【正文】 ，可設(shè)定應(yīng)力和位移為狀態(tài)變量，控制應(yīng)力和位移的大小以達(dá)到吊臂的強(qiáng)度和剛度要求。實(shí)體單元選用 8 節(jié)點(diǎn)的 6 面體單元 Solid45。ANSYS 允許定義的狀態(tài)變量不超過 100 個(gè),實(shí)際選取時(shí),應(yīng)選取適度的狀態(tài)變量的數(shù)目,以保證足夠的約束設(shè)計(jì)。 在這里首先要感謝我的導(dǎo)師譚宗柒老師。 約束處理：基本臂尾部與轉(zhuǎn)臺(tái)鉸接處，約束 3 個(gè)方向平移自由度（UX、UY、UZ）和兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度（ROTY、ROTZ） 。各節(jié)臂的筒體由薄板構(gòu)成，取中面尺寸造型。H][?5 伸縮臂有限元分析在 ANSYS 環(huán)境下進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，存在設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量及目標(biāo)函數(shù)三類變量。旋轉(zhuǎn)平面除考慮軸向Zf壓力影響，還需考慮在上述載荷和端部附加額定起升載荷 5％的側(cè)向載荷同時(shí)作用下的臂端側(cè)向靜位移 。當(dāng) P＞16MPa 時(shí)，x x=，P 為液壓缸工作壓力為 30MPa。 活塞桿材料許用應(yīng)力 ， 為材料的抗拉強(qiáng)度，材料為 45 號(hào)鋼，?? b?故 為 600MPa，n 為安全系數(shù)，一般取 n≥3～5，n 取 5。39。上述為所計(jì)算出的各節(jié)臂的長度尺寸，參考 QAY50 噸汽車起重機(jī)設(shè)計(jì)各節(jié)臂尺寸的確定，最終確定長度為: =（m） 、 =（m） 、 =（m） 、 01l02l 03l=（m）04l 變幅液壓缸鉸點(diǎn)的確定變幅液壓缸的鉸點(diǎn)如圖 所示，變幅液壓缸根部鉸點(diǎn)（ ）的位置，一般使1O21 / 43其落在回轉(zhuǎn)支撐裝置的滾道上，從而改變了平臺(tái)的受力情況。ii39。la0l39。1 1將最大起升高度 H1 帶入公式得出主吊臂最大長度 。0l式中：H—基本臂的起升高度，H=。因?yàn)楦邚?qiáng)度鋼材的抗局部失穩(wěn)的能力并不比普通鋼板高。該種截面是經(jīng)過優(yōu)化計(jì)算得出的最優(yōu)的截面形式，從而能最大限度地發(fā)揮材料的力學(xué)性能。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)橫向和縱向加筋，提高腹板的抗屈曲能力。傳動(dòng)方案如圖 圖 伸縮臂傳動(dòng)方案圖傳動(dòng)過程：液壓缸 2 向外伸出帶動(dòng)第 2 節(jié)臂伸出，同時(shí)由于鋼絲繩的長度是不變的，而液壓缸 2 向外伸出時(shí)鋼絲繩 1 變長，從而鋼絲繩 6 變短，使得第三節(jié)臂通過固定在液壓缸 2 上的滑輪 3 向外伸出，當(dāng)?shù)谌?jié)臂向外伸出的時(shí)候由于鋼絲繩的長度是不變的，鋼絲繩 8 變長，從而鋼絲繩 9 變短，使得第四節(jié)臂通過固定在三節(jié)臂上的滑輪向外伸出，最終按順序的伸長，反之縮回過程同理。K表 起重機(jī)的載荷狀態(tài)及其名義載荷譜系數(shù) QK載荷狀態(tài) 名義載荷譜系數(shù) 說明— 很少起升額定載荷，一般起升輕微載荷— 有時(shí)起升額定載荷，一般起升中等載荷— 經(jīng)常起升額定載荷，一般起升重載荷— 頻繁的起升額定載荷(3) 起重機(jī)工作級(jí)別的確定劃分起重機(jī)的工作級(jí)別，是為了對(duì)起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了合理的基礎(chǔ)，它能使起重機(jī)勝任它需要完成的工作任務(wù)，起重機(jī)的工作級(jí)別是根據(jù)起重機(jī)的利用等級(jí)12 / 43和起重機(jī)的載荷狀態(tài)而確定，根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》中，起重機(jī)工作級(jí)別的劃分，如表 所示，可以確定，此汽車式起重機(jī)的工作級(jí)別為 A4。m。如果取物裝置能下落到地面或軌面以下，從地面或軌面至取物裝置最低下放位置間的鉛垂距離稱為下放深度。臂架的強(qiáng)度決定了最大起重量時(shí)整機(jī)起重性能，其自重直接影響整機(jī)傾覆穩(wěn)定性，因而臂架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，將直接影響整機(jī)的性能，如整機(jī)重量、整機(jī)重心高度和整機(jī)穩(wěn)定性等?，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 節(jié)臂同步伸縮；4 節(jié)臂的一般單缸雙繩排為 節(jié)同步伸縮。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。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。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(shí)，在產(chǎn)品技術(shù)上有明顯的中國特質(zhì)。關(guān)鍵詞：伸縮臂；液壓缸；臂架結(jié)構(gòu)，有限元分析Design of truck crane Telescopic boom systemStudent：Xiao WentaoSupervisor：Tan Zhongqi(College of Mechanical amp。本學(xué)位論文屬于：保密□，在 年解密后適用本書授權(quán)。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(duì)整機(jī)穩(wěn)定性的影響較大。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(tái)。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。現(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(jiǎn)單的滑輪原理。 此技術(shù)采用單缸、互鎖的缸銷和臂銷、精確測(cè)長電子技術(shù)，優(yōu)點(diǎn)是重量最輕，對(duì)整機(jī)穩(wěn)定性的影響最小，但技術(shù)難度大、成本較高、臂長種類少、7 / 43伸縮時(shí)間長、臂長變化時(shí)麻煩。8 / 43汽車式起重機(jī)的額定起重量隨著吊臂的方位（側(cè)方、后方、前方三個(gè)基本作業(yè)方位）不同而有所變化。在臂架變幅平面內(nèi)起重機(jī)機(jī)體的最外邊至取物中心鉛垂線之間的距離稱為有效幅度，有效幅度可為正值或副值。 B—起重機(jī)一年中的工作天數(shù)，取 B=300 天。13 / 43（3）獨(dú)立伸縮：指吊臂在伸縮過程中，各節(jié)臂均能獨(dú)立進(jìn)行伸縮。梯形和倒置梯形截面的伸縮臂通常用于大噸位的輪式起重機(jī)。因此我從這個(gè)角度來確定吊臂截面，下面是我確定截面為 U 型截面的過程。U 型的截面最危險(xiǎn)處為四角焊縫處，該處應(yīng)力最大，也是最易產(chǎn)生應(yīng)力集中的地方。主臂尺寸的的確定包含以下的的內(nèi)容：一、 吊臂根部鉸點(diǎn)位置的確定，二、吊臂各節(jié)尺寸的確定，三、變幅液壓缸鉸點(diǎn)的確定，四、臂架的受力計(jì)算和分析，五、伸縮臂結(jié)構(gòu)的校核。 39。339。39。1il?i已知， = = ， = = ，從上式可知，后一節(jié)的搭接長度，臂前一節(jié)的搭接長39。在 中1O212O?39。0l將上述值帶入式()得出： =0 時(shí)， = 或 ，?2 =50 時(shí)， = 或 ，O =40 時(shí)， = 或 ，2 在 =40 時(shí)，比較接近中點(diǎn)值，所以鉸點(diǎn)位置確定為： =40 時(shí)， = 或? ?2O，在 = 時(shí)，根部鉸點(diǎn) 的位置落在前方軌道上， = 時(shí)，根部鉸點(diǎn)2O1 2落在后方軌道上。? 壓桿穩(wěn)定公式為： （）tn?式中： 安全系數(shù)，一般取 =。 伸縮臂受力計(jì)算 吊臂在變幅平面承受的載荷起升繩拉力 T： gGQm)(01????式中： 額定起重質(zhì)量0Q26 / 43 吊鉤質(zhì)量0G 吊臂動(dòng)力系數(shù)1?m吊鉤滑輪組的倍率滑輪組效率?由設(shè)計(jì)手冊(cè)中查得， =10t、 =1050kg、 =、m= =??計(jì)算得到： T=138370N計(jì)算時(shí)將起升繩拉力 T 分解為平行吊臂軸線方向的分力 和垂直吊臂軸線方?cos1T?向的分力 ；將垂直載荷 Q 分解為垂直吊臂軸線方向的分力 β 和平?sin2? cosQ行吊臂軸線方向的分力 。 二節(jié)臂 45176?；颈鄹颗c轉(zhuǎn)臺(tái)通過水平銷軸鉸接，且其中部還與變幅液壓缸鉸接，可實(shí)現(xiàn)吊臂在變幅平面內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。整個(gè)網(wǎng)格劃分，控制單元形狀盡可能規(guī)則，避免形狀畸形。[ f ] ——變幅平面內(nèi)允許最大位移。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(dòng)方案和臂架的截面，然后對(duì)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。首先考慮用 ANSYS 中的接觸單元來分析，但由于該算例中，單元數(shù)頗多，模型規(guī)模大，且有 12 處接觸（四節(jié)臂上下有 12 個(gè)滑塊） ，而接觸問題屬于非線性，求解過程必須反復(fù)迭代計(jì)算，因而計(jì)算量實(shí)在太大，另外，其準(zhǔn)確性也較差（實(shí)際結(jié)構(gòu)中的接觸特性尚不清楚） ，基于此，我們運(yùn)用另外一種方法——節(jié)點(diǎn)自由度耦合技術(shù)來模擬滑塊與各節(jié)臂的接觸。解決這樣一個(gè)變截面板殼模型受力問題，比較行之有效的方法是有限元法。 四節(jié)臂 45176。由垂直力 Q 和起升繩拉力 T 對(duì)吊臂軸線偏心引起的力矩為： ??cossin)(201TegGMLY???式中：e 1臂端定滑輪與吊臂軸線的偏心距 e2臂端導(dǎo)向滑輪與吊臂軸線的偏心距β伸縮臂在變幅平面傾角= = N?MLYM?510510?510由起升載荷以及吊臂重量引起的垂直載荷 Q 為： NgG5012.)(????? 吊臂在旋轉(zhuǎn)平面承受的載荷伸縮臂在旋轉(zhuǎn)平面視為根部固定、端部自由的懸臂梁。tF參見表 432，重新選擇活塞桿直徑 d=140mm。 臂架伸縮液壓缸的計(jì)算及選擇 缸筒內(nèi)徑計(jì)算主臂液壓缸定為 1 節(jié)，尺寸形狀可按如下進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，當(dāng)主臂仰角為 56 時(shí)，工?作幅度為 3 米時(shí)，主臂吊最大載荷 Q=50T,此時(shí)伸縮缸承受最大壓力T （）?? 伸縮缸在工作時(shí)能夠達(dá)到的工作壓力按 30MPa 計(jì)算，根據(jù)公式如下 = mm ()4DP?301.?式中:D—液壓缸的內(nèi)徑 F—最大載荷 P—工作壓力可得出，D=159mm,參見表 42，取 D=160mm。139。1?39。il出后仍在前節(jié)臂中的那部分搭接長度 ，第 i 節(jié)臂插在前節(jié)臂內(nèi)的長度為（ + ） ，假39。則外伸長度 ， ﹑ ﹑ 為二，三，四節(jié)臂縮回后外漏部分的39。 39。設(shè) 是鉸點(diǎn) O 至基本臂截面中0e心線距離，設(shè)下標(biāo) i 表示不同位置的 值的序號(hào)（i=1，2，…，n）當(dāng)?shù)?i 個(gè) 值為0e 0e時(shí)，鉸點(diǎn) O 的位置為 。確定 U 型為較合理的形狀。但在材料確定的條件下，只能改進(jìn)吊臂的形狀，也就是吊臂截面的形狀，來改進(jìn)吊臂的性能。前后滑塊均支承在四角處，伸縮臂各板不產(chǎn)生局部彎曲，且能較好地傳遞扭矩與橫向力，因此這兩種截面形式的伸縮臂能較好的發(fā)揮材料機(jī)械性能，減輕結(jié)構(gòu)自重。在現(xiàn)實(shí)中，三節(jié)伸縮臂或三節(jié)以上的伸縮機(jī)構(gòu)，往往式上述幾種伸縮機(jī)構(gòu)的中和，而很少單獨(dú)采用某一種伸縮機(jī)構(gòu)。 T—起重機(jī)一個(gè)工作循環(huán)的時(shí)間，設(shè)定為 T=300 秒。汽車式起重機(jī)的幅度 R 如圖 所示。起重機(jī)吊重行使時(shí)，起重臂必須前置。由于此技術(shù)對(duì)于電液的要求較高，尤其是在自動(dòng)伸縮的 PLC 控制和伸縮系統(tǒng)的液壓回路的設(shè)計(jì)上，國內(nèi)企業(yè)的技術(shù)還不是太成熟，可靠性還不是太高，還有較長的路去走。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(jí)缸或多個(gè)單級(jí)缸或多級(jí)缸和單級(jí)缸套用等方式直接用液壓缸伸縮。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(shí)，普遍采用單缸插銷形式的伸縮機(jī)構(gòu)。東亞約占銷售量的 40%，北美和歐洲各約占 20%。1 緒論 國內(nèi)外汽車起重機(jī)發(fā)展概況及趨勢(shì) 國內(nèi)汽車起重機(jī)發(fā)展概況及趨勢(shì)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)。（請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“√” ） 目 錄前言……………………………………………………………………… 1摘要……………………………………………………………………… 2 1 緒論 .........................................................................................................................2 國內(nèi)外汽車起重機(jī)發(fā)展概況及趨勢(shì) .................................................................2 伸縮臂結(jié)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀 .........................................................................................4 伸縮臂機(jī)構(gòu)形式介紹 .........................................................................................6 本課題內(nèi)容及重要意義 .....................................................................................72 QAY50 汽車起重機(jī)主要技術(shù)參數(shù)和工作級(jí)別 ............................................7 QAY50 起重機(jī)主要技術(shù)參數(shù) .............................................................................7 QAY50 汽車起重機(jī)的工作級(jí)別 ......................................................