汽車起重機優(yōu)化設計

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摘要：隨著經(jīng)濟建設的快速發(fā)展，中國的基礎設施逐漸擴大，道路，機場，港口，水利水電，市政建設等基礎設施建設規(guī)模也越來越大，汽車起重機市場的需求也增加了,本課題是基于對20噸汽車起重機的研究，進一步的伸縮臂的設計，和對其結構工藝的改良是當務之急，也是機械工業(yè)發(fā)展的必然趨勢和前景。 本文通過SolidWorks軟件對20噸汽車起重機進行三維建模，并設計出該起重機中伸縮臂中的一伸臂端，二伸臂端，三伸臂端以及滑輪組的具體結構，對關鍵零部件伸縮臂進行有限元分析，進一步確定它的剛度和強度是否符合要求。 關鍵詞： 汽車起重機；伸縮臂；結構；有限元  Abstract：The design of the transmission gear box box than the islands design, including the identification of parts for the processing technology, the design should first understand the workpiece intheprocessing line and calculation process to determine the tapping spindle diameter, motion model and the initial machine selection part. Three figure (process map parts to be machined, the processing schematic drawing, the machine contact size map, machine productivity calculation card). Multi axle box design, established the transmission components coordinate calculation of shaft drive system, and check the total spindlebox This paper is basis on the secirty modset, design of the drilling, tapping combination two one, reduce machining cost, save time, improve production efficiency. Key words：Machine manufacture;Crankshaft;Processing craft;Fixture; 目 錄 緒論 1 1. 課題的來源及研究的目的和意義 1 2. 國內(nèi)汽車起重機的發(fā)展概況和發(fā)展趨勢 5 2.1 國內(nèi)汽車起重機的發(fā)展概況 5 2.2 國外汽車起重機的發(fā)展概況 5 2.3 Solidworks設計基礎 4 2.3.1 草圖繪制 5 2.3.2 基準特征，參考幾何體的創(chuàng)建 6 2.3.3 拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描和放樣特征建 7 2.3.4 工程圖的設計 10 2.3.5 裝配設計 11 3. 主臂伸縮機構的設計計算 13 3.1 臂架伸縮機構驅(qū)動形式與傳動的驅(qū)動形式的比較與優(yōu)化 14 3.1.1 伸縮臂截面形狀的比較與優(yōu)化 16 3.1.2 伸縮臂材料性能方面的比較與優(yōu)化 17 3.2 臂架伸縮機構的驅(qū)動形式 19 3.3 臂架伸縮液壓缸的計算及選擇 21 3.3.1 負載圖與速度圖的確定 21 4. 零部件的選擇 22 4.1 鋼絲繩的計算和選擇 23 4.2 滑輪及滑輪組的選擇 24 5. 主臂的三維建模及裝配 25 5.1 基本臂的總裝配 25 5.2 主臂建?？傃b配 25 5.3 汽車起重機的三維建模 26 6. 汽車起重機伸縮臂中關鍵零件的有限元應力、應變分析 26 6.1 基本臂的有限元分析 27 7. 結論 28 I 參考文獻 29 致謝 30 II 緒論 1 課題的來源及研究的目的和意義 起重機主要用于起重，運輸，裝卸和安裝材料。它可以完成人力搬運不可能完成的動作，減輕人的體力勞動，提高生產(chǎn)效率，在許多地區(qū)，工廠，礦山，港口，鐵路站施工現(xiàn)場，倉庫，水電站等部門得到了廣泛的應用，隨著生產(chǎn)規(guī)模的日益擴大，特別是現(xiàn)代，專業(yè)生產(chǎn)的需要，各種專用起重機已經(jīng)產(chǎn)生，在許多重要部門，不僅輔助機械生產(chǎn)過程，而且能夠?qū)崿F(xiàn)許多人力不可能完成的作業(yè)。 起重機的工作周期短，屬于物料搬運機械的一種，一般包括進料，運輸，裝卸和回到原位的過程，在高層建筑，冶金，化工，電廠建設和其他大型項目，需要提升很重很大的物體，其中許多物體的重量高達上百噸重。因此，我們必須選擇一些大型起重機吊裝工作設備。大型起重機通常是用龍門起重機，門式起重機，塔式起重機，履帶式起重機，輪式起重機和橋式起重機裝置。 道路，橋梁，水利電力建設用起重機，使用的范圍是非常廣泛，不管什么類型的加載設備，起重設備，電廠設備安裝，混凝土澆筑，模板的運輸，施工垃圾和其他建筑材料都需要使用起重機械，特別是水電工程建設，不僅工程規(guī)模浩大，其特殊的地理條件，季節(jié)性強的施工，工程本身又很復雜，和起重搬運設備，大量各種建筑材料。除了以上介紹的起重機等大型設備外，還應用于水利水電工程，如電纜起重機，浮式起重機，各類起重機在車間在工廠和建筑安裝，為機組，閘門檢修，吊裝垃圾，這些大型龍門起重機，固定卷揚起重機和門座起重機等。這些專用起重機一般屬于大噸位起重機，與龍門式，固定起重機工程起重機共同發(fā)揮著重要的作用，在未來的國家建設中，起重機也將發(fā)揮更大的作用。 機械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民經(jīng)濟提供裝備和為人民生活提供耐用消費品的產(chǎn)業(yè)。不論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還是新興產(chǎn)業(yè)，都離不開各種各樣的機械裝備，機械工業(yè)所提供裝備的性能、質(zhì)量和成本，對國民經(jīng)濟各部門技術進步和經(jīng)濟效益有很大的和直接的影響。機械工業(yè)的規(guī)模和技術水平是衡量國家經(jīng)濟實力和科學技術水平的重要標志。因此，世界各國都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟的戰(zhàn)略重點之一。機械工程的服務領域廣闊而多面，凡是使用機械、工具，以至能源和材料生產(chǎn)的部門，都需要機械工程的服務。概括說來，現(xiàn)代機械工程有五大服務領域：研制和提供能量轉(zhuǎn)換機械、研制和提供用以生產(chǎn)各種產(chǎn)品的機械、研制和提供從事各種服務的機械、研制和提供家庭和個人生活中應用的機械、研制和提供各種機械武器。 不論服務于哪一領域，機械工程的工作內(nèi)容基本相同，主要有：建立和發(fā)展機械工程的工程理論基礎。例如，研究力和運動的工程力學和流體力學；研究金屬和非金屬材料的性能，及其應用的工程材料學；研究熱能的產(chǎn)生、傳導和轉(zhuǎn)換的熱力學；研究各類有獨立功能的機械元件的工作原理、結構、設計和計算的機械原理和機械零件學；研究金屬和非金屬的成形和切削加工的金屬工藝學和非金屬工藝學等等。 研究、設計和發(fā)展新的機械產(chǎn)品，不斷改進現(xiàn)有機械產(chǎn)品和生產(chǎn)新一代機械產(chǎn)品，以適應當前和將來的需要。機械產(chǎn)品的生產(chǎn)，包括：生產(chǎn)設施的規(guī)劃和實現(xiàn)；生產(chǎn)計劃的制訂和生產(chǎn)調(diào)度；編制和貫徹制造工藝；設計和制造工具、模具；確定勞動定額和材料定額；組織加工、裝配、試車和包裝發(fā)運；對產(chǎn)品質(zhì)量進行有效的控制。機械制造企業(yè)的經(jīng)營和管理。機械一般是由許多各有獨特的成形、加工過程的精密零件組裝而成的復雜的制品。生產(chǎn)批量有單件和小批，也有中批、大批，直至大量生產(chǎn)。銷售對象遍及全部產(chǎn)業(yè)和個人、家庭。而且銷售量在社會經(jīng)濟狀況的影響下，可能出現(xiàn)很大的波動。因此，機械制造企業(yè)的管理和經(jīng)營特別復雜，企業(yè)的生產(chǎn)管理、規(guī)劃和經(jīng)營等的研究也多是肇始于機械工業(yè)。 機械產(chǎn)品的應用。這方面包括選擇、訂購、驗收、安裝、調(diào)整、操作、維護、修理和改造各產(chǎn)業(yè)所使用的機械和成套機械裝備，以保證機械產(chǎn)品在長期使用中的可靠性和經(jīng)濟性。 機械產(chǎn)品的應用。這方面包括選擇、訂購、驗收、安裝、調(diào)整、操作、維護、修理和改造各產(chǎn)業(yè)所使用的機械和成套機械裝備，以保證機械產(chǎn)品在長期使用中的可靠性和經(jīng)濟性。研究機械產(chǎn)品在制造過程中，尤其是在使用中所產(chǎn)生的環(huán)境污染，和自然資源過度耗費方面的問題，及其處理措施。這是現(xiàn)代機械工程的一項特別重要的任務，而且其重要性與日俱增。機械的種類繁多，可以按幾個不同方面分為各種類別，如：按功能可分為動力機械、物料搬運機械、粉碎機械等；按服務的產(chǎn)業(yè)可分為農(nóng)業(yè)機械、礦山機械、紡織機械等；按工作原理可分為熱力機械、流體機械、仿生機械等。另外，機械在其研究、開發(fā)、設計、制造、運用等過程中都要經(jīng)過幾個工作性質(zhì)不同的階段。按這些不同階段，機械工程又可劃分為互相銜接、互相配合的幾個分支系統(tǒng)，如機械科研、機械設計、機械制造、機械運用和維修等。 這些按不同方面分成的多種分支學科系統(tǒng)互相交叉，互相重疊，從而使機械工程可能分化成上百個分支學科。例如，按功能分的動力機械，它與按工作原理分的熱力機械、流體機械、透平機械、往復機械、蒸汽動力機械、核動力裝置、內(nèi)燃機、燃氣輪機，以及與按行業(yè)分的中心電站設備、工業(yè)動力裝置、鐵路機車、船舶輪機工程、汽車工程等都有復雜的交叉和重疊關系。船用汽輪機是動力機械，也是熱力機械、流體機械和透平機械，它屬于船舶動力裝置、蒸汽動力裝置，可能也屬于核動力裝置等等。19世紀時，機械工程的知識總量還很有限，在歐洲的大學院校中它一般還與土木工程綜合為一個學科，被稱為民用工程，19世紀下半葉才逐漸成為一個獨立學科。進入20世紀，隨著機械工程技術的發(fā)展和知識總量的增長，機械工程開始分解，陸續(xù)出現(xiàn)了專業(yè)化的分支學科。這種分解的趨勢在20世紀中期，即在第二次世界大戰(zhàn)結束的前后期間達到了最高峰。 由于機械工程的知識總量已擴大到遠非個人所能全部掌握，一定的專業(yè)化是必不可少的。但是過度的專業(yè)化造成知識過分分割，視野狹窄，不能統(tǒng)觀和統(tǒng)籌稍大規(guī)模的工程的全貌和全局，并且縮小技術交流的范圍，阻礙新技術的出現(xiàn)和技術整體的進步，對外界條件變化的適應能力很差。封閉性專業(yè)的專家們掌握的知識過狹，考慮問題過專，在協(xié)同工作時配合協(xié)調(diào)困難，也不利于繼續(xù)自學提高。因此自20世紀中、后期開始，又出現(xiàn)了綜合的趨勢。人們更多地注意了基礎理論，拓寬專業(yè)領域，合并分化過細的專業(yè)。械工程以增加生產(chǎn)、提高勞動生產(chǎn)率、提高生產(chǎn)的經(jīng)濟性為目標來研制和發(fā)展新的機械產(chǎn)品。在未來的時代，新產(chǎn)品的研制將以降低資源消耗，發(fā)展?jié)崈舻脑偕茉矗卫?、減輕以至消除環(huán)境污染作為超經(jīng)濟的目標任務。 機械可以完成人用雙手和雙目，以及雙足、雙耳直接完成和不能直接完成的工作，而且完成得更快、更好。現(xiàn)代機械工程創(chuàng)造出越來越精巧和越來越復雜的機械和機械裝置，使過去的許多幻想成為現(xiàn)實。 人類現(xiàn)在已能上游天空和宇宙，下潛大洋深層，遠窺百億光年，近察細胞和分子。新興的電子計算機硬、軟件科學使人類開始有了加強，并部分代替人腦的科技手段，這就是人工智能。這一新的發(fā)展已經(jīng)顯示出巨大的影響，而在未來年代它還將不斷地創(chuàng)造出人們無法想象的奇跡。 人類智慧的增長并不減少雙手的作用，相反地卻要求手作更多、更精巧、更復雜的工作，從而更促進手的功能。手的實踐反過來又促進人腦的智慧。在人類的整個進化過程中，以及在每個人的成長過程中，腦與手是互相促進和平行進化的。 人工智能與機械工程之間的關系近似于腦與手之間的關系，其區(qū)別僅在于人工智能的硬件還需要利用機械制造出來。過去，各種機械離不開人的操作和控制，其反應速度和操作精度受到進化很慢的人腦和神經(jīng)系統(tǒng)的限制，人工智能將會消除了這個限制。計算機科學與機械工程之間的互相促進，平行前進，將使機械工程在更高的層次上開始新的一輪大發(fā)展。19世紀時，機械工程的知識總量還很有限，在歐洲的大學院校中它一般還與土木工程綜合為一個學科，被稱為民用工程，19世紀下半葉才逐漸成為一個獨立學科。進入20世紀，隨著機械工程技術的發(fā)展和知識總量的增長，機械工程開始分解，陸續(xù)出現(xiàn)了專業(yè)化的分支學科。這種分解的趨勢在20世紀中期，即在第二次世界大戰(zhàn)結束的前后期間達到了最高峰。 由于機械工程的知識總量已擴大到遠非個人所能全部掌握，一定的專業(yè)化是必不可少的。但是過度的專業(yè)化造成知識過分分割，視野狹窄，不能統(tǒng)觀和統(tǒng)籌稍大規(guī)模的工程的全貌和全局，并且縮小技術交流的范圍，阻礙新技術的出現(xiàn)和技術整體的進步，對外界條件變化的適應能力很差。封閉性專業(yè)的專家們掌握的知識過狹，考慮問題過專，在協(xié)同工作時配合協(xié)調(diào)困難，也不利于繼續(xù)自學提高。因此自20世紀中、后期開始，又出現(xiàn)了綜合的趨勢。人們更多地注意了基礎理論，拓寬專業(yè)領域，合并分化過細的專業(yè)。綜合-專業(yè)分化-再綜合的反復循環(huán)，是知識發(fā)展的合理的和必經(jīng)的過程。不同專業(yè)的專家們各具有精湛的專業(yè)知識，又具有足夠的綜合知識來認識、理解其他學科的問題和工程整體的面貌，才能形成互相協(xié)同工作的有力集體。綜合與專業(yè)是多層次的。在機械工程內(nèi)部有綜合與專業(yè)的矛盾；在全面的工程技術中也同樣有綜合和專業(yè)問題。在人類的全部知識中，包括社會科學、自然科學和工程技術，也有處于更高一層、更宏觀的綜合與專業(yè)問題。 2 國內(nèi)汽車起重機的發(fā)展概況和發(fā)展趨勢 2.1 國內(nèi)汽車起重機的發(fā)展概況 中國的汽車式起重機誕生于上世紀的10年代，經(jīng)過了近30年的發(fā)展，期間有過3次主要的技術改進，分別為70年代引進蘇聯(lián)的技術，80年代引進日本的技術，90年代引進德國的技術。但是總體來說，中國的汽車式起重機產(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，尤其是進幾年，中國的汽車式起重機產(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的性能已經(jīng)完好，能夠滿足現(xiàn)實生產(chǎn)的要求。在不久的將來，我國的汽車式起重機行業(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)。 許多專家認為，高速發(fā)展的市場，是中國汽車式起重機產(chǎn)業(yè)各個廠商有利的技術創(chuàng)新基礎和環(huán)境。近幾年，中國汽車式起重機產(chǎn)業(yè)除了一家較小的公司與日本起重機品牌廠家合資以外，其余廠家一直在追趕國外先進水平的進程中，一直堅持自主的技術創(chuàng)新道路，基本上沒有整體引進國外技術的做法，也使的中國汽車式起重機產(chǎn)業(yè)在達到和接近國際先進水平的同時，在產(chǎn)品技術上有明顯的中國特質(zhì)。 中國汽車式起重機已經(jīng)大量使用PLC可編程集成控制技術，帶有總線接口的液壓閥塊，液壓馬達，油泵等控制和執(zhí)行元件已較為成熟，液壓和電器已實現(xiàn)了緊密的結合。可通過軟件實現(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，具備了實現(xiàn)故障自動診斷，遠程控制的能力。 當前我國新一代汽車起重機產(chǎn)品，起重作業(yè)的操作方式，大面積應用先導比例控制，具有良好的微調(diào)性能和精控性能，操作力小，不易疲勞。通過先導比例手柄實現(xiàn)比例輸送多種負荷的無級調(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還在伸縮臂上使用了單缸插銷的伸縮技術，通過液壓銷作用，以單個液壓油缸可完成多節(jié)伸臂的運動，并達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，使起重機相對更輕，拓展了起重機向更高工作高度發(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行業(yè)的發(fā)展打下了良好的基礎。 2.2 國外汽車起重機的發(fā)展概況 我國的汽車式起重機的生產(chǎn)企業(yè)要想在本領域生存與發(fā)展，需要做的事情還很多，由于市場需求的增大，也要求生產(chǎn)企業(yè)不斷創(chuàng)新，在保證起重機性能的基礎上還要不斷開發(fā)出更大噸位的新產(chǎn)品，滿足市場的需求。只有這樣才能從市場中獲得養(yǎng)分和活力使自己生存，在生存中發(fā)展，在發(fā)展中壯大。 主要的發(fā)展趨勢應該有以下幾點： （1） 擴大產(chǎn)品的品種。 在企業(yè)內(nèi)部應建立完善的產(chǎn)品研究和開發(fā)體系，使產(chǎn)品系列化，品種齊全，要形成大中小完整系列，增多產(chǎn)品數(shù)量，使生產(chǎn)規(guī)模不斷的擴展。 （2） 增大起重力矩。 目前我國生產(chǎn)的汽車式起重機大多是50噸以下的中小噸位的起重機，大噸位生產(chǎn)的很少，而，隨著社會的發(fā)展，對機動靈活的大型起重機械的需求越來越大，這都是汽車式起重機發(fā)展的養(yǎng)分， 所以增大其中力矩迫在眉睫。 （3） 增加起重機功能。 隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，用戶對汽車式起重機的使用上的要求越來越多，希望能夠一機多用，已經(jīng)不僅僅是在搬運重物時使用，而是滿足在不同環(huán)境和工種的使用，這些都為未來起重機的發(fā)展找清了方向。 （4） 全力打造自己的品牌。 目前中國的汽車起重機生產(chǎn)企業(yè)，缺少自己的專業(yè)研究人員和開發(fā)隊伍，而是去模仿別人生產(chǎn)的成品，沒有發(fā)展方向和競爭力。未來經(jīng)濟的全球化以及由此引發(fā)的一系列問題，使得競爭手段從傳統(tǒng)的產(chǎn)品，價格等層次轉(zhuǎn)嫁到品牌的競爭上來。所以各大汽車式生產(chǎn)企業(yè)應該 努力打造自己的品牌，從而使自己發(fā)展壯大。 （5） 開創(chuàng)自我空間占領市場。 我國的各大汽車式起重機生產(chǎn)企業(yè)要不斷創(chuàng)新，大膽進行運行急智的改革，面向市場，結構優(yōu)化，人員重組，引進設備，進行刻苦的技術研發(fā)，在不斷完善自我的前提下，占領市場。 2.3 Solidworks設計基礎 2.3.1 草圖繪制 掌握點、直線、矩形、弧度圓等基本圖形的繪制方法；掌握樣條、文字等高級幾何圖形的繪制方法；理解集合約束的概念并在草圖繪制中熟練應用幾何約束；熟練應用陣列、實體轉(zhuǎn)換等草圖繪制工具；能綜合應用各種草圖繪制實體和利用草圖繪制工具完成草圖繪。 2.3.2 基準特征-參考幾何體的創(chuàng)建 清楚明白基于特征的建模方式、參數(shù)化思想等概念；靈活運用各種建立基準點的方法；靈活運用各種建立基準軸方法；靈活運用各種建立基準面的方法；靈活運用坐標系的建立方法；能根據(jù)建模需要綜合應用各種參考幾何體。 2.3.3拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描和放樣特征建模 靈活運用拉伸特征的概念與建立方法；靈活運用旋轉(zhuǎn)特征的概念與建立方法；掌握掃描特征的概念與建立方法；靈活運用放樣特征的概念與建立方法；通過實踐能夠準確分析零件的特征，靈活運用拉伸和旋轉(zhuǎn)也正建立三維模型。綜合應用掃描、放樣、彎曲、鏡向、陣列等特征建立各種實體。 2.3.4工程圖設計 靈活運用用戶自定義工程圖格式文件的方法；靈活運用建立標準三視圖，剖視圖，斷面圖，局部圖，輔助視圖等方法；靈活運用各種注釋的方法。 2.3.5裝配設計 靈活運用自底向上的裝配方法；靈活運用生成裝配體爆炸圖的方法；靈活運用SolidWorks智能裝配技術；靈活運用裝配體零部件的狀態(tài)和屬性控制，并能夠在裝配體中設計子裝配體；靈活運用干涉檢查；靈活運用自上向下的裝配方法；靈活運用在裝配模型工程圖中添加零件序號；靈活運用生成裝配體材料明細表的方法。 3. 主臂伸縮機構的設計計算 3.1 臂架伸縮機構驅(qū)動形式與傳動的驅(qū)動形式的比較與優(yōu)化 3.1.1 伸縮臂截面形狀的比較與優(yōu)化 本次設計的是20噸汽車起重機的優(yōu)化設計，主要的設計研究的部分為起重機主臂也就是伸縮臂的設計，其具體結構方案圖如圖3-1所示： 圖3-1 伸縮吊臂的截面形狀由很多種，主要包括：矩形、正梯形、倒梯形、六邊形、槽形、角鋼組合式等。其在總體設計中，高度比一般在1.3～1.8范圍內(nèi)，側板一般選 用薄鋼板，厚度在3.2～10范圍內(nèi)，側板薄一些對減輕吊臂重量極為有效，但必須考慮其局部失穩(wěn)的問題，有的在鋼板上格一段距離扎一條橫向筋，或者在側板受壓區(qū)設置縱向筋，以增加其抗屈曲能力。有的為了減輕重量也可在側板上開大孔，并卷邊加強。下地板一般做的臂上底板后些，一方面可以使截面中性軸下移，從而減少下底板上的壓縮應力，一方面滿足下底板局部應力的需要，為了減輕自重，吊臂應盡量做成等強度式梁。 整個箱形吊臂也可做成頭稍細，根稍粗的棱錐體狀，但大多采用貼加強板的方法來改變截面的面積特性，在局部高應力處采用局部加強板局部加強。矩形的箱形截面的最危險處為四角焊縫處，該處應力最大，也是最容易產(chǎn)生應力集中的地方為了改善應力狀況最號選用其它形式。梯形截面的橫向抗彎剛度和抗扭剛度比矩形好，正梯形側板的上半部拉應力較大，提高了側板的穩(wěn)定系數(shù)：倒梯形的下底板載，可以避免下地板的局部失穩(wěn)。吊臂下截面做成圓形或其它折線狀（即槽形和六邊形），都是為了提高下底板的抗局部失穩(wěn)的能力，和減小側板的計算寬度，這樣一來可以采用更薄的鋼板，而充分利用鋼板的強度，特別在采用高強度鋼材時。因為高強度鋼板的抗局部失穩(wěn)的能力并不比普通鋼板的能力號，所以，改變局部失穩(wěn)在此顯得更為重要角鋼組合式截面正像桁架臂炫桿那樣，將材料集中在四各受力最大的角上，同時將焊縫移至中部，大大改善了應力集中現(xiàn)象，該截面工藝復雜，制造成本高。 在經(jīng)過研究計算結果和實際生產(chǎn)表明，吊臂截面上半部分采用矩形，下半部分采 用外凸折板形（即槽形）最好。以相同起重能力為條件，以矩形截面為比較標準，將 其它截面的截面面積的下降百分比數(shù)（即耗鋼量）列于下表中： 傳統(tǒng)的伸縮吊臂和改進后的伸縮吊臂的截面分別如圖3-2，3-3所示： 3-2 傳統(tǒng)的截面吊臂截面 3-3 改進后的截面吊臂截面 通過比較可以，此次設計的截面材料用得更少，重量也更輕，通過校驗，復合設備工況要求。 3.1.2 伸縮臂材料性能方面的比較與優(yōu)化 傳統(tǒng)的伸縮臂采用的材料基本上都是鐵板才通過焊接而成，這樣做成的伸縮臂無疑會很重。而此次設計的汽車起重機的伸縮臂的材料是采用碳鋼板制作而成，此種材料做成的伸縮臂不斷重量輕，而且強度好，能夠滿足要求。圖3-3為傳統(tǒng)的伸縮臂，圖3-4為此次設計的伸縮臂結構。 3-3 傳統(tǒng)的伸縮臂結構 3-4 此次設計的伸縮臂結構 3.2 臂架伸縮機構的驅(qū)動形式 主臂的伸縮機構很多，可以從兩種角度進行分類，即按驅(qū)動形式的不同，以及各節(jié)臂間的伸縮次序關系不同進行分類。按驅(qū)動形式的不同，可分為液壓、液壓—機械和人力三種。采用液壓驅(qū)動時，執(zhí)行元件選用液壓油缸，利用缸體和活塞桿的相對運動推動，推動下節(jié)臂的伸縮，在設計三節(jié)臂伸縮機構時，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現(xiàn)第三節(jié)臂的伸縮，以實現(xiàn)第三節(jié)臂的伸縮，這就形成了液壓機械驅(qū)動。在某些情況下可以取消伸縮機構，代之采用人力驅(qū)動，或采用推桿和繩索的器件，而輔之以人工安裝插銷等方法伸縮吊臂，這就形成了人力驅(qū)動。這幾種方法往往在小于等于三節(jié)臂的情況下使用。對于擁有三節(jié)或三節(jié)以上的吊臂來講，各節(jié)臂的伸縮方式可以由不同的選擇，但是，大致可以分為三類。 （1）順序伸縮：指吊臂在伸縮過程中，各節(jié)伸縮臂必須按一定先后順序，完成伸縮動作。 （2）同步伸縮：指吊臂在伸縮過程中，各節(jié)伸縮臂同時以相同的形成比例進行伸縮。 （3）獨立伸縮：指吊臂在伸縮過程中，各節(jié)臂均能獨立進行伸縮。顯然，獨立伸縮機構，同樣也可以完成順序伸縮或同步伸縮的動作。 在現(xiàn)實中，三節(jié)伸縮臂或三節(jié)以上的伸縮機構，往往式上述幾種伸縮機構的中和，而很少單獨采用某一種伸縮機構。在三節(jié)伸縮臂時，基本上采用一個液壓缸加一個滑輪組的同步伸縮機構。超過三節(jié)臂時，常用兩個液壓缸加一個滑輪組的伸縮機構，或采用三各液壓缸的伸縮機構，五節(jié)臂時為兩個液壓缸加兩個滑輪組，或最后一節(jié)的伸縮可用手動的或簡單的插銷式伸縮機構。本次設計的是三節(jié)臂的伸縮，其具體結構圖如下： 其工作原理為：液壓缸伸出時，直接帶動二節(jié)臂及其余的臂同時伸出，這個時候完成第一次的伸出動作。直接帶動三節(jié)臂向前運動，這時由于鋼絲繩的長度是不變的，導致鋼絲繩另一端變長，一端也得隨之運動，顧通過滑輪帶動四節(jié)臂向前運動；四節(jié)臂在向前運動的時候，由于鋼絲繩的長度是不變的，上述過程綜合在一起是一個聯(lián)動的過程，彼此相連，同時運動，從而達到了同步伸縮的目的?？s回的過程是通過，回繩滑輪鋼絲繩的帶動實現(xiàn)的，其過程與吊臂伸繩的過程完全相同。 3.3 臂架伸縮液壓缸的計算及選擇 液壓缸是液壓系統(tǒng)中活塞桿作往復運動的工作機構。其結構形式均為單活塞桿雙作用耳環(huán)安裝式。主要用于工程機械、運輸機械、礦山機械及車輛等。 液壓缸的設計計算： 由于液壓執(zhí)行元件與主機結構有著直接關系，因此液壓缸的主要尺寸包括缸筒內(nèi)徑D、活塞桿直徑d和缸筒長度L。 根據(jù)負載大小和液壓缸的工作壓力確定活塞的有效工作面積，再根據(jù)液壓缸的不同結構形式計算出缸筒的內(nèi)徑?；钊麠U直徑是按受力情況決定的，可按表3.1初步選取。缸筒長度的確定要考慮活塞最大行程、活塞厚度、導向和密封所需長度等因素。通常情況L≤(20~30)d。計算結果要圓整成國家標準中的推薦值。主要尺寸初步確定后，還要按速度要求進行驗證。同時滿足力和速度的要求后才可以確定下來。 液壓缸工作壓力與活塞桿直徑 液壓缸工作壓力p/MPa <5 5～7 >7 推薦活塞桿直徑d (0.5～0.55)D (0.6～0.7)D 0.7D 強度校核的項目包括缸筒壁厚δ、活塞桿直徑d和缸蓋固定螺栓的直徑ds。 當D/δ>10時為薄壁，δ按下式校核: 式中，D-缸筒內(nèi)徑； [σ]—缸筒材料的許用應力，[σ]=σb/n，σb是材料的抗拉強度，一般取安全系數(shù)n=5； py—試驗壓力，當缸的額定壓力pn≤16Mpa時，py=1.5pn；pn>16Mpa時，py=1.25pn。 當D/δ<10時為厚壁，δ按下式校核: 2.活塞桿直徑d 式中，F(xiàn)—活塞桿上的作用力；[σ]—活塞桿材料的許用應力，[σ]= σb/1.4。 3.缸蓋固定螺栓直徑ds 式中，F(xiàn)—活塞桿上的作用力；k—螺紋擰緊定螺栓個數(shù)； [σ]—螺栓材料的許用應力，[σ]= σs/（1.22~2.5），σs為材料的屈服點。[σ]—活塞桿材料的許用應力，[σ]= σb/1.4。 液壓缸缸體壁厚的計算： ⑴按薄壁筒計算： ⑵按中等壁厚計算： ⑶按厚壁筒計算： ［σ］缸體材料許用應力；［σ］＝σb/n； σb缸體材料的抗拉強度。對于45鋼正火處理，σb＝580Mpa； n安全系數(shù)；一般取3.5～5； ψ強度系數(shù)；對于無縫鋼管ψ＝1； c計入管壁公差及侵蝕的附加壁厚；一般按標準圓整缸體外圓值； D缸體內(nèi)徑(mm); ⑴平形無油孔：; ⑵平形有油孔： d0 油口直徑(mm)； 式中： Ppl缸筒發(fā)生完全塑性變形的壓力； σs缸體材料的屈服強度。對于45鋼正火處理，σs＝340Mpa； D1缸體外徑 式中：△D 缸體材料在試驗壓力下的變形量； E缸體材料彈性模數(shù)；對于鋼材E＝2.1105Mpa； γ缸體材料的泊松系數(shù)；對于鋼材γ＝0.3； 活塞桿強度計算公式為： d1為活塞桿危險截面直徑； 根據(jù)以上計算可知本次設計的液壓缸型號為LMN200X3000。 3.3.1 負載圖與速度圖的確定 取液壓缸的機械效率η=0.9，計算液壓缸各工作階段的負載情況 啟動：F=Ffj=880N; F‵=F/η=1160/0.9 N=1289 N; 加速：F=Ffd+Fg=580+493.20=1073.20 N; F‵=F/η=1073.20/0.9=1193 N; 快進：F=Ffd=290 N; F‵=F/η=580/0.9=645 N; 工進：F=Ffd+Fw=580+3183=3763 N; F‵=F/η=3763/0.9=4182 N; 快退：F=Ffd=290N; F‵=F/η=580/0.9=645 N; 根據(jù)工況負載F及行程S，繪制負載圖（根據(jù)工進速度V1，快進速度V2確定下圖）： 4 零部件的選擇 4.1 鋼絲繩的計算和選擇 當滿載時，大臂仰角為60，作用在缸的軸向力為：F=50/sin60=58xN。 根鋼絲繩來承擔（其中1根拉第2節(jié)臂，其中2根拉第3節(jié)臂），每根鋼絲繩繩承受的拉力為7.5310N。可知，選擇鋼絲繩直徑為d=13mm，公稱抗拉強度為1700N/2mm，最小破斷拉力為113KN。即型號為：6X（37）-13-1700-I-光-右交GB1102-74。 4.2 滑輪及滑輪組的選擇 滑輪的主要尺寸是滑輪直徑D,輪轂寬度B和繩槽尺寸，滑輪結構尺寸可按鋼絲 繩直徑進行選定。 （1） 工作滑輪直徑： 式中：D--按鋼絲繩中心計算的滑輪直徑（mm）， d—鋼絲繩直徑。 e--輪繩直徑比系數(shù)與機構工作級別，絲繩結構有關。 由于機構工作級別為M4，于是選得輪繩直徑比系數(shù)為18，將數(shù)值帶入式（得出起升用滑輪）得到滑輪輪轂寬度B為： 一般情況下，B=（1.5～1.8）0d； 式中：0d--滑輪軸徑，此處設計為30mm。參照上式取得B=54mm。 5 主臂的三維建模及裝配 5.1 基本臂的總裝配 5.2 主臂建?？傃b配 5.3 汽車起重機的三維建模 6. 汽車起重機伸縮臂中關鍵零件的有限元應力、應變分析 6.1 基本臂的有限元分析 在汽車起重機這一設備里，基本臂是受力最大也是最重要的零件，在這里，我們以基本臂為例，進行受力分析，案例如下： 基本臂三維零件圖 操作步驟如下圖所示：點擊分析工具欄命令，如圖所示： 點擊“添加夾具”按鈕，對主軸添加一個夾具，我們選擇基臂左側為夾具，如下圖所示： 再接著在伸縮臂的右邊添加一個力，如圖所示： 選擇材料為普通碳鋼，如下圖所示： 點擊開始分析按鈕，系統(tǒng)就會自動對模型進行應力等方面的分析，如下圖所示： 這就是分析后的基本臂的應力分布情況，可以看出，該基本臂的強度符合要求，可以使用。 7 結 論 在最近的一段時間的畢業(yè)設計，使我們充分把握的設計方法和步驟，不僅復習所學的知識，而且還獲得新的經(jīng)驗與啟示，在各種軟件的使用找到的資料或圖紙設計，會遇到不清楚的作業(yè)，老師和學生都能給予及時的指導，確保設計進度，本文所設計的是20噸汽車起重機的優(yōu)化設計，通過初期的定題，查資料和開始正式做畢設，讓我系統(tǒng)地了解到了所學知識的重要性，從而讓我更加深刻地體會到做一門學問不易，需要不斷鉆研，不斷進取才可要做的好，總之，本設計完成了老師和同學的幫助下，在大學研究的最感謝幫助過我的老師和同學，是大家的幫助才使我的論文得以通過。 通過此次設計，又一次提升了運用三維軟件的水平，并吸收了不少經(jīng)驗，總結為一下幾點。 有零件圖紙作圖與空想設計作圖不同，零件尺寸已經(jīng)給出，作圖時先不考慮尺寸是否真的合適，根據(jù)尺寸作出零件的三維圖，但到裝配時必須要考慮尺寸是否合適，由于AutoCAD圖紙效果不好，導致尺寸會有出錯，甚至有出現(xiàn)欠定義尺寸，所以，此時必須通過配合后在衡量尺寸，再進行修改，直到滿足配合要求。 工具集的確方便了作圖，通過選擇零件類型，輸入數(shù)據(jù)，就能生成出標準零件，但有時需要用到的零件在工具集上也未必能找到，所以此時要隨機應變，運用其他零件代替并通過修改或添加零件使其滿足要求。 作三維圖時要靈活變通，解決問題的方法總比問題多，當一種方法不能正常作圖時，試試另一種方法，這不但能完成零件制作，同時也可以培養(yǎng)出更好的作圖思路，和打破規(guī)矩的新想法。 規(guī)則的零件，要學會使用一些能夠節(jié)省時間的命令，如鏡向，陣列等，“能省則省”。 關于裝配，曾經(jīng)帶給我很大的阻礙，花了很多時間才弄清原因所在。在一可活動子裝配體上，即使活動范圍會產(chǎn)生干涉，也不能對其設定活動范圍，如高級配合里的距離范圍，和角度范圍，即使在該活動范圍并不影響父配體，也不可設定。因為一旦設定范圍后，在父裝配體上會將子裝配體視為完全定義的模型，這樣會對子裝配體之間的配合產(chǎn)生矛盾，將不能完成裝配。 看懂圖是作圖的首要任務，看圖就是了解零件的工具，沒有工具則無法制出 零件，所以畫圖不能急于下筆，想透了零件的結構，想透圖中的虛實線，這才是高效作圖的重中之重。進行零件建模前，一般應進行深入的特征分析，搞清零件是由那幾個特征組成，明確各個特征的形狀，他們之間的相對位置和表面連接關系，然后按照特征的主次關系，按一定的順序進行建模。一個復雜的零件，可能是許多個簡單特征經(jīng)過相互之間的疊加、切除或相交組成。所以零件建模時，特征的生成順序十分重要，不同的建模過程雖然可以構造出同樣的實體零件，但其造型過程及實體的構型結構卻直接影響到實體模型的穩(wěn)定性、可修改性、可理解性及實體模型的應用。 尤其在二維圖紙上，我們能看到的只是零件的平面圖，而內(nèi)部特征則以虛線給予表示，另外還有零件的相貫線，這表示了各個特征相交時出現(xiàn)線段。在零件的草圖繪制過程中，必須要選好第一個草繪平面，這很關鍵，這個平面決定了往后建模的所用到的命令，簡單的說，一個圓柱可以作一個圓形然后拉伸，也可以作一個長方體旋轉(zhuǎn)，雖然他們的結果都一樣，但所用的草繪平面和命令就截然不同。如果我們要的是一條軸，那我們就應該選擇第二種方法為好了。 由于此設計的零件都是比較規(guī)則的零件，所用到的命令大部分是拉伸命令和旋轉(zhuǎn)命令，而且很多零件都是擁有對稱關系，所以為了節(jié)省時間，提高效率，經(jīng)常會用到鏡向特征命令。 一張完整的工程圖應具備以下4方面的內(nèi)容。 一組視圖：用一組視圖（其中包括視圖、剖視圖、斷面圖、局部放大圖）確、完整、清晰地表達零件各部分的結構形狀。 尺寸：確定零件各部分形狀的大小和位置 技術要求：表明零件在制造和檢驗是應達到的一些要求，如表面粗糙度、尺寸公差、形位公差、材料熱處理方式和指標等。 標題欄：注明零件名稱、材料、數(shù)量、圖樣比例以及圖號等內(nèi)容。 單擊【新建文件】圖標，系統(tǒng)顯示新建SolidWorks文件對話框，雙擊該對話框中得裝配體選項，即可進入裝配體工作模式。 調(diào)入第一個零件模型并放置在裝配體的原點處，即零件原點與裝配體原點重合。調(diào)入一個與第一個零件模型有裝配關系的零件模型。分析兩個零件之間的裝配約束關系，然后選取相應的約束選項進行零件操作。 參考文獻 [1] 鄭淑芳 機械設計理論研究與探討 北京：科學出版社，2004.5 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Dynamic Control of a Manipulator with Passive Joints in Operational Space 致 謝 至此在論文完成之際，向我的導師表示由衷的感謝！真心的感謝我的導師這幾年來對我的諄諄教導，感謝我敬愛的老師，您不僅在學習學業(yè)上給我以精心的指導，同時還在思想給我以無微不至的關懷支持和理解，給予我人生的啟迪，使我在順利地完成大學階段的學業(yè)同時，也學到了很多有用的做人的道理，明確了人生目標。知道自己想要什么了，不再是從前那個愛貪玩的我了。導師嚴謹求實的治學態(tài)度，銳意創(chuàng)新的學術作風，認真加負責，公而忘私的敬業(yè)精神，豁達開朗的寬廣胸懷，平易近人。經(jīng)過近半年努力的設計與計算，查找了各類的汽車起重機的設計資料，論文終于可以完成了，我的心里無比的激動和開心。雖然它不是最完美的，也不是最好的，但是在我心里，它是我最珍惜的，因為我自己已經(jīng)盡力的做了，它是我用心、用汗水成就的，也是我在大學四年來對所學知識的應用和體現(xiàn)。四年的學習和生活，不僅豐富了我的知識，而且鍛煉了我的個人能力，更重要的是從周圍的老師和同學們身上潛移默化的學到了許多有用的知識，在此對所有關心我?guī)椭业谋磉_我由衷敬意，謝謝各位同學老師。 25