墻壁式旋臂起重機結構設計【含CAD圖紙+文檔】

墻壁式旋臂起重機結構設計【含CAD圖紙+文檔】,含CAD圖紙+文檔,墻壁,式旋臂,起重機,結構設計,cad,圖紙,文檔 墻壁式旋臂起重機結構設計與分析 摘要：本次課題首先進行墻壁式旋臂起重機結構形式選擇，然后將所選擇結構轉化為力學模型進行受力分析，并選擇工件材料，確定工件尺寸。根據計算結果，在SolidWorks對所選墻壁式旋臂起重機結構進行三維建模，并運用ANSYS對所建三維模型進行靜態(tài)有限元分析，分析內容包括起重機整體變形與其所受應力。墻壁式旋臂起重機是一種安裝在墻壁上的起重設備，結構獨特，安全可靠，具備高效、節(jié)能、省時省力、靈活等特點，在生產車間運用廣泛。 關鍵詞：墻壁式旋臂起重機；三維建模；結構設計；有限元分析 Structure Design and Analysis of Wall Jib Crane Abstract This paper chose the structure of the wall jib crane first,and then translated the selected structure into mechanical model for stress analysis, and selected the parts material and designed the dimension of the parts. After the design calculation, used SolidWorks to 3D model the selected wall jib crane, and used ANSYS static finite element to analyse the 3D model. The analysis include the overall deformation of crane and it’s stress. The crane structure is finally obtained.The wall jib crane is a lifting equipment installed on the wall. It has many features:unique stuctures, safe, reliable, high efficiency, energy saving, time saving, labor saving, flexible and so on.So it is widely used in the production workship. Keywords: Wall jib crane；3D model；Structure design；Finite element analysis I 目 錄 摘要···············································································Ⅰ Abstract············································································Ⅱ 目錄···············································································Ⅲ 1 緒論 1 1.1 本課題研究背景及意義 1 1.2墻壁式旋臂起重機簡介 2 1.3墻壁式旋臂起重機結構類型 2 1.4 本課題研究內容 3 2 墻壁式旋臂起重機參數確定 5 2.1墻壁式旋臂起重機型號與參數確定 5 2.2 旋臂工字鋼型號選擇 6 2.3 確定拉桿的材料和尺寸 7 2.4 計算各螺栓連接 7 2.5 確定各裝配板的材料及尺寸 8 3 墻壁式旋臂起重機三維建模 12 3.1 墻壁式旋臂起重機建模方案 12 3.2 主梁建模 12 3.3 拉桿建模 14 3.4 裝配板建模 14 3.5 螺栓螺母調用 16 3.6 裝配體建模步驟 17 4 靜力分析 20 4.1 有限元分析概述 20 4.2 有限元結構分析 20 5 總結 26 參考文獻 27 致謝 29 1 緒論 1.1 本課題研究背景及意義 墻壁式旋臂起重機是一種中小型的起吊運輸設備，其按結構可分為：橋架式、輕小型起重設備、臂架式，其中墻壁式旋臂起重機就是屬于其中的臂架式起重機設備 。伴隨著我國整體經濟建設進一步提高，大幅度增加的商品流通，快速發(fā)展的運輸交通業(yè)，起重機運輸機械的需求量也越發(fā)突顯出來，對其使用性能的要求也日益提高，在這些設備的生產過程中都必須要使用輕便快捷的起重設備。墻壁式旋臂起重機設備屬于通用機械，在高速發(fā)展的20多年中，漸漸的向著規(guī)?；?，集團化，機械化方向發(fā)展。在機械行業(yè)的輔助加工生產廣泛接受，能夠起到實現各加工工序連續(xù)性和自動化的作用，極大地提高了勞動生產率，減輕勞動強度。具有平穩(wěn)可靠的工作，簡單便捷的操作維護等優(yōu)點。 伴隨著我國整體經濟建設進一步提高，大幅度增加的商品流通，快速發(fā)展的運輸交通業(yè)，起重機運輸機械的需求量也越發(fā)突顯出來，對其使用性能的要求也日益提高，雖然如此，但是隨著我國制造業(yè)的發(fā)展，目前，旋臂起重機產品綜合性能比較差。對于旋轉起重機而言，中國產品性能比日本產品強，但使用經濟性，可維護性，操作便利性和可靠性相對要差。中國產品雖然起重性能并不亞于國際品牌，但旋臂起重機的幾何結構和載荷情況比較復雜，傳統的設計主要是根據經驗確定其結構參數，沒有精確的強度計算，為了滿足可靠性要求，通常取較大的安全系數，從而造成材料浪費，成本提高需要繼續(xù)進行更好的研發(fā)。 隨著現代計算機控制技術飛速發(fā)展，使得旋臂起重機的設計在綜合考慮控制系統安全可靠性，操作的舒適性，機構及結構優(yōu)化等方面有了更高的要求。旋臂起重機創(chuàng)新設計的發(fā)展方向是零部件集成化，機構簡潔化，結構全面優(yōu)化的整機設計；滿足個性用戶的特殊要求的個性化設計；滿足市場多樣性和低成本要求的具有新技術特征的起重機新系列產品的模塊化設計；基于產品全壽命周期的方便維護維修的設計及免維護的設計；大型單臺復雜產品的虛擬設計及動態(tài)仿真的實現。真正意義上的創(chuàng)新設計是上述諸多設計方法和技術的有機組合及綜合利用。 1.2 墻壁式旋臂起重機簡介 起重機根據結構類型可分為：輕小型起重設備、橋架式、臂架式、纜索式 ，而墻壁式旋臂起重機屬于其中的臂架式起重機，工作情況如圖1-1所示。 圖1-1 墻壁式旋臂起重機 墻壁式旋臂起重機也可以叫做墻壁吊。墻壁式旋臂起重機自身擁有的特點就是：結構簡單，使用操作過程方便，工作范圍靈活，作業(yè)空間廣等優(yōu)點，在吊運裝備中屬于是節(jié)能高效的一類，在日常生產中廣泛使用于車間的裝配線，生產線和生產中的上下工件及倉庫，貨場等場合的重物吊運。墻壁式旋臂起重機又稱墻壁吊，在靠近墻壁處服務于一個半圓形空間，是一種往復的，間歇動作的，短距離搬運機械，它旋轉工作范圍通常為180°。壁式旋臂起重機用于吊起輕小型重物，它的起重范圍一半為0.5t – 5t，可沿著墻壁，大大的提高電動葫蘆使用的工作范圍，是一種非常經濟的起重設備。 1.3 墻壁式旋臂起重機結構類型 墻壁式旋臂起重機結構類型大概分為兩種，一種為帶斜拉桿的結構如圖1-2（2），一種為不帶斜拉桿的結構如圖1-2（1）。依照其實際工作需求和環(huán)境要求，靈活的選用墻壁式旋臂起重機，才能夠使其發(fā)揮最大化的用途。 圖1-2 墻壁式旋臂起重機結構形式（帶拉桿） 圖1-3 墻壁式旋臂起重機結構形式（不帶拉桿） 1.4本課題研究內容 1.4.1確定起重機參數 本課題為墻壁式旋臂起重機結構設計與分析，主要對所選起重機金屬結構部分進行設計、建模與分析，使所設計起重機金屬結構滿足強度使用要求。所選起重機參數如下： 起重量：2t；回轉半徑：3.5m；起升高度：；旋轉角度：≤180° 1.4.2 確定起重機結構與設計計算結果 (1) 起重機結構確定 前面提到墻壁式旋臂起重機總共有兩種主要形式，本次設計由于起重機跨度大，懸臂長度過長，為了增加起重機的穩(wěn)定性，則選擇帶有斜向拉桿形式的結構。 (2) 相關設計計算 第一步：選取各零件和組件的材料，選定主梁和拉桿的截面形狀； 第二步：計算所選擇各零件的受力，并對結構受力分析； 第三步：對零件進行校核，根據要求的剛度強度計算部件結構尺寸。 （3）建模與分析 第一步是把各個部分部件依據前期運算所確定的尺寸，在SolidWorks三維建模軟件進行零件的建模，每個零件的三維模型建立完畢后，第二步依據裝配關系，完成起重機的裝配，在使用ANSYS軟件打開裝配體，加入零件材料，正確的建立零件相互間的連接關系，依照實際受力對起重機添加載荷，完成起重機的靜態(tài)有限元分析。 2 墻壁式旋臂起重機參數確定 2.1墻壁式旋臂起重機的參數確定 (1) 起重機受力 根據起重機起重量為2噸，查河北真牛起重設備有限公司電動葫蘆產品手冊，選取自重的電動葫蘆。選擇截面梁為工字鋼的主梁，型號是32a,查閱鋼型手冊可知，理論質量。 (2) 計算主梁受力 a) 對主梁作分離分析，解出受力狀況如下圖2-1所示： 圖2-1 主梁受力 b) 根據《結構力學》知識，分析主梁的受力，及主梁為二次超靜定結構，撤去B處與拉桿連接的力，以代替，如下圖2-2所示： 圖2-2 分解受力圖 c) 根據三角形原理算得， ；所以，斜拉桿施加給主梁的拉力。 d) 根據以上計算可得主梁受力圖示如下圖2-3（a）,主梁所受彎矩，彎矩圖如下圖2-3（b）所示。 （a） 主梁受力圖 （b） 主梁彎矩圖 圖2-3 主梁受力、彎矩圖 2.2旋臂工字鋼型號選擇 查《機械設計手冊》，選擇工字鋼材料為Q235，得到Q235的性質如下： 抗拉強度； 屈服強度； 取安全系數為S=2； 許用應力， 結合前面的計算結果，所以危險截面是主梁與拉桿連接的B處。 這時抗彎截面系數計算得出 查《材料力學》型鋼表選擇18號工字鋼進行校核，此時，截面積。同時考慮軸力及彎矩M的影響，進行校核。工字鋼危險截面B的下邊緣各點上壓應力為 結果表明，18號工字鋼可以滿足強度要求，所以選擇工字鋼梁的型號為18a。 2.3 確定拉桿的材料和尺寸 選擇強度高的材料設計拉桿，本次設計拉桿的材料選為45#圓鋼。45#鋼是在機械設備中常用的一種材料，其參數為： 抗拉強度； 屈服強度； 設計中拉桿安全系數； 拉桿的許用應力。 綜上所述，拉桿選為直徑為30mm的45#圓鋼。 2.4 計算各螺栓連接 本次起重機設計所有連接處均選用螺栓連接，將所有螺栓連接。均為鉸制孔用螺栓，查《機械設計》螺紋表選取螺栓性能等級為4.6，螺母性能等級為4級。 由選擇的螺栓連接的性能等級，可得到螺栓的性能： 公稱抗拉強度， 屈服強度。 選取螺栓連接的安全系數，抗剪安全系數，。得出螺栓 抗拉許用應力； 抗剪許用應力； 擠壓許用應力 2.5確定各裝配板的材料及尺寸 作為起重機中重要的零件，選擇裝配板的材料為Q235。根據之前螺栓直徑及拉桿直徑的計算，可以確定在各裝配板上螺栓孔的直徑和個數。 裝配板1尺寸設計 圖2-6 裝配板1基本尺寸 1) 裝配板2尺寸設計 。 圖2-7 裝配板2基本尺寸 2) 裝配板3上尺寸設計 圖2-8 裝配板3上基本尺寸 3) 裝配板3下尺寸設計 圖2-9 裝配板3下基本尺寸 4) 主梁安裝孔尺寸設計 起重機主梁選取18#工字鋼。其余具體尺寸見圖2-18(a)和2-18(b)（單位：mm）。 (a) 主梁根部 (b) 主梁端部 圖2-10 主梁安裝孔 3 墻壁式旋臂起重機三維建模 3.1 墻壁式旋臂起重機建模方案 根據前面計算所得起重機金屬結構部分根據設計尺寸建出相應零件模型，然后將零件按照裝配要求組裝成完整的裝配體用于分析，再將裝配體和零件轉化為工程圖。 對于墻壁式旋臂起重機的設計，為保證其形象性，準確性，我采用SolidWorks軟件進行三維建模，SolidWorks是一款參數化，基于特征的實體造型系統，具有單一，集成的數據庫功能。SolidWorks的用戶可以運用智能的，基于特征的建模方法生成各種特征和實體模型及各類工藝特征，如體、腔、殼、孔、筋、槽、倒圓角及倒角等，這些功能使設計者的操作更加快捷和靈活零件建模完成后按照安裝要求組裝成壁式起重機，并能符合相應運動要求。 3.2主梁建模 1) 工字鋼拉伸 利用SolidWorks軟件，新建零件，首先選定基準面，根據18#工字鋼的截面形狀和尺寸在草圖中繪制工字鋼截面，繪制完成后退出草圖，使用拉伸命令，輸入工字鋼長度3500，點擊完成拉伸。這樣得到標準18#工字鋼如圖3-1。 圖3-1工字鋼建模 2) 主梁安裝孔建模 得到18#工字鋼的建模后，要在工字鋼梁上對安裝板1、安裝板2及限位角鋼的安裝孔進行建模。 首先對安裝板1和限位角鋼的安裝孔進行建模，選定繪制草圖的前視基準面，在相應的尺寸位置繪制草圖如圖3-2(a)，草圖繪制完成后退出草圖，選擇拉伸切除命令，即在主梁的對應位置上完成安裝孔的建模如圖3-2(b)。 (a) 安裝孔草圖 (b) 安裝孔特征 圖3-2 主梁安裝孔建模 3.3斜拉桿建模 圖3-3 斜拉桿建模 3.4裝配板建模 介紹裝配板的建模過程時，由于裝配板1、裝配板2和上下裝配板3結構形式相同，建模過程也類似，只是尺寸上的不同，所以只以裝配板2作為示例進行介紹其建模過程。 1) 裝配板2建模 裝配板2建模的首先也是建立空心圓柱模型，該步建模過程同裝配板1，只是繪制同心圓的尺寸不同，所以該步過程參考安裝板1的過程?？招膱A柱建模完成后，選擇上視基準面繪制側板的草圖如圖3-4(a)，將草圖兩側對稱拉伸，可得到側板如圖3-4(b)。 (a) 側板草圖 (b) 側板模型 圖3-4 側板拉伸 初始模型建好后，要對側板的安裝孔進行拉伸切除，選定右視基準面，按照定位尺寸與加工尺寸繪制安裝孔的草圖如圖3-5(a)，利用草圖對側板進行拉伸切除，再對安裝板3的相應邊線進行倒角和倒圓角，就能得到圖3-5(b)所示的安裝板3。 (a) 側板草圖 (b) 安裝板3 圖3-5 安裝板3建模 3.5螺栓螺母調用 1) 螺栓調用 螺栓是標準件可以在SolidWorks中的Toolbox插件中直接調取標準件使用，減少建模時間。下面以螺栓的調用過程： a) 在SolidWorks初始界面點擊右側的“設計庫”圖標，在彈出的工具欄中，雙擊選擇toolbox。 b) Toolbox插入下點擊現在插入，然后在彈出的各文件夾下選擇“Gb”即“國標”文件夾。 c) 在彈出的子文件夾中選擇“bolts and studs”即螺栓文件夾，再選擇六角頭螺栓子文件夾下的“六角頭鉸制孔用螺栓 A和B級 GB/T27-1988”一項，右鍵點擊“生成零件”選項。 d) 在彈出生成螺栓屬性的命令欄中，選擇的螺栓，長度選擇如圖3-6(1)，點擊確定即能得到滿足使用要求的簡化螺栓如圖3-6(2)。 (1) 螺栓屬性 (2) 螺栓 圖3-6 螺栓調用 2) 螺母調用 螺母標準件的調用過程與螺栓類似，以的螺母為例介紹調用過程。前兩步的打開過程和螺栓一樣，只是從第三步中“Gb”下的子文件夾中要打開“螺母”文件夾，在螺母文件夾內選擇“六角螺母”文件夾，選擇“六角螺母 C級 GB/T 41-2000”型螺母。在彈出的螺母屬性欄中選擇的螺母如圖3-7(1)，選擇完屬性點擊確定，就能得到符合要求的螺母如圖3-7(2)。 (1) 螺母屬性 (2) 螺母 圖3-7螺母調用 3.5裝配體建模步驟 1) 零件導入 在SolidWorks中新建裝配體后，首先要插入零部件，本例中首先導入工字鋼主梁，接著導入其它零件，為了裝配過程中不產生混淆，相同或類似的零件最好等上一個相似零件裝配完成后再導入另一個。 2) 配合 配合的過程就是將導入的零件按照裝配關系裝配的過程，介紹配合過程時，類似的配合及所用命令相同的配合只選取單例介紹。 a. 裝配板1與主梁配合 裝配板1與主梁的配合首先選定裝配板1的某個安裝孔，讓其與主梁上與之對應的安裝孔以同軸方式配合；第一步配合完成后選擇選擇主梁腹板的某個面和裝配板側板的面重合；該步完成后就能得到配合完成的裝配板1與主梁如圖3-8。 圖3-8 安裝板1配合 b. 下裝配板2裝配 裝配板1與下裝配板2配合首先選定裝配板2側板安裝孔與裝配板1的圓柱孔配合，然后選擇裝配板2相應平面與裝配板1側板面平行，就可配合完成裝配板1與下裝配板2圖3-9。 圖3-9 安裝板2裝配 c. 拉桿裝配 將拉桿一端側板安裝孔與主梁上對應的安裝孔以同軸的方式配合，再選擇拉桿一端裝配板上某個面與主梁的某個面重合，之后就能得到正切的配合，拉桿即裝配完成如圖3-10。 圖3-10 安裝板裝配 將所有零件依照前面所述裝配方法，按照裝配關系裝配完成即可得到圖3-11所示完整的起重機金屬結構。 圖3-11 起重機裝配體 4 靜力分析 4.1 有限元分析概述 為了保證所設計的起重機符合使用要求，在實際生產前要對設計的結構運用分析軟件進行強度及變形等靜態(tài)分析。此次分析過程中，運用ANSYS軟件進行起重機整體變形和起重機金屬結構所受應力的分析。 根據第2章介紹，起重機應用材料除了拉桿應用45#鋼外，各安裝板、螺栓、螺母和主梁材料都為Q235鋼。在分析過程中需要添加材料性能，現查得兩種材料的性能如表4-1所示： 表4-1 材料性能表 性能 材料 材料密度 （ ） 彈性模量 （ ） 泊松比 Q235 45#鋼 起重機結構的分析過程要明確起重機的受力大小和類型，以及起重機的約束形式，本次課題分析中，要加載的力為起重機的起升重量和電動葫蘆自重，總載荷，上下安裝板5為固定端，其安裝面為固定約束。起重機自重在分析中添加為“地心引力”類型。起重機具體受力形式可以參考圖2-1。 4.2 有限元結構分析 在Workbench中新建靜態(tài)分析，彈出圖4-1所示對話框，在第二欄“Engineering Data”雙擊，打開添加材料的窗口。按照表4-1給出的材料性能依次將Q235和45#鋼添加進來。返回新建靜態(tài)分析界面，在第三欄“Geometry”中導入在SolidWorks中建好的裝配體模型，然后雙擊第四欄“Model”進入分析界面。下面部分介紹分析的具體過程。 圖4-1 靜態(tài)分析對話框 1) 選擇零件材料 在分析界面左側工具欄如圖4-2(a)中，選中零件模型，在界面左下角會出現零件屬性表如圖4-2(b)，在“Material”下的“Assignment”欄中選擇零件材料，拉桿為45#鋼其余零件為Q235。 (a) 分析工具欄 (b) 零件屬性表 圖4-2 零件材料設置 2) 建立零件連接方式 在圖4-2(a)中的“Connection”中設置零件的連接方式，Workbench分析導入的裝配體，軟件默認設置相接觸的零件表面為焊接，因為默認連接方式和實際連接差別不大，所以本次分析中選擇軟件默認添加的連接方式，對連接部分沒有做修改。 3) 劃分網格 在圖4-2(a)的工具欄中選擇“Mesh”劃分網格，選中“Mesh”右鍵中選擇“Generate Mesh”就能自動劃分出如圖4-3所示網格。 圖4-3 網格劃分 4) 添加載荷與約束 在圖4-2(a)的工具欄中，選中“Static Structural (A5)”右鍵“Insert”會彈出圖4-4所示的命令欄，在彈出的命令欄中選擇要加載荷、約束的類型。 圖4-4 載荷類型圖 a) 添加固定約束：選擇圖4-4中的“Fixed Support”為固定約束，選擇后界面左下角彈出圖4-5所示對話框，在“Geometry”中選擇上下安裝板5的安裝面點擊“Apply”，即可添加該固定約束。 圖4-5 固定約束屬性欄 b) 添加載荷：選擇圖4-4中的“Force”為載荷項，選擇后界面左下角彈出圖4-6(a)所示對話框，在“Geometry”中選擇主梁下翼板的受力面點擊“Apply”，即可添加圖4-6(b)所示載荷。 (a) 載荷屬性欄 (b) 加載示意圖 圖4-6 加載過程圖 c) 添加重力：選擇圖4-4(a)中的“Standard Earth Gravity”添加標準地心引力即重力，在界面左下角彈出的圖4-7所示的屬性欄中選擇正確的重力方向（本例為-Y方向），重力就添加完畢。 圖4-7 重力屬性欄 5) 添加求解內容 在圖4-2(a)的工具欄中，選中“Solution (A6)”，在圖4-8所示的界面上方工具欄中選擇“Deformation”下的“total”，添加起重機結構的整體變形為求解結果；再選擇“Stress”下的“Equivalent (von-Mises)”添加應力求解項。 圖4-8 求解內容圖 6) 分析求解結果 完成上面步驟后，點擊圖4-8工具欄上的“Solve”，軟件就會求解出起重機結構在所加載荷與約束下的變形和應力。 a) 求解出的應力結果如圖4-9所示。 圖4-9 應力圖 從求解出的結果看，最大應力，出現在拉桿上如圖4-9所示，拉桿選用材料為45#鋼，其最大許用應力，，因此，該設計結構零件強度符合強度要求。 b) 求解出的起重機變形量如圖4-10所示。 圖4-10 變形圖 從從分析結果圖看出，最大變形量查《起重機設計手冊》的跨度為，起升高度為的壁式起重機允許最大變形量。，因此，該設計起重機變形沒有超過允許值，符合撓度要求。 綜上，最終的起重機能夠滿足強度和撓度要求，所以最終的設計能達到課題設計要求。 5 總結 通過這次對墻壁式旋臂起重機的結構設計與分析，重新學習了大學四年所學的課程，了解了各學科之間的關系，進一步加強了自己所學的知識，重新學習了自己先前沒有學會的知識，不僅把知識融會貫通，而且豐富了大腦，同時在查找資料的過程中也了解了許多課外知識，開拓了視野，認識了將來機械設計的發(fā)展方向。同時完善提高了自己的設計水平，為以后走向工作崗位打下良好的基礎。 通過閱讀大量的文獻資料，對墻壁式旋臂起重機結構和工作原理等技術進行了深入的了解和研究，并對該種設備的國內外技術現狀進行了綜述。 本次設計通過學習使用SolidWorks軟件進行零件繪制，零件之間的組裝和零件及裝配圖的三維繪制等，發(fā)現了SolidWorks軟件在機械制造業(yè)所發(fā)揮的重要作用。它在繪制零件方便快捷，裝配起來靈活自如，轉化三維視圖直截了當；它把零件以三維的形式展現在設計者的眼前，很形象的突出零件各個部分的結構，便于設計者發(fā)現零件的現實性，合理性和可用性，這樣就減少了因為設計而帶來的不合理經濟損失。而且它的二次開發(fā)也做的非常好，像一些粗糙度、形位公差、公差等用起來非常的方便。 參 考 文 獻 [1] 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