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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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，隨著社會的發(fā)展，社會生活中對起重機(jī)的需求越來越大，但是，與國外汽 車起重機(jī)相比，國外汽車起重機(jī)技術(shù)得到了飛速發(fā)展，所以國內(nèi)起重機(jī)的研發(fā)越來越緊 迫。然而對于汽車起重機(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)是臂長變化容易、工作臂長種類多、可以帶載伸縮、 實(shí)用性很強(qiáng)，缺點(diǎn)是自重重、對整機(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)方法對主臂的三鉸點(diǎn)、主臂的長度、及每節(jié)臂的長度、液壓 缸尺寸進(jìn)行確定，對臂架進(jìn)行受力分析，利用有限元對臂架進(jìn)行分析。 1 緒論 1.1 國內(nèi)外汽車起重機(jī)發(fā)展概況及趨勢 1.1.1 國內(nèi)汽車起重機(jī)發(fā)展概況及趨勢 中國的汽車式起重機(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)德國的技術(shù)。但是總體來說，中國的汽車式起重機(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，中國的汽車式起重機(jī)產(chǎn)業(yè)取得了長足的發(fā)展， 雖然與國外相比還有一定的差距，但是這個差距正在逐漸的縮小。而且我國目前在中小 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 的汽車式起重機(jī)行業(yè)一定會發(fā)展成為一個發(fā)展穩(wěn)定，市場化程度高的成熟產(chǎn)業(yè)。 許多專家認(rèn)為，高速發(fā)展的市場，是中國汽車式起重機(jī)產(chǎn)業(yè)各個廠商有利的技術(shù)創(chuàng) 新基礎(chǔ)和環(huán)境。近幾年，中國汽車式起重機(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)國外技術(shù)的做法，也使的中國汽車式起重機(jī)產(chǎn)業(yè)在達(dá)到和接 近國際先進(jìn)水平的同時，在產(chǎn)品技術(shù)上有明顯的中國特質(zhì)。 中國汽車式起重機(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)故障自動診斷，遠(yuǎn)程控制的能力。 當(dāng)前我國新一代汽車起重機(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)荷的無級調(diào)速，有效防止起重作業(yè)時的二次下滑現(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， 以單個液壓油缸可完成多節(jié)伸臂的運(yùn)動，并達(dá)到各種工況的程度控制和自動伸縮，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。 在走向國際市場的過程中，我國汽車式起重機(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 國外汽車起重機(jī)發(fā)展概況及趨勢 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，如美國的格 魯夫、德國的利勃海爾、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。 汽車起重機(jī)的市場主要集中在東亞、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，德國利勃海爾公司略占優(yōu)勢，但從企 業(yè)規(guī)模上講，美國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 總的趨勢式供大于求，面對激烈競爭，國外各大公司除了紛紛增加投資、擴(kuò)大生產(chǎn)、提 高自身的競爭能力外，還通過聯(lián)合或兼并來提高在國際市場的份額。如 1984 年，美國 格魯夫公司收購了英國老牌企業(yè)科爾斯公司。1987 年，德國克虜伯公司收購了格的瓦 爾德公司，稱為當(dāng)時德國最大的起重機(jī)公司，但該公司 1995 年又被美國格魯夫公司收 購。1990 年，日本多田野兼并了德國法恩公司等。 在起重機(jī)行業(yè)內(nèi)，國外的大型汽車起重機(jī)的發(fā)展比我國迅速，在技術(shù)和運(yùn)用上已相 4 當(dāng)成熟，目前國際市場對汽車起重機(jī)的需求在不斷增加，從而使國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)械自動化和自動化設(shè)備，這對起重機(jī)行業(yè)的發(fā) 展造成了很大的影響。目前國外的起重機(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 外起重機(jī)的繼續(xù)發(fā)展占有了更大的優(yōu)勢。 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。同時采用該形式的起重機(jī)在五節(jié)以上伸縮臂應(yīng)用時難度較大。 西方發(fā)達(dá)國家生產(chǎn) 50 噸以上的中、大噸位輪式起重機(jī)時，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 年博覽會上可以看出，橢圓形伸縮臂、單缸插銷式伸縮機(jī)構(gòu)、自 動伸縮臂系統(tǒng)構(gòu)成了以德國利勃海爾(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，其重量優(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內(nèi)己廣泛使用。 目前國內(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，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 的吊臂對中裝置，使伸縮更方便，但國內(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 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)是臂長變化容易、工作臂長種類多、可以帶載伸縮、實(shí)用性很強(qiáng)，缺點(diǎn)是自重重、 對整機(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， 就是簡單的滑輪原理。對于四節(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 缸加一級繩排、單缸或多缸加兩級繩排。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缸或 多個單級缸或多級缸和單級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)（多個單級缸加一級繩排） ，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，對于大噸位的起重機(jī)，對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)伸縮臂的傳動方案和臂架的截面，然后對起重機(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.北京：中國鐵道出版社，1997. 2顧迪民.工程起重機(jī).哈爾濱：中國建筑工業(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.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.液壓傳動設(shè)計(jì)手冊.機(jī)械工業(yè)出版社.1988 13 官忠范.液壓傳動系統(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. 汽車起重機(jī)伸縮臂回縮抖動分析. 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