分析。參考其他文獻可知，定柱式旋臂起重機

13、主要由上立柱、下立柱、主梁、主梁拉桿、起升機構（電動葫蘆）、回轉機構、電氣系統(tǒng)、爬梯及檢修平臺組成，其結構緊湊，體積小，操作方便可靠。本研究主要是對該起重機的懸臂梁設計及旋轉功能部分的機構設計及參數(shù)的選擇。包括起升，回轉，變幅及金屬結構的設計。最終使其能很好地實現(xiàn)起重機的運行，而且互不干涉且配合良好。并且通過此次設計，要提高自己的分析問題和解決問題的能力，將自己所學運用到實際的工作中，提高自己的實踐能力。此次設計主要取長補短，利用現(xiàn)有各種關于起重機械技術的優(yōu)點，結合實際對定柱式旋臂起重機做出更合理的設計。1.3.2目標本次設計為2T定柱式懸臂起重機，完成了定柱式懸臂起重機懸臂和立柱等構件的設計

14、驗算。功能實現(xiàn)合理，結構簡單適用，工作可靠。1.3.3方法懸臂起重機由立柱，回轉臂回轉驅動裝置及電動葫蘆組成，立柱下端通過地腳螺栓固定在混凝土基礎上，由擺線針輪減速裝置來驅動懸臂回轉，電動葫蘆在懸臂工字鋼上作左右直線運行，并起吊重物。如圖1-1： 圖1-1 定柱式懸臂起重機簡圖本設計采用規(guī)范的設計計算對定柱式懸臂起重機各結構進行了分析。首先，通過查閱相關書籍和資料，學習定柱式懸臂起重機的相關知識，了解定柱式懸臂起重機的發(fā)展和應用現(xiàn)狀，掌握定柱式懸臂起重機金屬結構的設計方法，學習并掌握PROE繪圖軟件的使用，掌握一般的繪圖方法和計算分析步驟；其次，根據(jù)現(xiàn)今國內(nèi)外生產(chǎn)定柱式懸臂起重機采用的各種結構

15、類型，結合課本知識和參考文獻信息，設計符合使用要求的結構；然后，根據(jù)參考文獻，分析定柱式懸臂起重機的受力情況，并對定柱式懸臂起重機的緩沖器，橫梁結構，立柱，地腳螺栓進行校核，檢驗結構的靜剛度、強度和穩(wěn)定性。本文還對結構進行了PROE三維和二維繪圖，便于生產(chǎn)制造。以及運用有限元分析軟件進行了有限元的分析。1.4定柱式旋臂起重機設計制造中應注意的問題1.4.1 撓度設計JBT8906-1999懸臂起重機524條允許下?lián)隙纫螅捍怪毕聯(lián)隙葢_到這樣的程度以保證：(1)臂架上運行的小車在正常作業(yè)時不會失控；(2)臂架不能自行回轉；起重機設計應使額定起重量在有效半徑處產(chǎn)生的垂直下?lián)隙葟S不應超過：(R+U

16、A)/250；其中R為有效半徑；UA為工作地面至懸臂下側的高度。1.4.2 導繩器的設計采用單層纏繞的電動葫蘆應設置導繩器；當采用導繩器時，應能保證當?shù)蹉^下降，鋼絲繩沒有其他外力作用時，鋼絲繩仍能自由地從導繩的出口中排出，當起升、下降額定載荷，鋼絲繩對卷筒軸線垂直面的偏角為30，能正常工作。2 懸臂起重機基本參數(shù)確定本次設計的目標是設計一種結構簡單，占地空間少，作業(yè)范圍大，操作方便，轉動靈活，適用于車間，倉庫及車間等固定場所的懸臂起重機。通過一定的市場調(diào)查后，初步總結為：（1） 市場需求的絕大多數(shù)懸臂梁起重機為輕中級工作制，起重量在5噸和5噸以下的中小型號。（2）為能在環(huán)境復雜的倉庫、車間等各

17、種工況下正常工作必須具備占地空間小，轉動靈活和工作范圍大的特點。（3）由于日常作業(yè)量普遍較大，所以要求起重機必須結構簡單，便于拆裝維護。2.1起重機結構方案的擬定對于立柱式懸臂起重機來講，按產(chǎn)品構造分主要分為以下幾種：A.具有下支座的立柱式旋臂起重機： 回轉角度270 (見圖2-1)；B.具有下支座的立柱式旋臂起重機： 回轉角度360 (見圖 2-2)；C.具有上下支座的立柱式旋臂起重機： 回轉角度360(見圖 2-3)。這三種構造分類中，方案A的結構復雜程度最為簡單，它的懸臂驅動裝置的驅動軸與立柱軸線并不在一條直線上，這種結構使懸臂驅動裝置獨立于立柱之外，另外設立懸臂回轉軸，簡化了立柱的結構

18、。但是，由于懸臂回轉軸與立柱軸線并不共線，懸臂的回轉會受到立柱的阻礙，所以沒有辦法使懸臂的回轉角度達到360。經(jīng)過估算這種結構所能達到的最大回轉角度只可以達到270，應此與方案B相比器作業(yè)面積要小25%，由于存在作業(yè)盲區(qū)，所以不太適合在一些空間狹小，同時又要求大范圍作業(yè)的工況。方案C需要有上下支座支撐，加大了固定難度，環(huán)境局限性強。經(jīng)過分析折中，選定功能全面，安裝方便的方案B作為結構方案。 圖2-1 下支座立柱式懸臂起重機 圖2-2 下支座的立柱式懸臂起重機圖2-3 上下支座立柱式懸臂起重機 圖2-4 小車外懸掛 圖2-5 小車內(nèi)懸掛電葫蘆（或小車）是懸臂起重機直接吊裝載荷的重要裝備。它與懸臂

19、梁的連接主要采取輪軌方式，這種懸掛方式主要分為兩種：外懸掛式，如圖2-4；內(nèi)懸掛式，如圖2-5。外懸掛方式的運行軌道為工字軌，如圖2-4所示，加工軌面簡單，維護容易，加工以及維護成本較低。相對于外懸掛式，內(nèi)懸掛式的軌面在懸臂內(nèi)，這樣的設計加工難度較大，不易維護，加工成本高。但是由于軌面在內(nèi)側，不易受環(huán)境影響，滑動平穩(wěn)，精度較高。由于本次設計的懸臂起重機主要用在倉庫及車間等場所，對精密吊裝要求較低，故選擇A方案。2.2起重機主要目標設計參數(shù)的確定在機械行業(yè)標準JB/T8906-1999懸臂起重機中所推薦的起重機基本參數(shù)中起重機起重量為0.125-10t,有效半徑2-10m,通過調(diào)查和查閱資料，用

20、戶所需的定柱式旋臂起重機的基本參數(shù)90%在以下范圍：起重量0.5-3t,起升高度3-5.5m,有效半徑3-5.5m。2.2.1 基本參數(shù)的選擇（1）起升重量起重機正常工作時允許一次起升的最大重量稱為額定起重量。起重機中的懸臂起重機對應不同的臂架長度有不同的額定起重量，額定起重量不止一個時通常稱額定起重量為最大起重量，或簡稱起重量,用“Q”表示，單位噸（t）。根據(jù)最大起重量國際標準,選定額定起重量為2t。（2）起升高度 起升高度是指自地面到吊鉤鉤口中心的距離，用“H”表示單位米（m），它的參數(shù)標定值通常以額定起升高度表示。旋臂起重機的起升高度為定值，設計值定為3m。（3）工作幅度工作幅度是指在額

21、定起重量下，起重機回轉中心軸線到吊鉤中心線的水平距離，通常稱為回轉半徑或工作半徑，用“R” 表示，單位為米（m）。選定R為3m。（4）回轉角度回轉角度為：=360。起重機按照GB/T 3811的規(guī)定確定起重機的工作級別：表1 起重機工作級別根據(jù)市場調(diào)查，此型起重機在工作中，有時起升額定載荷，一般起升中等載荷。選定其載荷狀態(tài)為Q2-中，Kp=0.25 ，起重機利用等級定位為經(jīng)常中等的使用，即U5，總的工作循環(huán)次數(shù)2.5105，由此確定工作級別為A4。2.2.2 電動葫蘆的選擇環(huán)鏈電動葫蘆是一種新型小型起重設備；是起吊、運送、裝卸貨物、工件的理想設備。它廣泛用于各行各業(yè)的加工車間、倉庫、碼頭、建筑

22、業(yè)、各類商店及各種現(xiàn)代化的生產(chǎn)流水線，裝配線。在空間較小的工作場所使用更是靈活迅捷，安全方便。PK型環(huán)鏈電動葫蘆是一種新型產(chǎn)品，具有提升速度快、運轉平穩(wěn)、機體緊湊、體積小、重量輕、操作方便、外形美觀等特點?？蓮V泛應用于工廠、礦山、碼頭、商店、倉庫等方面用作起吊重物；亦可同架空行車配套組成空間運輸系統(tǒng)具有當代世界先進水平。在國際市場上享有盛譽。如圖2-6青島新中原起重設備有限公司生產(chǎn)的PK型環(huán)鏈電動葫蘆。最終選擇定為PK10N-2F型。 圖2-6 PK型電動葫蘆表2 PK型環(huán)鏈電動葫蘆技術參數(shù)所選電動葫蘆參數(shù)：PK10N-2F:起重量：2000Kg起重鏈條行數(shù)：2行起升高度：3m起升速度：（1）

23、快速：4m/min (2) 慢速：1m/min5) 起升電機功率：（1）快速：1.5 (2) 慢速：0.35Kw6) 電源：3380V 50Hz與電動葫蘆匹配的電動運行小車參數(shù)：1）型號：EU10PK2）運行速度：14m/min3）電機功率：0.2Kw4）負載持續(xù)率：40%5）工字鋼型號：GB706 1856c6）最小轉彎半徑：1.4m該型電動葫蘆尺寸：a=318mm h=810mm e=280mm h1=700mm3 關鍵零部件設計3.1懸臂工字鋼尺寸確定由電動葫蘆相關參數(shù)可知，工字鋼選擇區(qū)間為GB706 1856c 初選32a 材料為Q235-A,相關尺寸如表3表3 工字鋼32a尺寸參數(shù)尺

24、寸 hbdtrr1截面面積/cm2理論重量Kg/m數(shù)值3201309.515.011.55.867.15652.7173.2緩沖器的選擇3.2.1緩沖器型號的選擇選擇上海青立起重設備有限公司生產(chǎn)的起重機用ZLA型緩沖器。圖樣及相關技術參數(shù)如圖3-1和表4。圖3-1 起重機用ZLA型緩沖器表4 起重機用ZLA型緩沖器技術參數(shù)3.2.2緩沖器參數(shù)的選擇由起重機參數(shù)可知，起升重量為2000Kg,速度最大為14m/min,假設接觸緩沖器到停止位用時t=3s,則有公式：Ft=mv 則F=2000Kg(14/60)m/s/3s=0.1556KN由計算數(shù)據(jù)可知選擇的緩沖器型號為ZLA-1型，具體參數(shù)如表5。

25、表5 ZLA-1型緩沖器技術參數(shù)尺寸DHtmh緩沖容量緩沖行程緩沖力重量數(shù)值65mm80mm10mm16mm35mm0.243KN/m48mm56.11KN1.03Kg3.2.3緩沖器強度校核按14m/min的平均值作為緩沖過程的速度，則緩沖時間為：t=0.411s由Ft=mv可得F=0.568KN網(wǎng)格命令，系統(tǒng)即可顯示如左下圖的對話框，其中顯示系統(tǒng)預設的元素尺寸及公差值。按下ok后，系統(tǒng)即進行劃分網(wǎng)格2） 約束限制條件以及指定約束位置。在前邊步驟完成之后，接著將進行外部條件的設定。指定零件的端面如圖所示，并在下拉菜單中，選擇Simulation插入 限制命令。在此次分析中，零件的約束有兩個地

26、方如圖63所示，軸套內(nèi)圈在起升載荷時固定，加強肋板下部端面立柱中部的圓錐滾子軸承連接固定。所以在分析中將上述部位固定，以便施加載荷進行分析。圖63 約束位置3） 施加載荷以及指定約束位置如圖指定零件的位置，并在下拉菜單中選擇Simulation插入 壓力 命令來添加載荷。本次分析中吊裝載荷以及小車的自重，都是通過小車的車輪與鋼軌的接觸，作用在工字型梁上的。根據(jù)小車的尺寸圖64。 圖64 小車輪尺寸根據(jù)上圖得知，小車與鋼軌接觸的位置形狀為四條線，經(jīng)過計算分別距離梁端面150mm和450mm。加載載荷后如圖65所示。 圖65 載荷位置圖4）執(zhí)行分析在下拉菜單中，選擇Simulation運行 命令來

27、執(zhí)行分析，生成報告。53 主梁分析報告零件的材料為Q235A，總質量為775.109kg，網(wǎng)格信息如下表6所示。根據(jù)結構特點，確定單元類型。網(wǎng)格劃分的質量決定了有限元分析的計算精度和計算效率。表 6網(wǎng)格信息網(wǎng)格類型:實體網(wǎng)格所用網(wǎng)格器: 標準自動過渡: 關閉光滑表面: 打開雅各賓式檢查: 4 Points 要素大小:46.204 mm公差:2.3102 mm品質:高要素數(shù):14329節(jié)數(shù):282725.3.1 主梁應力結果表7 應力結果 名稱類型最小位置最大位置圖解1VON:von Mises 應力0.271473 N/m2節(jié): 228(28.3385 mm,414 mm,4505.41 mm

28、)1.26544e+008 N/m2節(jié): 7518(84 mm,0 mm,3520.9 mm)圖66 應力分析詳圖從圖66中可以直觀的看出，應力在小車輪與工字型鋼梁的接觸線上比較大，另外一個應力比較大的地方就是加強肋板上方的工字型梁處，此處為全構件應力最大的地方，雖然沒有超過的屈服極限，并且還有一定的安全系數(shù)，但是這里出現(xiàn)了小范圍的引力突然增大處，出現(xiàn)了應力集中現(xiàn)象，應力集中現(xiàn)象可能會影響此處的設計壽命，以及疲勞強度。所以可以考慮修改為一個圓角結構，來減小應力集中的現(xiàn)象。5.3.2 主梁應變結果表8 應變結果名稱類型最小位置最大位置圖解1ESTRN :對等應變1.6131e-012 要素: 2

29、756(105.638 mm,80.5 mm,4521.8 mm)0.000499438 要素: 8424(135 mm,1.70727 mm,3543.98 mm)圖67 應變分析詳圖應變結果分析。分析結果，最大應變發(fā)生在主梁與加強肋板的交線處，最大為0.000499438，和應力集中的部位相同，解決方法同應力分析相同，將此處結構改為圓角。5.3.3 主梁位移結果表 9 位移結果名稱類型最小位置最大位置圖解1URES:合力位移0 m節(jié): 1(72 mm,460 mm,4090 mm)0.0108037 m節(jié): 3309(0 mm,400 mm,0 mm)圖68 位移分析詳圖根據(jù)中華人民共和國

30、機械行業(yè)標準中的旋臂起重機標準，JB/T 98061999規(guī)定，允許下?lián)隙鹊闹担怪毕聯(lián)隙葢_到這樣的程度以保證：A） 臂架上運行的小車在正常作業(yè)時不會失控；B） 臂架不能自行回轉。起重機設計應使額定起重量在有效半徑處產(chǎn)生的垂直下?lián)隙葢怀^表10的規(guī)定。表10 允許下?lián)隙绕鹬貦C工作級別為A5，按照表中允許下?lián)隙扔嬎?，允許下?lián)隙鹊闹禐?.016m,經(jīng)過分析在額定載荷狀態(tài)下，主梁的最大撓度為都小于0.0108037m，符合有關的國家行業(yè)標準。5.3.4 主梁設計檢查結果圖59 安全系數(shù)詳圖起重機按許用應力法進行靜強度和疲勞計算時，基本條件是保證零部件或構建危險截面或所選計算截面上的危險點的計算應

31、力，小于許用應力。安全系數(shù)的大小與零部件或構件的安全性和重要性，載荷和應力計算的精確性等因素有關。我國起重機設計規(guī)范（GB 381183）對機構傳動零件和結構構件強度和疲勞計算的安全系數(shù)有明確的規(guī)定。經(jīng)過查閱，重要的結構構件的靜強度安全系數(shù)應該在1.5以上。設計檢查結果顯示最小安全系數(shù)是1.9，在國家標準之上，但又沒有高出太多造成浪費。54 立柱建立實體模型分析立柱的實體模型如圖610所示。主要結構由兩個軸肩，底部法蘭盤，地腳螺栓孔以及加強肋板等特征組成。從上至下第一軸段通過軸承與主梁配合，中段的凸起定位安裝一個圓錐滾子軸承與主梁的支撐肋板相連接。圖510 立柱模型立柱的材料為鑄鐵，各部分材料

32、相同，并為一個整體。首先在COSMOSWORKS中建立一個靜態(tài)研究，接著選擇材料，如圖611所示選擇HT200作為材料圖611 立柱材料參數(shù)1）建立網(wǎng)格與網(wǎng)格設定。在完成建模、新增分析程序的材料參數(shù)的定義后，接著將進行網(wǎng)格的劃分。2）約束限制條件以及指定約束位置。在前邊步驟完成之后，接著將進行外部條件的設定。在此次分析中，零件的約束有兩個地方如圖512所示，分別是底面法蘭盤上的四個與地腳螺栓配合的孔，還有與水泥固定面接觸的法蘭盤底面。所以在分析中將上述部位固定，以便施加載荷進行分析。圖512 立柱的約束3）施加載荷以及指定約束位置如圖指定零件的位置，并在下拉菜單中選擇Simulation插入

33、壓力命令來添加載荷。由于懸臂梁的結構包含了一個一端固定在立柱中部軸承上的支撐肋板，所以立柱的受力狀態(tài)為，上部的通過軸承與梁連接的部分只承受向下的壓應力載荷和軸套的側向力，而中部立柱對于支撐肋板的支反力來平衡主梁產(chǎn)生的力矩。如圖613所示。 圖613 軸載荷圖614 主結構受力簡圖下面來計算立柱所承受的載荷。如上圖614所示為起重機主要結構的受力簡圖。在圖中，F(xiàn)1為起升載荷即起重量加上小車的自重。F2與F3為一對作用力與反作用力，F(xiàn)3為懸臂支撐結構作用在立柱上的壓力，根據(jù)吊車靜止，所以和力矩為0，可以根據(jù)F1的大小得到F2的值。解的F2的值約為78560N，所以F3的大小也為78560N。再單獨

34、分析立柱，水平方向的合力為0，所以解的F5大小也為78560N。單獨分析橫梁，豎直方向上合力為0，所以F1與F6大小相等方向相反，F(xiàn)6=30820N。F6與F7為一對作用力與反作用力，所以至此，立柱上的除底面固定約束外的所有載荷F3=F5=78560N，F(xiàn)7=30820N已經(jīng)全部解出。作用點以及方向如圖613所示。4）執(zhí)行分析在下拉菜單中，選擇Simulation運行命令來執(zhí)行分析，生成報告。55 立柱分析報告零件的材料為灰鑄鐵HT200，總質量為8639.01 kg，網(wǎng)格劃分信息以及有關的解算器信息都與主梁分析相同，這里不再贅述。5.5.1 立柱應力結果表11立柱應力結果名稱類型最小位置最大

35、位置圖解1VON:von Mises應力0.00023719 kgf/cm2節(jié): 23402(782.843 mm,0 mm,332.843 mm)69.2807 kgf/cm2節(jié): 404(799.533 mm,1201.74 mm,-16.7361 mm)圖615 立柱應力圖解根據(jù)分析結果，最大應力為，單位換算后為6.92807MPa,遠小于查表得出的5MPa的許用應力，也遠小于校核時計算出的22MPa的應力值。強度出現(xiàn)了大幅度的過剩。5.5.2 立柱應變結果表12 立柱應變結果名稱類型最小位置最大位置圖解1ESTRN :對等應變5.00081e-009要素: 7773(815.574 m

36、m,12.5 mm,335.196 mm)3.67259e-005要素: 7143(798.358 mm,1199.19 mm,41.6892 mm)圖616 立柱應變圖解應變最大處與應力最大處相同，但同樣最大處僅為。5.5.3 位移結果表12 立柱的位移結果名稱類型最小位置最大位置圖解1URES:合力位移0 m節(jié): 5(173.856 mm,0 mm,-257.843 mm)0.000814231 m節(jié): 75(750 mm,4150 mm,1.53081e-014 mm)圖617 立柱位移圖解立柱的位移量從下至上遞增，最大的位移量發(fā)生在立柱頂面，位移量為0.000814231 m，遠遠小于

37、有關的許用撓度標準。立柱的剛度也出現(xiàn)了過剩。6.5.4 立柱分析總結經(jīng)過分析立柱的強度和剛度不管是在力的作用處，還是在可能發(fā)生應力集中的地方，都出現(xiàn)了比較大的冗余。在設計檢查中其最小安全系數(shù)仍然達到了29之巨。出現(xiàn)了比較嚴重的強度剛度浪費的現(xiàn)象。所以根據(jù)傳統(tǒng)設計方法和有關經(jīng)驗公式計算出的最小截面過大了。這是因為，傳統(tǒng)設計方法在有關的強度和剛度的校核上過于保守。另外傳統(tǒng)設計方法無法精確的模擬立柱在額定工作狀態(tài)下的受力情況，只能做近似的計算，這也是導致設計量出現(xiàn)大幅冗余的一個主要原因。56 設計改進 在主梁和立柱的分析中發(fā)現(xiàn)了一些在傳統(tǒng)設計方法中無法及時發(fā)現(xiàn)的問題。首先分析橫梁。在橫梁的有限元分析

38、中發(fā)現(xiàn)，橫梁的強度和剛度都滿足了設計的要求，其中強度值非常充足。相對于強度值，剛度值滿足設計要求，但是沒有很大的裕度。這也是現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的普遍的問題，就是強度有余而剛度不足，因此無法再進行優(yōu)化設計。另外還有在支撐結構與工字鋼梁的接觸線發(fā)現(xiàn)不嚴重的應力集中現(xiàn)象，這里設計一個圓角結構可以很好的減輕應力集中現(xiàn)象，但是這里加圓角會大大提高工件的加工難度，且應力集中現(xiàn)象并不嚴重，所以決定保持原來的設計方案不變。再來分析立柱。在立柱的有限元分析中發(fā)現(xiàn)，通過傳統(tǒng)設計，以及經(jīng)驗公式的方法設計出的工件強度和剛度都出現(xiàn)了較大幅度的冗余。這樣的設計浪費了材料，增加了成本，使體積笨重。所以有必要對立柱進行優(yōu)化設計，以便把

39、強度和剛度控制在合理的范圍內(nèi)。優(yōu)化設計的方案具體有兩種。一種為改變立柱的內(nèi)部結構，即將立柱內(nèi)部設計為中空的結構以便節(jié)省材料；第二種為減小立柱的截面積以便降低冗余強度和剛度。在立柱的優(yōu)化設計中以上兩種方法，第二種會改變軸上的特征的大小，特征變化后，不管是橫梁，還是軸承都得重新選用設計。所以這里采用改變內(nèi)部結構的方法優(yōu)化設計。具體方案為，立柱將不采用實心結構，而是設計為一個壁厚為50mm的空心管狀結構，以減少鑄造的用料量。同時這種方案并沒有大幅提高加工工藝的復雜性，所以，采用此種方案后再進行分析。圖618如圖618所示，圖中為修改后的立柱實體模型，可以從其底部清楚的看到其管狀空心結構，大幅度的節(jié)省

40、了鑄造的材料。模型建好后如分析立柱一樣施加載荷與約束，劃分網(wǎng)格進行有限元分析，具體步驟同立柱的分析，這里不做贅述。分析結果如圖619所示。圖619 立柱應力分析圖從圖619中可以清楚的看出其最小安全系數(shù)已經(jīng)回落到了一個合理的值，表13 優(yōu)化后的有關值名稱類型最小位置最大位置應力結果VON:von Mises 應力0.000859662 kgf/cm2節(jié): 15836(717.487 mm,5.27008e-014 mm,-282.128 mm)245.389 kgf/cm2節(jié): 13785(698.734mm,711.415 mm,25.1273 mm)名稱類型最小位置最大位置位移結果URES

41、:合力位移0 m節(jié): 56(350 mm,3.74533e-014 mm,-173.205 mm)0.00336286 m節(jié): 742(590 mm,4150 mm,1.71451e-014 mm)表13為優(yōu)化后的應力結果和位移結果，應力結果中最大的應力已經(jīng)達到了24.5MPa與材料許用的35MPa接近了，但是還是留有一定的安全裕度。總的說來，這此優(yōu)化設計達到了目的。6 軸承的選用與裝配體整個裝配體共用到軸承3個，如下圖71所示。圖71 全部軸承在圖71中，從上到下一共有三個軸承。從上面開始，第一個軸承是一個深溝球軸承，軸承的代號10280，是一個標準件。第二個軸承是推力球軸承，軸承代號114

42、00480，外徑480，內(nèi)徑400，也是標準件。第三個軸承為角接觸球軸承，軸承代號00500，是標準件。三個軸承所受載荷均小于許用載荷。裝配體圖如下圖72所示。圖72 總裝配體7 總結定柱式旋臂起重機是一種新型輕小起重設備,具有投資少、占地面積小、安全、高效、節(jié)能及使用方便等特點,一直為先進工業(yè)國家廣泛地采用。但中國對該產(chǎn)品的開發(fā)研制很晚,生產(chǎn)廠家很少,不能滿足市場需求。而且生產(chǎn)中多采用傳統(tǒng)方法設計,設計過程中無法全面直觀地了解整機以及一些關鍵部位的應力狀況和位移變形情況,造成整機結構笨重的缺陷,一些局部結構設計也往往不盡合理。基于上述原因,該課題旨在在分析和研究國內(nèi)外該型起重機的先進技術的同

43、時,根據(jù)實際需要，取長補短對定柱式旋臂起重機進行結構優(yōu)化設計，并運用PRO/E軟件進行三維建模并導出二維圖形，從而確定相關尺寸。在設計過程中，嚴格按照設計標注和起重機設計手冊來完成，采取傳統(tǒng)的力學設計方法，取長補短，利用現(xiàn)有各種關于起重機械技術的優(yōu)點，對定柱式旋臂起重機的整體結構布局進行緊湊而合理的設計，合理設計尺寸和利用材料，既保證該起重機滿足要求，又節(jié)約成本，進而符合該課題的要求和全新的設計理念。并且通過此次設計，要提高自己的分析問題和解決問題的能力，將自己所學運用到實際的工作中，提高自己的實踐能力。參 考 文 獻1 陳道南.起重運輸機械. 北京:機械工業(yè)出版社,1998.12-178.2

44、 郁祝年.工程力學和工程結構. 北京:中國電力出版社,1996.8-160.3 付榮柏.起重機.鋼結構制造工藝. 北京:中國鐵道出版社,1991.18-280.4 胡宗武,顧迪民.起重機設計計算. 北京:科學技術出版社,1987.5-360.5 陳國璋,孫桂林.起重機計算實例. 北京:中國鐵道出版社,1984.6-278.6 李靜.工程起重機綜合評價方法研究. 碩士學位論文.大連：大連理工大學， 20077 劉長江.懸臂起重機設計制造中應注意的問題.起重運輸機械, 2008(11) : 26-278 黃琳.起重機伸縮臂結構優(yōu)化研究.碩士學位論文.大連：大連理工大學，20079 嚴正宏.起重機運

45、動機構參數(shù)優(yōu)化設計.碩士學位論文.浙江：浙江大學，200810陳玲,宋平娜，彭佳等.基于ANSYS的定柱式懸臂起重機的有限元分析.天津理工大學學報，2005.02：64-67.11 K.M.liew . Slewing jib crane for space restricted areas. Manufacturers Monthly, 2006, 0(10)12陳建萱.起重機械的電動機選擇.起重運輸機械,1996，總第250期（1）：25-26.13盧素玲.懸臂起重機應用與研究進展.焦作大學學報，2011,25(3):101-102. 14張質文等.起重機設計手冊.北京：中國鐵道出版社，1

46、99715徐格寧，陸鳳儀，張亮有.定柱式旋臂起重機結構整體優(yōu)化研究,同濟大學學報,2001(12) :7-816陳瑋璋.起重機械金屬結構.北京: 人民交通出版社,198617趙經(jīng)文，王宏鈺.結構有限元分析.北京: 科學出版社，2001致謝本次設計是在吳淑芳等老師的悉心指導下完成的，她嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、高深的學術水平以及細心的輔導使我受益匪淺，她對本人在學習、工作、生活等方面的深切關心與幫助使我終生難忘。在此謹向吳淑芳等老師表示衷心的感謝和誠摯的敬意！ 最后感謝機械工程系領導、老師和同學在我學習期間的關心、支持和幫助！目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc35776

47、1195 1 緒論 PAGEREF _Toc357761195 h 1 HYPERLINK l _Toc357761196 1.1 課題的背景 PAGEREF _Toc357761196 h 1 HYPERLINK l _Toc357761197 1.2國內(nèi)外定柱式懸臂起重機的現(xiàn)狀與發(fā)展前景 PAGEREF _Toc357761197 h 2 HYPERLINK l _Toc357761198 1.2.1 國內(nèi)起重機現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 PAGEREF _Toc357761198 h 2 HYPERLINK l _Toc357761199 1.2.1 國外起重機現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 PAGEREF _To

48、c357761199 h 2 HYPERLINK l _Toc357761200 1.3 本設計的主要內(nèi)容、目標和方法 PAGEREF _Toc357761200 h 3 HYPERLINK l _Toc357761201 1.3.1主要內(nèi)容 PAGEREF _Toc357761201 h 3 HYPERLINK l _Toc357761202 1.3.2目標 PAGEREF _Toc357761202 h 3 HYPERLINK l _Toc357761203 1.3.3方法 PAGEREF _Toc357761203 h 3 HYPERLINK l _Toc357761204 1.4定柱式

49、旋臂起重機設計制造中應注意的問題 PAGEREF _Toc357761204 h 4 HYPERLINK l _Toc357761205 1.4.1 撓度設計 PAGEREF _Toc357761205 h 4 HYPERLINK l _Toc357761206 1.4.2 導繩器的設計 PAGEREF _Toc357761206 h 4 HYPERLINK l _Toc357761207 2 懸臂起重機基本參數(shù)確定 PAGEREF _Toc357761207 h 5 HYPERLINK l _Toc357761208 2.1起重機結構方案的擬定 PAGEREF _Toc357761208 h

50、 5 HYPERLINK l _Toc357761209 2.2起重機主要目標設計參數(shù)的確定 PAGEREF _Toc357761209 h 6 HYPERLINK l _Toc357761210 2.2.1 基本參數(shù)的選擇 PAGEREF _Toc357761210 h 7 HYPERLINK l _Toc357761211 2.2.2 電動葫蘆的選擇 PAGEREF _Toc357761211 h 8 HYPERLINK l _Toc357761212 3 關鍵零部件設計 PAGEREF _Toc357761212 h 11 HYPERLINK l _Toc357761213 3.1懸臂工

51、字鋼尺寸確定 PAGEREF _Toc357761213 h 11 HYPERLINK l _Toc357761214 3.2緩沖器的選擇 PAGEREF _Toc357761214 h 11 HYPERLINK l _Toc357761215 3.2.1緩沖器型號的選擇 PAGEREF _Toc357761215 h 11 HYPERLINK l _Toc357761216 3.2.2緩沖器參數(shù)的選擇 PAGEREF _Toc357761216 h 12 HYPERLINK l _Toc357761217 3.2.3緩沖器強度校核 PAGEREF _Toc357761217 h 12 HYP

52、ERLINK l _Toc357761218 3.3橫梁結構尺寸的確定及校核 PAGEREF _Toc357761218 h 12 HYPERLINK l _Toc357761219 3.3.1橫梁簡化模型 PAGEREF _Toc357761219 h 12 HYPERLINK l _Toc357761220 3.3.2橫梁結構尺寸的確定 PAGEREF _Toc357761220 h 13 HYPERLINK l _Toc357761221 3.3.3橫梁結構內(nèi)力分析及強度校核 PAGEREF _Toc357761221 h 14 HYPERLINK l _Toc357761222 3.4

53、立柱尺寸及強度校核 PAGEREF _Toc357761222 h 15 HYPERLINK l _Toc357761223 3.4.1立柱相關尺寸確定 PAGEREF _Toc357761223 h 15 HYPERLINK l _Toc357761224 3.4.2立柱強度校核 PAGEREF _Toc357761224 h 17 HYPERLINK l _Toc357761225 3.7定柱式旋臂起重機撓度計算 PAGEREF _Toc357761225 h 17 HYPERLINK l _Toc357761226 3.8立柱外形尺寸設計 PAGEREF _Toc357761226 h

54、19 HYPERLINK l _Toc357761227 3.9法蘭盤尺寸的計算 PAGEREF _Toc357761227 h 20 HYPERLINK l _Toc357761228 3.10地腳螺栓強度校核 PAGEREF _Toc357761228 h 21 HYPERLINK l _Toc357761229 3.11 定柱式旋臂起重機確定參數(shù) PAGEREF _Toc357761229 h 21 HYPERLINK l _Toc357761230 4 懸臂起重機三維實體建模及二維圖 PAGEREF _Toc357761230 h 22 HYPERLINK l _Toc35776123

55、1 4.1 起重機的三維實體建模 PAGEREF _Toc357761231 h 22 HYPERLINK l _Toc357761232 4.1.1 橫梁的建模 PAGEREF _Toc357761232 h 22 HYPERLINK l _Toc357761233 4.1.2 立柱的建模 PAGEREF _Toc357761233 h 22 HYPERLINK l _Toc357761234 4.1.3立柱與軸承室連接 PAGEREF _Toc357761234 h 23 HYPERLINK l _Toc357761235 4.1.4軸承室主要零部件的建模 PAGEREF _Toc357761235 h 23 HYPERLINK l _Toc357761236 4.1.5 斜臂支撐部分建模 PAGEREF _Toc357761236 h 24 HYPERLINK l _Toc357761237 4.1.6 球面墊圈、錐面墊圈 PAGEREF _Toc357761237 h 24 HYPERLINK l _Toc357761238 4.1.7 整體裝配 PAGEREF _Toc357761238