剪叉式物流液壓升降臺(tái)的設(shè)計(jì)【含CAD圖紙、說(shuō)明書(shū)】
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畢業(yè)設(shè)計(jì) 外文翻譯學(xué)生姓名班 級(jí)學(xué) 號(hào)學(xué)院名稱專業(yè)名稱指導(dǎo)教師 年5月26日復(fù)合材料制升降平臺(tái)的新設(shè)計(jì)理念L. Solazzi & R. Scalmana摘要作為一種起重設(shè)備,升降工作平臺(tái)越來(lái)越多的應(yīng)用于建筑行業(yè)和維修領(lǐng)域。例如,風(fēng)力渦輪機(jī)樞紐的維護(hù)就需要通過(guò)使用工作平臺(tái)來(lái)完成;但是因?yàn)楦咚俟窐?biāo)準(zhǔn)的限制還有這些結(jié)構(gòu)自身的高度要求很高,例如最大軸載和最大總尺寸,所以為了滿足這些要求,需要把結(jié)構(gòu)的材料從經(jīng)典結(jié)構(gòu)鋼(S235 JR,S275 JR或S355JR)改為高強(qiáng)度鋼(S700至S1100或更高),這樣就可以獲得更高的比電阻。 本文的想法是使用復(fù)合材料來(lái)制作升降平臺(tái)的臂,以減少機(jī)器的整體重量。同時(shí)通過(guò)對(duì)新型平臺(tái)的分析表明,用復(fù)合材料作為臂部材料大約會(huì)降低機(jī)器部件50%的重量。當(dāng)然作為可行性研究,可能仍然會(huì)存在一些問(wèn)題,例如所用復(fù)合材料的機(jī)械性能(疲勞,環(huán)境影響等)。關(guān)鍵詞 復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);碳纖維;起重平臺(tái)1 引言由于使用了高強(qiáng)度鋼材,近年來(lái)巨大的高層平臺(tái)優(yōu)化了機(jī)械特性,減輕了重量,發(fā)展的很快(圖1);事實(shí)上,為了能夠在公路上運(yùn)輸,這種特性在可移動(dòng)結(jié)構(gòu)中是很重要的。圖1在風(fēng)力渦輪機(jī)上工作的鋼平臺(tái)然而,這些結(jié)構(gòu)的高度還在不斷增加,使運(yùn)輸?shù)目赡苄赃_(dá)到了極限。因此這項(xiàng)工作的目的是設(shè)計(jì)一個(gè)由高強(qiáng)度鋼和復(fù)合材料共同制成臂的工作平臺(tái),并將其與僅由高強(qiáng)度鋼制成的平臺(tái)進(jìn)行比較。該平臺(tái)的設(shè)計(jì)工作高度為85米;在意大利市場(chǎng)上,它代表了非常高的尺寸?,F(xiàn)在不同部件的原型,比如手臂,汽缸,接頭,主要是由高強(qiáng)度鋼合金制成。而且現(xiàn)在越來(lái)越多的工作機(jī)械也是由這些合金制作而成,如處理材料1,2和卡車部件3-5的設(shè)備 ,但由于重量大以及平臺(tái)結(jié)構(gòu)的運(yùn)輸不便而表現(xiàn)出了很大的問(wèn)題;但實(shí)際上臂的一小部分(伸縮臂的最后部分)可以由塑料材料制成,特別是在用于維護(hù)電線的平臺(tái)中,這樣還可以方便在籃中的操作者和其余部分之間引入導(dǎo)電絕緣體來(lái)保護(hù)操作者。當(dāng)然這項(xiàng)工作的最終目標(biāo)是在遵守道路標(biāo)準(zhǔn)的情況下,大大減輕系統(tǒng)的重量,從而減少搬運(yùn)車運(yùn)輸?shù)闹亓坎⒃黾酉到y(tǒng)的負(fù)載能力。通過(guò)水泥攪拌車,我們第一次造出了由復(fù)合材料制成的車臂;另外最近一家公司還開(kāi)發(fā)了一種混凝土泵,由5個(gè)部分組成,其中最后兩部分由碳纖維制成。但是,該機(jī)器的設(shè)計(jì)規(guī)格在工作區(qū)域和負(fù)載范圍上還是有很大的不同,例如,升降平臺(tái)中的位移沒(méi)有受到限制。從初步的幾何設(shè)計(jì)規(guī)范開(kāi)始,本文討論了所有與實(shí)現(xiàn)復(fù)合結(jié)構(gòu)有關(guān)的主要問(wèn)題6,7:如所需尺寸的定義,臂移動(dòng)的概念和隨后的設(shè)備,尺寸臂部分的分析,動(dòng)力學(xué)分析和有限元方法的失效驗(yàn)證。2 材料和方法2.1 設(shè)計(jì)規(guī)格由于該平臺(tái)必須與卡車連接,并且必須達(dá)到約85米的最大高度; 所以在手臂的末端有一個(gè)叫做JIB的設(shè)備,用于指揮平臺(tái)的精細(xì)運(yùn)動(dòng); 平臺(tái)的工作范圍如圖2所示。此外具有這些商業(yè)可用性特征的平臺(tái)基本上都由7個(gè)伸縮臂組成,其端部都連接了JIB結(jié)構(gòu)。2.2 負(fù)載條件通過(guò)水泥混合器,我們第一次用碳纖維替代鋼材制作了重型車輛的工作臂,其中碳纖維用于替代傳統(tǒng)的鋼架; 但是此應(yīng)用與升降平臺(tái)在負(fù)載條件和允許的行為方面存在明顯差異;主要區(qū)別是:& 對(duì)于水泥攪拌機(jī)臂來(lái)說(shuō),最大允許位移是升降平臺(tái)的一個(gè)重要參數(shù),它具有具體的規(guī)定;另外一方面水泥攪拌機(jī)的機(jī)械臂與應(yīng)力相關(guān)聯(lián)地安全系數(shù)就不那么重要了,因?yàn)檫@在制造時(shí)就必須做到;& 水泥攪拌機(jī)臂一旦延長(zhǎng),在延伸期間受到來(lái)自水泥通過(guò)連接管而產(chǎn)生的連續(xù)負(fù)荷是不存在的,因?yàn)槠脚_(tái)此時(shí)具有相同的工作重量,可以改變因運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的壓力;& 混凝土攪拌機(jī)的管道和臂結(jié)構(gòu)是一起工作來(lái)增加設(shè)備的機(jī)械阻力,但在升降平臺(tái)中,所有的負(fù)載都由臂來(lái)支撐。平臺(tái)所需考慮的負(fù)載包括結(jié)構(gòu)的重量和支撐的操作員的重量以及風(fēng)壓(與平臺(tái)高度有關(guān))。另外為了評(píng)估由運(yùn)動(dòng)引起的動(dòng)力學(xué)行為,可以使用一個(gè)特定的程序(MECAD)來(lái)計(jì)算籃子的死值和載荷值,結(jié)果約為1.5。 圖2平臺(tái)的總運(yùn)行范圍 這種類型的機(jī)器的載荷頻譜8,9基本上都來(lái)自臂的運(yùn)動(dòng)步驟,而在操作員使用停止的臂進(jìn)行工作時(shí),盡管由于操作員的移動(dòng)引起了小的隨機(jī)變化,但負(fù)載卻可以被認(rèn)為是恒定的。2.3 新平臺(tái)的主要特點(diǎn)該新平臺(tái)是使用復(fù)合材料(碳纖維和環(huán)氧樹(shù)脂基體)和鋼(主要用于臂接頭裝置)構(gòu)成的,以此來(lái)減輕重量;其中每個(gè)臂的長(zhǎng)度約為12米;此外起重機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)功能組:第一組前四個(gè)伸縮臂由高強(qiáng)度鋼構(gòu)成,第二組由四個(gè)可閉合臂組成; 這個(gè)選擇是基于以下幾個(gè)考慮因素:& 碳纖維的成本與鋼相比要高得多,但是大部分用放大特性材料做成的部件必須使用碳纖維,因?yàn)橐紤]重量,當(dāng)然結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力不僅取決于重量,還取決于杠桿臂,當(dāng)你靠近籃筐時(shí),杠桿臂要高得多。& 碳纖維和其他復(fù)合材料一樣,在使用滑塊時(shí)伸縮臂上的滑動(dòng)阻力低,但與使用輥的鋼合金相比,接觸疲勞抗力也低,而這可能會(huì)導(dǎo)致手臂結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一些問(wèn)題,例如單層的脫落。& 該機(jī)器的纖維是長(zhǎng)纖維,這使得復(fù)合材料能夠減少主載荷方向上的阻力; 另外因?yàn)楣ぷ餍枰褂锰囟>邅?lái)實(shí)現(xiàn)手臂的驅(qū)動(dòng),而短纖維具有較低的耐疲勞性并且更難以與鋼部件接合,所以需要使用長(zhǎng)纖維代替短纖維。2.4 材料的性質(zhì)可閉合臂材選擇的使用材料是具有環(huán)氧基體的低模量碳纖維,這是作為材料性能和相關(guān)成本之間的最佳折衷方案; 他們的特征如表1所示。此外每層纖維的百分比為60; 而使用這些數(shù)據(jù)就可以計(jì)算出薄層的機(jī)械特性7,如表2所示。最后選擇方向1還是方向2取決于纖維的取向,并且在圖3的報(bào)告方案之后重新定義。表1 組成使用薄片的材料的機(jī)械特性材料密度kg / m3 楊氏模量E MPa剪切模量G MPa 泊松比環(huán)氧樹(shù)脂 1200 450016000.4碳纖維1750230000 50000 0.3表2整個(gè)薄層的機(jī)械特性密度kg / m3彈性模量E1(到纖維方向) 兆帕 彈性模量E2(到纖維方向)兆帕 剪斷系數(shù) G12 MPa重大的泊松比率12 次要泊松比率v211530139800 10929 38170.340.0262.5 臂的尺寸手臂的大小取決于幾個(gè)因素,其中一些是:& 壓力的數(shù)值;& 屈曲現(xiàn)象;& 疊層中單層的堆疊順序;每個(gè)復(fù)合臂都需要一個(gè)專屬的模具來(lái)建造,同時(shí)這個(gè)模具還可以制作具有可變截面的工作臂,其大小從頂部到底部增加,同時(shí)彎曲應(yīng)力也增大到最大值。通過(guò)制定一個(gè)具體的方案來(lái)計(jì)算手臂的應(yīng)力,以便確定負(fù)荷圖上不同位置工作臂之間的動(dòng)作;計(jì)算出最大反作用力(軸向力和彎矩)后,再考慮工作臂截面的定義以及使用有限元軟件的應(yīng)力ABAQUS。構(gòu)成疊層的層的堆疊順序必須符合以下規(guī)則:& 必須根據(jù)主載荷方向選擇單層的方位角;& 每個(gè)薄片取向(0,45-45,90)應(yīng)在層壓板中占據(jù)至少10的百分比;& 提供對(duì)稱分布的層以避免剪切延伸和延伸彎曲耦合,因?yàn)檫@會(huì)在疊層中引起危險(xiǎn)的彎曲;& 通過(guò)考慮它們?cè)诏B層內(nèi)部成分中的搭配來(lái)保護(hù)主層& 保證厚度逐漸變化圖3定義纖維的取向 圖4從平臺(tái)F的集中力和分布載荷P(尺寸單位mm)開(kāi)始,計(jì)算第一臂結(jié)構(gòu)中的反作用力的模式 通過(guò)報(bào)告第一手臂所遵循的程序來(lái)解釋計(jì)算手臂應(yīng)力的方法。組成起重臂的第一臂在一端與籃筐連接,另一端與第二臂連接; 另外通過(guò)控制液壓缸來(lái)操作駕駛臂;此外按照?qǐng)D4的方案進(jìn)行反作用力的計(jì)算。該結(jié)構(gòu)的所有運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)(圖5)都使用由布雷西亞大學(xué)機(jī)械工業(yè)工程系開(kāi)發(fā)的MECAD軟件來(lái)進(jìn)行圖解化,該軟件可以計(jì)算每個(gè)臂和裝置中的反作用力,以及在臂打開(kāi)過(guò)程中每個(gè)部分的位移,速度和加速度。MECAD圖5使用軟件計(jì)算復(fù)合結(jié)構(gòu)中反作用力的模式應(yīng)力的計(jì)算遵循經(jīng)典的二維層復(fù)合理論10; 所考慮的堆疊順序是(902,45,-45,04)。在葉片上引入第一個(gè)兩軸的參考系統(tǒng)但忽略垂直于葉片平面的變形的3可以用下列公式來(lái)計(jì)算變形: 從彈性層的彈性常數(shù)開(kāi)始計(jì)算Sij分量形式的柔度矩陣S: 為了計(jì)算開(kāi)始變形時(shí)的應(yīng)力,需要使用剛度矩陣Q,即柔度矩陣的倒數(shù): 這些公式可用于與主軸方向?qū)R的纖維增強(qiáng)層,如果有相對(duì)的角度,則需要使用旋轉(zhuǎn)矩陣t: 圖6用于計(jì)算層壓板剛度特性的模式圖7特定負(fù)載條件下臂的位移值(單位:mm)其中c2=cos2,s2=sen2,而且: 而且用于計(jì)算通用薄層應(yīng)力的表達(dá)式也變?yōu)椋?如果是由一定數(shù)量的板組成的疊層板,就有可能計(jì)算出力和力矩: e01和kij分別表示層壓板在主要方向上的變形,彎曲和緊湊形式: 圖8第一臂的靜態(tài)安全系數(shù)值圖9 層壓板區(qū)域中的每一層的應(yīng)力趨勢(shì)ABBD矩陣的組件可以通過(guò)以下方式進(jìn)行計(jì)算: 如圖6所示,其具有該層的Zi位置因?yàn)閷盈B體是平衡和對(duì)稱的,所以組件A16和A26的B矩陣的分量等于0。現(xiàn)在可以使用逆ABBD矩陣來(lái)計(jì)算變形和彎曲: 圖10為不帶籃子的JIB臂的前四種振動(dòng)模式:a第一模式(4.5 Hz),b第二模式(22.3 Hz),c第三模式(5.9 Hz),d第四模式(30.5 Hz)圖11 在重合位置的整個(gè)結(jié)構(gòu)的視圖 由于層的平衡和對(duì)稱布置,所以在薄層的彎曲處可以獲得等于0的相同變形;其中最大應(yīng)力位于0薄層,達(dá)到約100MPa的數(shù)值,明顯低于破壞極限;而這樣就可以確保達(dá)到令人滿意的抗疲勞強(qiáng)度,同時(shí)還可以看到碳纖維的優(yōu)異特性11,12。在此過(guò)程之后,確定臂的所有部分,這些部分通過(guò)增加彎矩較高處的截面尺寸來(lái)優(yōu)化彎曲阻力;而這種用金屬臂很難獲得的特性對(duì)于用復(fù)合材料制成的模具來(lái)說(shuō)是輕松可以達(dá)到的。此外需要使用有限元程序執(zhí)行多個(gè)分析來(lái)評(píng)估結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)行為,其中包括全局應(yīng)力、位移、屈曲系數(shù)等方面,。2.6 有限元分析 有限元分析使用ABAQUS標(biāo)準(zhǔn)代碼進(jìn)行; 其中復(fù)合材料臂被建模為殼單元而金屬零件被建模為3D零件;此外給每個(gè)臂賦予限定的層壓板的堆疊順序與每層的對(duì)應(yīng)厚度;另外為了改善建模的行為給予每個(gè)手臂的局部取向,如圖7所示。如圖8所示,一旦應(yīng)力計(jì)算出來(lái),就可能應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的失效準(zhǔn)則,如Tsai-Hill一樣。另外也可以檢查層壓板中沿厚度變化的應(yīng)力,但由于取向的變化,所建立的值對(duì)于每個(gè)薄層而言顯然不同; 如圖9所示,最大應(yīng)力值可在0薄層中找到。 圖12整個(gè)結(jié)構(gòu)在主要尺寸重合位置的視圖,表明了臂的各個(gè)部分的變化趨勢(shì)(單位為毫米)表3鋼平臺(tái)和復(fù)合平臺(tái)臂架的重量機(jī)器臂重量kg設(shè)備重量kg總重量kg鋼平臺(tái)632 160 792復(fù)合平臺(tái) 170 180 350百分比變化73 % +12 % 56 %最后進(jìn)行的分析計(jì)算了臂的固有振動(dòng)模式,圖10中示出了JIB臂的前四種振動(dòng)模式。2.7 結(jié)構(gòu)的最終面貌最終的結(jié)構(gòu)由四個(gè)可閉合的復(fù)合臂和四個(gè)可伸縮的鋼臂組成,其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖11。同時(shí)為了最小化高度,鋼和復(fù)合臂以交錯(cuò)的方式連接。圖12中顯示了結(jié)構(gòu)的主要尺寸,包括復(fù)合材料臂的截面尺寸。此外所有進(jìn)行的分析表明,由于材料變化(碳纖維的密度比鋼的密度低5倍),重量會(huì)減少很多;雖然結(jié)構(gòu)設(shè)備的重量反而會(huì)增加,但在整體范圍內(nèi),總重量會(huì)明顯減輕,正如表3中的JIB所報(bào)告的那樣。此外重復(fù)處理復(fù)合材料中其他三個(gè)臂的數(shù)值,其重量減少量與JIB中的百分比會(huì)完全相同,達(dá)到50。關(guān)于成本,可以比較復(fù)合材料臂和其等同重量鋼材之間的材料成本。用低模量碳纖維(STS纖維)和環(huán)氧基體制成的薄板的成本約為35歐元/平方米,而高強(qiáng)度鋼(屈服應(yīng)力約為1300兆帕)的成本為4歐元/千克;但是考慮到厚度(0.63 mm)和密度(1,530 kg / m3)是可以算入每公斤材料成本的,所以最后其成本為34歐元,因此復(fù)合材料的總材料成本如表4所示。機(jī)器的總成本其實(shí)還包括很多其他因素,例如模具成本和制造產(chǎn)品的數(shù)量,但這些因素目前不可計(jì)算。3 結(jié)論本文設(shè)計(jì)的是一個(gè)全新的平臺(tái)概念,研究了使用復(fù)合材料替代鋼臂的可能性,在進(jìn)行了一系列的新型設(shè)計(jì),分析了各種材料給出的可能性后,最后選擇了長(zhǎng)纖維復(fù)合材料。表4復(fù)合平臺(tái)和鋼平臺(tái)JIB的材料成本手臂成本 設(shè)備成本總費(fèi)用鋼平臺(tái)25306403170復(fù)合平臺(tái)57807206500這使得它能夠應(yīng)用于非常高大的平臺(tái)(例如尺寸變得越來(lái)越大的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)),而如果用鋼鐵材料的話這些平臺(tái)將不能在道路上使用和駕駛。雖然現(xiàn)在仍然存在一些與使用復(fù)合材料有關(guān)的問(wèn)題,例如疲勞和局部屈曲以及與環(huán)境的相互作用,還有成本,與鋼鐵相比,成本明顯增加了,但是如果與不能在道路上行駛相比,優(yōu)勢(shì)還是大于劣勢(shì)的。
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