定柱式懸臂起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析
定柱式懸臂起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析,定柱式,懸臂,起重機(jī),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),分析
*學(xué)院*畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書1 緒論1.1 課題的背景懸臂起重機(jī)是近年發(fā)展起來(lái)的中小型起重裝備,結(jié)構(gòu)獨(dú)特,安全可靠,具備高效、節(jié)能、省時(shí)省力、靈活等特點(diǎn),三維空間內(nèi)隨意操作,在短距、密集性調(diào)運(yùn)的場(chǎng)合,比其它常規(guī)性吊運(yùn)設(shè)備更顯示其優(yōu)越性。本產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)的不同場(chǎng)所。懸臂起重機(jī)工作強(qiáng)度為輕型,起重機(jī)由立柱,回轉(zhuǎn)臂回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置及電動(dòng)葫蘆組成,立柱下端通過(guò)地腳螺栓固定在混凝土基礎(chǔ)上,由擺線針輪減速裝置來(lái)驅(qū)動(dòng)旋臂回轉(zhuǎn),電動(dòng)葫蘆在旋臂工字鋼上作左右直線運(yùn)行,并起吊重物。起重機(jī)旋臂為空心型鋼結(jié)構(gòu),自重輕,跨度大,起重量大,經(jīng)濟(jì)耐用。定柱式懸臂起重機(jī)又稱立柱式懸臂起重機(jī),起重量在125Kg-5000Kg,定柱式旋臂吊具有結(jié)構(gòu)新穎、合理、簡(jiǎn)單、操作方便、回轉(zhuǎn)靈活、作業(yè)空間大等優(yōu)點(diǎn),是節(jié)能高效的物料吊運(yùn)設(shè)備,可廣泛適用于廠礦、車間的生產(chǎn)線、裝配線和機(jī)床的上、下工作及倉(cāng)庫(kù)、碼頭等場(chǎng)合的重物吊運(yùn)。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-JKBK型。近年來(lái),隨著電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用,許多起重機(jī)制造商從應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)(CAD),提高到應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行起重機(jī)的模塊化設(shè)計(jì)。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查預(yù)測(cè)的統(tǒng)計(jì)數(shù)字和積累的資料、圖表、圖線規(guī)律,在嚴(yán)密的科學(xué)理論指導(dǎo)下,擬定起重機(jī)結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)、部件等多層次的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化單元。起重機(jī)采用模塊單元化設(shè)計(jì),不僅是一種設(shè)計(jì)方法的改革,而且將影響整個(gè)起重機(jī)行業(yè)的技術(shù)、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(duì)起重機(jī)的改進(jìn),只需針對(duì)幾個(gè)需要修改的模塊;設(shè)計(jì)新的起重機(jī)只需選用不同的模塊重新進(jìn)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(duì)批量的模塊生產(chǎn)。亦能以較少的模塊形式,組合成不同功能和不同規(guī)格的起重機(jī),滿足市場(chǎng)的需求,增加競(jìng)爭(zhēng)能力。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)進(jìn)一步深入,商品流通量大幅度增加,交通運(yùn)輸業(yè)快速發(fā)展,起重運(yùn)輸機(jī)械的需求量越來(lái)越大,其實(shí)用性能的要求也越來(lái)越高。懸臂起重機(jī)設(shè)備,非常適用五噸以下的工件定點(diǎn)頻繁起吊運(yùn)輸。在機(jī)械加工領(lǐng)域,懸臂起重機(jī)具有強(qiáng)大的購(gòu)買市場(chǎng)和廣闊的發(fā)展前景。1.2國(guó)內(nèi)外定柱式懸臂起重機(jī)的現(xiàn)狀與發(fā)展前景1.2.1 國(guó)內(nèi)起重機(jī)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)中國(guó)的起重機(jī)產(chǎn)業(yè)誕生于上世紀(jì)70年代,經(jīng)過(guò)40余年的發(fā)展,經(jīng)歷了70年代引進(jìn)蘇聯(lián)技術(shù),80年代初引進(jìn)日本技術(shù)和90年代初引進(jìn)德國(guó)技術(shù)等三次主要技術(shù)改進(jìn),始終走著一條自主創(chuàng)新的道路。2000年以來(lái),隨著國(guó)內(nèi)外技術(shù)交流的日益頻繁和國(guó)產(chǎn)自主研發(fā)能力的顯著增強(qiáng),更多的國(guó)外先進(jìn)技術(shù)被成功引進(jìn)應(yīng)用,并進(jìn)行了自主創(chuàng)新,獲得自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。隨著國(guó)產(chǎn)起重機(jī)產(chǎn)業(yè)制造水平的全面提升,與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的差距不斷縮小,中國(guó)起重機(jī)產(chǎn)品開(kāi)始在國(guó)際市場(chǎng)上體現(xiàn)出明顯的競(jìng)爭(zhēng)力。懸臂起重機(jī)設(shè)備屬于通用機(jī)械,在二十多年高速發(fā)展過(guò)程中,已經(jīng)逐漸實(shí)現(xiàn)了規(guī)?;⒓瘓F(tuán)化、機(jī)械化。在輔助加工生產(chǎn)中和自動(dòng)化的作用,大大提高了勞動(dòng)生產(chǎn)效率,減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度。具有工作平穩(wěn)可靠,操作維護(hù)簡(jiǎn)單、方便等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)當(dāng)前我國(guó)情況來(lái)看,機(jī)械工業(yè)處于上升勢(shì)頭,汽車工業(yè)、機(jī)動(dòng)車行業(yè)都處于強(qiáng)省發(fā)展期。專家預(yù)測(cè),隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的的增長(zhǎng),機(jī)械行業(yè)有很長(zhǎng)一段時(shí)間處于旺盛發(fā)展階段,整體機(jī)械行業(yè)以及未來(lái)發(fā)展過(guò)程中,懸臂起重機(jī)的使用處于不可替代、不可缺少的地位,在整體工業(yè)化過(guò)程中發(fā)揮著重要的輔助生產(chǎn)的作用。因此,我們?cè)谠O(shè)計(jì)中應(yīng)大膽采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念,充分利用計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃、計(jì)算機(jī)輔助制造、柔性自動(dòng)化系統(tǒng)等新技術(shù)、新工藝,縮短設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期、降低成本,調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、企業(yè)結(jié)構(gòu),增強(qiáng)企業(yè)參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的能力,使中國(guó)起重機(jī)制造行業(yè)趕上世界先進(jìn)水平。1.2.1 國(guó)外起重機(jī)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)近二十年來(lái),世界工程起重機(jī)行業(yè)發(fā)生了很大變化,世界工程起重機(jī)市場(chǎng)進(jìn)一步趨向一體化。目前世界工程起重機(jī)年銷售額已達(dá)75億美元左右,主要生產(chǎn)國(guó)為美國(guó)、日本、德國(guó)、法國(guó)、意大利等,世界頂級(jí)公司有十多家,主要集中在北美、亞洲(日本)和歐洲。美國(guó)既是工程起重機(jī)的主要生產(chǎn)國(guó),又是最大的世界市場(chǎng)之一。但由于日本、德國(guó)起重機(jī)工業(yè)的迅速發(fā)展,美國(guó)廠商在世界市場(chǎng)獲取的主導(dǎo)地位逐步受到削弱,從而形成了美國(guó)、日本和德國(guó)三足鼎立之勢(shì)。1.3 本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容、目標(biāo)和方法1.3.1主要內(nèi)容該課題是以定柱式懸臂起重機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為主要內(nèi)容的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì),課題涉及機(jī)械結(jié)構(gòu)與傳動(dòng)、機(jī)械加工與裝配等。其中,分析了該起重機(jī)所要求實(shí)現(xiàn)的功能和相應(yīng)結(jié)構(gòu),了解起重機(jī)的工作原理,基本結(jié)構(gòu),系統(tǒng)組成及功能,掌握PROE的使用技術(shù)并完成橋式起重機(jī)的三維建模,繪制關(guān)鍵零部件的二維工程圖,并學(xué)會(huì)運(yùn)用軟件做有限元分析。參考其他文獻(xiàn)可知,定柱式旋臂起重機(jī)主要由上立柱、下立柱、主梁、主梁拉桿、起升機(jī)構(gòu)(電動(dòng)葫蘆)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、電氣系統(tǒng)、爬梯及檢修平臺(tái)組成,其結(jié)構(gòu)緊湊,體積小,操作方便可靠。本研究主要是對(duì)該起重機(jī)的懸臂梁設(shè)計(jì)及旋轉(zhuǎn)功能部分的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)的選擇。包括起升,回轉(zhuǎn),變幅及金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。最終使其能很好地實(shí)現(xiàn)起重機(jī)的運(yùn)行,而且互不干涉且配合良好。并且通過(guò)此次設(shè)計(jì),要提高自己的分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力,將自己所學(xué)運(yùn)用到實(shí)際的工作中,提高自己的實(shí)踐能力。此次設(shè)計(jì)主要取長(zhǎng)補(bǔ)短,利用現(xiàn)有各種關(guān)于起重機(jī)械技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),結(jié)合實(shí)際對(duì)定柱式旋臂起重機(jī)做出更合理的設(shè)計(jì)。1.3.2目標(biāo)本次設(shè)計(jì)為2T定柱式懸臂起重機(jī),完成了定柱式懸臂起重機(jī)懸臂和立柱等構(gòu)件的設(shè)計(jì)驗(yàn)算。功能實(shí)現(xiàn)合理,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單適用,工作可靠。1.3.3方法懸臂起重機(jī)由立柱,回轉(zhuǎn)臂回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置及電動(dòng)葫蘆組成,立柱下端通過(guò)地腳螺栓固定在混凝土基礎(chǔ)上,由擺線針輪減速裝置來(lái)驅(qū)動(dòng)懸臂回轉(zhuǎn),電動(dòng)葫蘆在懸臂工字鋼上作左右直線運(yùn)行,并起吊重物。如圖1-1: 圖1-1 定柱式懸臂起重機(jī)簡(jiǎn)圖本設(shè)計(jì)采用規(guī)范的設(shè)計(jì)計(jì)算對(duì)定柱式懸臂起重機(jī)各結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。首先,通過(guò)查閱相關(guān)書籍和資料,學(xué)習(xí)定柱式懸臂起重機(jī)的相關(guān)知識(shí),了解定柱式懸臂起重機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀,掌握定柱式懸臂起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法,學(xué)習(xí)并掌握PROE繪圖軟件的使用,掌握一般的繪圖方法和計(jì)算分析步驟;其次,根據(jù)現(xiàn)今國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)定柱式懸臂起重機(jī)采用的各種結(jié)構(gòu)類型,結(jié)合課本知識(shí)和參考文獻(xiàn)信息,設(shè)計(jì)符合使用要求的結(jié)構(gòu);然后,根據(jù)參考文獻(xiàn),分析定柱式懸臂起重機(jī)的受力情況,并對(duì)定柱式懸臂起重機(jī)的緩沖器,橫梁結(jié)構(gòu),立柱,地腳螺栓進(jìn)行校核,檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)的靜剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性。本文還對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了PROE三維和二維繪圖,便于生產(chǎn)制造。以及運(yùn)用有限元分析軟件進(jìn)行了有限元的分析。1.4定柱式旋臂起重機(jī)設(shè)計(jì)制造中應(yīng)注意的問(wèn)題1.4.1 撓度設(shè)計(jì)JBT8906-1999懸臂起重機(jī)524條允許下?lián)隙纫螅捍怪毕聯(lián)隙葢?yīng)達(dá)到這樣的程度以保證:(1)臂架上運(yùn)行的小車在正常作業(yè)時(shí)不會(huì)失控;(2)臂架不能自行回轉(zhuǎn);起重機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)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(yīng)超過(guò):(R+UA)/250;其中R為有效半徑;UA為工作地面至懸臂下側(cè)的高度。1.4.2 導(dǎo)繩器的設(shè)計(jì)采用單層纏繞的電動(dòng)葫蘆應(yīng)設(shè)置導(dǎo)繩器;當(dāng)采用導(dǎo)繩器時(shí),應(yīng)能保證當(dāng)?shù)蹉^下降,鋼絲繩沒(méi)有其他外力作用時(shí),鋼絲繩仍能自由地從導(dǎo)繩的出口中排出,當(dāng)起升、下降額定載荷,鋼絲繩對(duì)卷筒軸線垂直面的偏角為30,能正常工作。2 懸臂起重機(jī)基本參數(shù)確定本次設(shè)計(jì)的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,占地空間少,作業(yè)范圍大,操作方便,轉(zhuǎn)動(dòng)靈活,適用于車間,倉(cāng)庫(kù)及車間等固定場(chǎng)所的懸臂起重機(jī)。通過(guò)一定的市場(chǎng)調(diào)查后,初步總結(jié)為:(1) 市場(chǎng)需求的絕大多數(shù)懸臂梁起重機(jī)為輕中級(jí)工作制,起重量在5噸和5噸以下的中小型號(hào)。(2)為能在環(huán)境復(fù)雜的倉(cāng)庫(kù)、車間等各種工況下正常工作必須具備占地空間小,轉(zhuǎn)動(dòng)靈活和工作范圍大的特點(diǎn)。(3)由于日常作業(yè)量普遍較大,所以要求起重機(jī)必須結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,便于拆裝維護(hù)。2.1起重機(jī)結(jié)構(gòu)方案的擬定對(duì)于立柱式懸臂起重機(jī)來(lái)講,按產(chǎn)品構(gòu)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(jī): 回轉(zhuǎn)角度270 (見(jiàn)圖2-1);B.具有下支座的立柱式旋臂起重機(jī): 回轉(zhuǎn)角度360 (見(jiàn)圖 2-2);C.具有上下支座的立柱式旋臂起重機(jī): 回轉(zhuǎn)角度360(見(jiàn)圖 2-3)。這三種構(gòu)造分類中,方案A的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度最為簡(jiǎn)單,它的懸臂驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)軸與立柱軸線并不在一條直線上,這種結(jié)構(gòu)使懸臂驅(qū)動(dòng)裝置獨(dú)立于立柱之外,另外設(shè)立懸臂回轉(zhuǎn)軸,簡(jiǎn)化了立柱的結(jié)構(gòu)。但是,由于懸臂回轉(zhuǎn)軸與立柱軸線并不共線,懸臂的回轉(zhuǎn)會(huì)受到立柱的阻礙,所以沒(méi)有辦法使懸臂的回轉(zhuǎn)角度達(dá)到360。經(jīng)過(guò)估算這種結(jié)構(gòu)所能達(dá)到的最大回轉(zhuǎn)角度只可以達(dá)到270,應(yīng)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(shí)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(qiáng)。經(jīng)過(guò)分析折中,選定功能全面,安裝方便的方案B作為結(jié)構(gòu)方案。 圖2-1 下支座立柱式懸臂起重機(jī) 圖2-2 下支座的立柱式懸臂起重機(jī)圖2-3 上下支座立柱式懸臂起重機(jī) 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(jī)直接吊裝載荷的重要裝備。它與懸臂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(yùn)行軌道為工字軌,如圖2-4所示,加工軌面簡(jiǎn)單,維護(hù)容易,加工以及維護(hù)成本較低。相對(duì)于外懸掛式,內(nèi)懸掛式的軌面在懸臂內(nèi),這樣的設(shè)計(jì)加工難度較大,不易維護(hù),加工成本高。但是由于軌面在內(nèi)側(cè),不易受環(huán)境影響,滑動(dòng)平穩(wěn),精度較高。由于本次設(shè)計(jì)的懸臂起重機(jī)主要用在倉(cāng)庫(kù)及車間等場(chǎng)所,對(duì)精密吊裝要求較低,故選擇A方案。2.2起重機(jī)主要目標(biāo)設(shè)計(jì)參數(shù)的確定在機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T8906-1999懸臂起重機(jī)中所推薦的起重機(jī)基本參數(shù)中起重機(jī)起重量為0.125-10t,有效半徑2-10m,通過(guò)調(diào)查和查閱資料,用戶所需的定柱式旋臂起重機(jī)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(jī)正常工作時(shí)允許一次起升的最大重量稱為額定起重量。起重機(jī)中的懸臂起重機(jī)對(duì)應(yīng)不同的臂架長(zhǎng)度有不同的額定起重量,額定起重量不止一個(gè)時(shí)通常稱額定起重量為最大起重量,或簡(jiǎn)稱起重量,用“Q”表示,單位噸(t)。根據(jù)最大起重量國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),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(biāo)定值通常以額定起升高度表示。旋臂起重機(jī)的起升高度為定值,設(shè)計(jì)值定為3m。(3)工作幅度工作幅度是指在額定起重量下,起重機(jī)回轉(zhuǎn)中心軸線到吊鉤中心線的水平距離,通常稱為回轉(zhuǎn)半徑或工作半徑,用“R” 表示,單位為米(m)。選定R為3m。(4)回轉(zhuǎn)角度回轉(zhuǎn)角度為:=360。起重機(jī)按照GB/T 3811的規(guī)定確定起重機(jī)的工作級(jí)別:表1 起重機(jī)工作級(jí)別根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查,此型起重機(jī)在工作中,有時(shí)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(jī)利用等級(jí)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(jí)別為A4。2.2.2 電動(dòng)葫蘆的選擇環(huán)鏈電動(dòng)葫蘆是一種新型小型起重設(shè)備;是起吊、運(yùn)送、裝卸貨物、工件的理想設(shè)備。它廣泛用于各行各業(yè)的加工車間、倉(cāng)庫(kù)、碼頭、建筑業(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(chǎng)所使用更是靈活迅捷,安全方便。PK型環(huán)鏈電動(dòng)葫蘆是一種新型產(chǎn)品,具有提升速度快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、機(jī)體緊湊、體積小、重量輕、操作方便、外形美觀等特點(diǎn)??蓮V泛應(yīng)用于工廠、礦山、碼頭、商店、倉(cāng)庫(kù)等方面用作起吊重物;亦可同架空行車配套組成空間運(yùn)輸系統(tǒng)具有當(dāng)代世界先進(jìn)水平。在國(guó)際市場(chǎng)上享有盛譽(yù)。如圖2-6青島新中原起重設(shè)備有限公司生產(chǎn)的PK型環(huán)鏈電動(dòng)葫蘆。最終選擇定為PK10N-2F型。 圖2-6 PK型電動(dòng)葫蘆表2 PK型環(huán)鏈電動(dòng)葫蘆技術(shù)參數(shù)所選電動(dòng)葫蘆參數(shù):PK10N-2F:1) 起重量:2000Kg2) 起重鏈條行數(shù):2行3) 起升高度:3m4) 起升速度:(1)快速:4m/min (2) 慢速:1m/min5) 起升電機(jī)功率:(1)快速:1.5 (2) 慢速:0.35Kw6) 電源:3380V 50Hz與電動(dòng)葫蘆匹配的電動(dòng)運(yùn)行小車參數(shù):1)型號(hào):EU10PK2)運(yùn)行速度:14m/min3)電機(jī)功率:0.2Kw4)負(fù)載持續(xù)率:40%5)工字鋼型號(hào):GB706 1856c6)最小轉(zhuǎn)彎半徑:1.4m該型電動(dòng)葫蘆尺寸:a=318mm h=810mm e=280mm h1=700mm第 54 頁(yè) 共51頁(yè)3 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)3.1懸臂工字鋼尺寸確定由電動(dòng)葫蘆相關(guān)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(guān)尺寸如表3表3 工字鋼32a尺寸參數(shù)尺寸 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(hào)的選擇選擇上海青立起重設(shè)備有限公司生產(chǎn)的起重機(jī)用ZLA型緩沖器。圖樣及相關(guān)技術(shù)參數(shù)如圖3-1和表4。圖3-1 起重機(jī)用ZLA型緩沖器表4 起重機(jī)用ZLA型緩沖器技術(shù)參數(shù)3.2.2緩沖器參數(shù)的選擇由起重機(jī)參數(shù)可知,起升重量為2000Kg,速度最大為14m/min,假設(shè)接觸緩沖器到停止位用時(shí)t=3s,則有公式:Ft=mv 則F=2000Kg(14/60)m/s/3s=0.1556KN由計(jì)算數(shù)據(jù)可知選擇的緩沖器型號(hào)為ZLA-1型,具體參數(shù)如表5。表5 ZLA-1型緩沖器技術(shù)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(qiáng)度校核按14m/min的平均值作為緩沖過(guò)程的速度,則緩沖時(shí)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(duì)話框,其中顯示系統(tǒng)預(yù)設(shè)的元素尺寸及公差值。按下ok后,系統(tǒng)即進(jìn)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(jìn)行外部條件的設(shè)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(gè)地方如圖63所示,軸套內(nèi)圈在起升載荷時(shí)固定,加強(qiáng)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(jìn)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(lái)添加載荷。本次分析中吊裝載荷以及小車的自重,都是通過(guò)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(guò)計(jì)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(yùn)行 命令來(lái)執(zhí)行分析,生成報(bào)告。53 主梁分析報(bào)告零件的材料為Q235A,總質(zhì)量為775.109kg,網(wǎng)格信息如下表6所示。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),確定單元類型。網(wǎng)格劃分的質(zhì)量決定了有限元分析的計(jì)算精度和計(jì)算效率。表 6網(wǎng)格信息網(wǎng)格類型:實(shí)體網(wǎng)格所用網(wǎng)格器: 標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)過(guò)渡: 關(guān)閉光滑表面: 打開(kāi)雅各賓式檢查: 4 Points 要素大小:46.204 mm公差:2.3102 mm品質(zhì):高要素?cái)?shù):14329節(jié)數(shù):282725.3.1 主梁應(yīng)力結(jié)果表7 應(yīng)力結(jié)果 名稱類型最小位置最大位置圖解1VON:von Mises 應(yīng)力0.271473 N/m2節(jié): 228(28.3385 mm,414 mm,4505.41 mm)1.26544e+008 N/m2節(jié): 7518(84 mm,0 mm,3520.9 mm)圖66 應(yīng)力分析詳圖從圖66中可以直觀的看出,應(yīng)力在小車輪與工字型鋼梁的接觸線上比較大,另外一個(gè)應(yīng)力比較大的地方就是加強(qiáng)肋板上方的工字型梁處,此處為全構(gòu)件應(yīng)力最大的地方,雖然沒(méi)有超過(guò)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(yīng)力集中現(xiàn)象,應(yīng)力集中現(xiàn)象可能會(huì)影響此處的設(shè)計(jì)壽命,以及疲勞強(qiáng)度。所以可以考慮修改為一個(gè)圓角結(jié)構(gòu),來(lái)減小應(yīng)力集中的現(xiàn)象。5.3.2 主梁應(yīng)變結(jié)果表8 應(yīng)變結(jié)果名稱類型最小位置最大位置圖解1ESTRN :對(duì)等應(yīng)變1.6131e-012 要素: 2756(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(yīng)變分析詳圖應(yīng)變結(jié)果分析。分析結(jié)果,最大應(yīng)變發(fā)生在主梁與加強(qiáng)肋板的交線處,最大為0.000499438,和應(yīng)力集中的部位相同,解決方法同應(yīng)力分析相同,將此處結(jié)構(gòu)改為圓角。5.3.3 主梁位移結(jié)果表 9 位移結(jié)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(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的旋臂起重機(jī)標(biāo)準(zhǔn),JB/T 98061999規(guī)定,允許下?lián)隙鹊闹?,垂直下?lián)隙葢?yīng)達(dá)到這樣的程度以保證:A) 臂架上運(yùn)行的小車在正常作業(yè)時(shí)不會(huì)失控;B) 臂架不能自行回轉(zhuǎn)。起重機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)使額定起重量在有效半徑處產(chǎn)生的垂直下?lián)隙葢?yīng)不超過(guò)表10的規(guī)定。表10 允許下?lián)隙绕鹬貦C(jī)工作級(jí)別為A5,按照表中允許下?lián)隙扔?jì)算,允許下?lián)隙鹊闹禐?.016m,經(jīng)過(guò)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(guān)的國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。5.3.4 主梁設(shè)計(jì)檢查結(jié)果圖59 安全系數(shù)詳圖起重機(jī)按許用應(yīng)力法進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞計(jì)算時(shí),基本條件是保證零部件或構(gòu)建危險(xiǎn)截面或所選計(jì)算截面上的危險(xiǎn)點(diǎn)的計(jì)算應(yīng)力,小于許用應(yīng)力。安全系數(shù)的大小與零部件或構(gòu)件的安全性和重要性,載荷和應(yīng)力計(jì)算的精確性等因素有關(guān)。我國(guó)起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 381183)對(duì)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)零件和結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度和疲勞計(jì)算的安全系數(shù)有明確的規(guī)定。經(jīng)過(guò)查閱,重要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的靜強(qiáng)度安全系數(shù)應(yīng)該在1.5以上。設(shè)計(jì)檢查結(jié)果顯示最小安全系數(shù)是1.9,在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)之上,但又沒(méi)有高出太多造成浪費(fèi)。54 立柱建立實(shí)體模型分析立柱的實(shí)體模型如圖610所示。主要結(jié)構(gòu)由兩個(gè)軸肩,底部法蘭盤,地腳螺栓孔以及加強(qiáng)肋板等特征組成。從上至下第一軸段通過(guò)軸承與主梁配合,中段的凸起定位安裝一個(gè)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,各部分材料相同,并為一個(gè)整體。首先在COSMOSWORKS中建立一個(gè)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(shè)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(jìn)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(jìn)行外部條件的設(shè)定。在此次分析中,零件的約束有兩個(gè)地方如圖512所示,分別是底面法蘭盤上的四個(gè)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(jìn)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 壓力命令來(lái)添加載荷。由于懸臂梁的結(jié)構(gòu)包含了一個(gè)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(guò)軸承與梁連接的部分只承受向下的壓應(yīng)力載荷和軸套的側(cè)向力,而中部立柱對(duì)于支撐肋板的支反力來(lái)平衡主梁產(chǎn)生的力矩。如圖613所示。 圖613 軸載荷圖614 主結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖下面來(lái)計(jì)算立柱所承受的載荷。如上圖614所示為起重機(jī)主要結(jié)構(gòu)的受力簡(jiǎn)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(duì)作用力與反作用力,F(xiàn)3為懸臂支撐結(jié)構(gòu)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(dú)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(dú)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(duì)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(diǎn)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(yùn)行命令來(lái)執(zhí)行分析,生成報(bào)告。55 立柱分析報(bào)告零件的材料為灰鑄鐵HT200,總質(zhì)量為8639.01 kg,網(wǎng)格劃分信息以及有關(guān)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(yīng)力結(jié)果表11立柱應(yīng)力結(jié)果名稱類型最小位置最大位置圖解1VON:von Mises應(yīng)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(yīng)力圖解根據(jù)分析結(jié)果,最大應(yīng)力為,單位換算后為6.92807MPa,遠(yuǎn)小于查表得出的5MPa的許用應(yīng)力,也遠(yuǎn)小于校核時(shí)計(jì)算出的22MPa的應(yīng)力值。強(qiáng)度出現(xiàn)了大幅度的過(guò)剩。5.5.2 立柱應(yīng)變結(jié)果表12 立柱應(yīng)變結(jié)果名稱類型最小位置最大位置圖解1ESTRN :對(duì)等應(yīng)變5.00081e-009要素: 7773(815.574 mm,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(yīng)變圖解應(yīng)變最大處與應(yīng)力最大處相同,但同樣最大處僅為。5.5.3 位移結(jié)果表12 立柱的位移結(jié)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于有關(guān)的許用撓度標(biāo)準(zhǔn)。立柱的剛度也出現(xiàn)了過(guò)剩。6.5.4 立柱分析總結(jié)經(jīng)過(guò)分析立柱的強(qiáng)度和剛度不管是在力的作用處,還是在可能發(fā)生應(yīng)力集中的地方,都出現(xiàn)了比較大的冗余。在設(shè)計(jì)檢查中其最小安全系數(shù)仍然達(dá)到了29之巨。出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的強(qiáng)度剛度浪費(fèi)的現(xiàn)象。所以根據(jù)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和有關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出的最小截面過(guò)大了。這是因?yàn)?,傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法在有關(guān)的強(qiáng)度和剛度的校核上過(guò)于保守。另外傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法無(wú)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(jì)算,這也是導(dǎo)致設(shè)計(jì)量出現(xiàn)大幅冗余的一個(gè)主要原因。56 設(shè)計(jì)改進(jìn) 在主梁和立柱的分析中發(fā)現(xiàn)了一些在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。首先分析橫梁。在橫梁的有限元分析中發(fā)現(xiàn),橫梁的強(qiáng)度和剛度都滿足了設(shè)計(jì)的要求,其中強(qiáng)度值非常充足。相對(duì)于強(qiáng)度值,剛度值滿足設(shè)計(jì)要求,但是沒(méi)有很大的裕度。這也是現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的普遍的問(wèn)題,就是強(qiáng)度有余而剛度不足,因此無(wú)法再進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。另外還有在支撐結(jié)構(gòu)與工字鋼梁的接觸線發(fā)現(xiàn)不嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象,這里設(shè)計(jì)一個(gè)圓角結(jié)構(gòu)可以很好的減輕應(yīng)力集中現(xiàn)象,但是這里加圓角會(huì)大大提高工件的加工難度,且應(yīng)力集中現(xiàn)象并不嚴(yán)重,所以決定保持原來(lái)的設(shè)計(jì)方案不變。再來(lái)分析立柱。在立柱的有限元分析中發(fā)現(xiàn),通過(guò)傳統(tǒng)設(shè)計(jì),以及經(jīng)驗(yàn)公式的方法設(shè)計(jì)出的工件強(qiáng)度和剛度都出現(xiàn)了較大幅度的冗余。這樣的設(shè)計(jì)浪費(fèi)了材料,增加了成本,使體積笨重。所以有必要對(duì)立柱進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),以便把強(qiáng)度和剛度控制在合理的范圍內(nèi)。優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案具體有兩種。一種為改變立柱的內(nèi)部結(jié)構(gòu),即將立柱內(nèi)部設(shè)計(jì)為中空的結(jié)構(gòu)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(qiáng)度和剛度。在立柱的優(yōu)化設(shè)計(jì)中以上兩種方法,第二種會(huì)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(shè)計(jì)。所以這里采用改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方法優(yōu)化設(shè)計(jì)。具體方案為,立柱將不采用實(shí)心結(jié)構(gòu),而是設(shè)計(jì)為一個(gè)壁厚為50mm的空心管狀結(jié)構(gòu),以減少鑄造的用料量。同時(shí)這種方案并沒(méi)有大幅提高加工工藝的復(fù)雜性,所以,采用此種方案后再進(jìn)行分析。圖618如圖618所示,圖中為修改后的立柱實(shí)體模型,可以從其底部清楚的看到其管狀空心結(jié)構(gòu),大幅度的節(jié)省了鑄造的材料。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(jìn)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(jié)果如圖619所示。圖619 立柱應(yīng)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(gè)合理的值,表13 優(yōu)化后的有關(guān)值名稱類型最小位置最大位置應(yīng)力結(jié)果VON:von Mises 應(yīng)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(jié)果URES: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(yīng)力結(jié)果和位移結(jié)果,應(yīng)力結(jié)果中最大的應(yīng)力已經(jīng)達(dá)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(shuō)來(lái),這此優(yōu)化設(shè)計(jì)達(dá)到了目的。6 軸承的選用與裝配體整個(gè)裝配體共用到軸承3個(gè),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(gè)軸承。從上面開(kāi)始,第一個(gè)軸承是一個(gè)深溝球軸承,軸承的代號(hào)10280,是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件。第二個(gè)軸承是推力球軸承,軸承代號(hào)11400480,外徑480,內(nèi)徑400,也是標(biāo)準(zhǔn)件。第三個(gè)軸承為角接觸球軸承,軸承代號(hào)00500,是標(biāo)準(zhǔn)件。三個(gè)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(jié)定柱式旋臂起重機(jī)是一種新型輕小起重設(shè)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(diǎn),一直為先進(jìn)工業(yè)國(guó)家廣泛地采用。但中國(guó)對(duì)該產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)研制很晚,生產(chǎn)廠家很少,不能滿足市場(chǎng)需求。而且生產(chǎn)中多采用傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)過(guò)程中無(wú)法全面直觀地了解整機(jī)以及一些關(guān)鍵部位的應(yīng)力狀況和位移變形情況,造成整機(jī)結(jié)構(gòu)笨重的缺陷,一些局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也往往不盡合理?;谏鲜鲈?該課題旨在在分析和研究國(guó)內(nèi)外該型起重機(jī)的先進(jìn)技術(shù)的同時(shí),根據(jù)實(shí)際需要,取長(zhǎng)補(bǔ)短對(duì)定柱式旋臂起重機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),并運(yùn)用PRO/E軟件進(jìn)行三維建模并導(dǎo)出二維圖形,從而確定相關(guān)尺寸。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)標(biāo)注和起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)來(lái)完成,采取傳統(tǒng)的力學(xué)設(shè)計(jì)方法,取長(zhǎng)補(bǔ)短,利用現(xiàn)有各種關(guān)于起重機(jī)械技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),對(duì)定柱式旋臂起重機(jī)的整體結(jié)構(gòu)布局進(jìn)行緊湊而合理的設(shè)計(jì),合理設(shè)計(jì)尺寸和利用材料,既保證該起重機(jī)滿足要求,又節(jié)約成本,進(jìn)而符合該課題的要求和全新的設(shè)計(jì)理念。并且通過(guò)此次設(shè)計(jì),要提高自己的分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力,將自己所學(xué)運(yùn)用到實(shí)際的工作中,提高自己的實(shí)踐能力。參 考 文 獻(xiàn)1 陳道南.起重運(yùn)輸機(jī)械. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998.12-178.2 郁祝年.工程力學(xué)和工程結(jié)構(gòu). 北京:中國(guó)電力出版社,1996.8-160.3 付榮柏.起重機(jī).鋼結(jié)構(gòu)制造工藝. 北京:中國(guó)鐵道出版社,1991.18-280.4 胡宗武,顧迪民.起重機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算. 北京:科學(xué)技術(shù)出版社,1987.5-360.5 陳國(guó)璋,孫桂林.起重機(jī)計(jì)算實(shí)例. 北京:中國(guó)鐵道出版社,1984.6-278.6 李靜.工程起重機(jī)綜合評(píng)價(jià)方法研究. 碩士學(xué)位論文.大連:大連理工大學(xué), 20077 劉長(zhǎng)江.懸臂起重機(jī)設(shè)計(jì)制造中應(yīng)注意的問(wèn)題.起重運(yùn)輸機(jī)械, 2008(11) : 26-278 黃琳.起重機(jī)伸縮臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究.碩士學(xué)位論文.大連:大連理工大學(xué),20079 嚴(yán)正宏.起重機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì).碩士學(xué)位論文.浙江:浙江大
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