【正文】 參 考 文 獻(xiàn)[1]：中國(guó)鐵道出版社，1997.[2]：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1988.[3]：東北大學(xué)出版社，2022.[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[。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)才會(huì)順利完成。除了敬佩譚老師的專業(yè)水平外，他的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)研究的精神也是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。譚老師平日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設(shè)計(jì)的每個(gè)階段，從查閱資料到設(shè)計(jì)草案的確定和修改，中期檢查，后期詳細(xì)設(shè)計(jì)，裝配草圖等整個(gè)過程中都給予了我悉心的指導(dǎo)。作為一個(gè)本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)，由于經(jīng)驗(yàn)的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導(dǎo)師的督促指導(dǎo)，以及同學(xué)們的支持，想要完成這個(gè)設(shè)計(jì)是難以想象的。致謝大學(xué)生活一晃而過，回首走過的歲月，心中倍感充實(shí)，當(dāng)我寫完這篇畢業(yè)論文的時(shí)候，有一種如釋重負(fù)的感覺，感慨良多。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(zhǎng)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。[ f ] ——變幅平面內(nèi)允許最大位移。[ ] ——材料許用應(yīng)力。設(shè)計(jì)中, 為保證臂的強(qiáng)度和剛度, 設(shè)定應(yīng)力 STRESSM 和位移 DEFLM 為狀態(tài)變量,控制應(yīng)力和位移的大小,即使臂滿足強(qiáng)度和剛度要求。狀態(tài)變量通常是控制設(shè)計(jì)的因變量數(shù)值,是設(shè)計(jì)變量的函數(shù),在ANSYS 中,這種函數(shù)關(guān)系不是顯式的,對(duì)狀態(tài)變量的約束構(gòu)成了約束方程。釋放繞銷軸中心回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度（ROTX） 。風(fēng)載荷加到吊臂側(cè)面上，而其它力則須加到相應(yīng)位置的節(jié)點(diǎn)上（或關(guān)鍵點(diǎn)上） ，為了使得這些加載點(diǎn)能成為節(jié)點(diǎn)，首先需要在此位置處創(chuàng)建硬點(diǎn)（Hard points） ，此外，由于鋼絲繩在臂頭的拉力及伸縮機(jī)構(gòu)鋼絲繩拉力等方向與整體坐標(biāo)系方向不一致，故還須旋轉(zhuǎn)這些節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系，以便于加載。 為 了 達(dá) 到 此 目 的 ， 首 先 要 旋 轉(zhuǎn) 節(jié) 點(diǎn) 坐 標(biāo) 系 ，旋 轉(zhuǎn) 角 度 即 為 仰 角 θ ， 利 用 各 節(jié) 臂 與 滑 塊 在 同 一 位 置 節(jié) 點(diǎn) （ Coincident Node） 間 的 耦 合 ， 可 方 便 地 實(shí) 現(xiàn) 12 個(gè) 滑 塊 與 吊 臂 對(duì) 應(yīng) 節(jié) 點(diǎn) 的 耦 合 。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。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。 最終形成吊臂的有限元模型規(guī)模. 各節(jié)臂筒體采用自由（free）及映射（mapped）方式劃分。 考慮到每節(jié)臂之間都有搭接部分，不易選中，且大部分板厚都不一樣，若是每塊板逐個(gè)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，效率低下，容易出錯(cuò)，為此我們先在實(shí)體模型上指定屬性，即賦予所有實(shí)體需劃分的單元、材料特性、實(shí)常數(shù)等，然后由程序一次對(duì)所有板、塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同時(shí)也避免了在網(wǎng)格劃分操作中重復(fù)設(shè)置屬性。Shell63 是一種 4 節(jié)點(diǎn)線彈性單元，它遵循基爾霍夫假定，即變形前垂直中面的法線變形后仍垂直于中面，而且這種單元可以同時(shí)考慮彎曲變形及中面內(nèi)的膜力，比較符合吊臂的實(shí)際受載情況?；诨颈鄣奈膊考八墓?jié)臂的頭部結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜且剛性很大，故將其簡(jiǎn)化成實(shí)體，利用 ANSYS 強(qiáng)大的造型功能，如：拉伸、移動(dòng)、拷貝、布爾加減運(yùn)算、粘接等，可方便地建模。為確保其重心位置的正確性，必須以吊臂的真實(shí)工況位置（仰角 θ）進(jìn)行建模，亦即先要計(jì)算仰角 θ 的大小，再激活工作平面（workplane） ，將工作平面旋轉(zhuǎn) θ 角，在工作平面內(nèi)造型。基于吊臂的實(shí)際工況較多,現(xiàn)僅以全伸臂工況為例，進(jìn)行 QAY50 起重機(jī)伸縮吊臂結(jié)構(gòu)有限元的分析過程。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?；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)。由于優(yōu)化過程是不斷在設(shè)計(jì)域內(nèi)進(jìn)行搜索以尋求最優(yōu)解，這樣有限元分析過程就得反復(fù)進(jìn)行，亦即有限元分析的整個(gè)過程是作為優(yōu)化設(shè)計(jì)中的一個(gè)文件，并進(jìn)一步生成優(yōu)化循環(huán)文件，以便優(yōu)化過程反復(fù)調(diào)用，若是有限元模型較大，則分析時(shí)間長(zhǎng)，優(yōu)化迭代時(shí)間也就很長(zhǎng)。目標(biāo)函數(shù)為吊臂的重量，最終使重量最輕。狀態(tài)變量制約設(shè)計(jì)變量的取值，是設(shè)計(jì)變量的函數(shù)，而對(duì)狀態(tài)變量的約束則構(gòu)成了約束方程。由于吊臂的長(zhǎng)度是由起重機(jī)作業(yè)范圍確定的，不能改變，優(yōu)化設(shè)計(jì)變量應(yīng)是截面參數(shù)，即截面形狀和壁厚參數(shù)。原理和變幅平面相同,得到 =， =則可得 ??zf .??校核結(jié)果,此舉臂在這種工況下剛度合適. 伸縮臂的強(qiáng)度校核伸縮臂計(jì)算截面角點(diǎn)正應(yīng)力直接可按下式計(jì)算：、bIWYy2?2121bZbZZlIlI???表 臂架受力則可根據(jù)材料力學(xué)和材料成型技術(shù)等專業(yè)課，推算出舉臂材料為合金結(jié)構(gòu)鋼，其為 885mpa，滿足條件。長(zhǎng)度系數(shù) 可由下式計(jì)算:31()???????IlllX1h???（ ） （ ）[](1)(1) HFAWNN????????4eyN2()1EIYL???可知道 = 10 Nez?4變幅平面的臨界力 ey求臨界力時(shí)，伸縮臂在變幅平面情況與旋轉(zhuǎn)平面主要有兩點(diǎn)不同:一是吊臂在變幅平面的計(jì)算簡(jiǎn)圖是簡(jiǎn)支外伸梁，由支承情況決定的長(zhǎng)度系數(shù) 可根據(jù)具體支承情況得1?到；二是起升繩拉力方向的改變?cè)谛D(zhuǎn)平面中對(duì)吊臂旁彎起維持平衡的作用，而在變幅平面不起這個(gè)作用，因此在求臨界力時(shí)不必顧及起升繩拉力方向的影響，即 變幅13??平面臨界力計(jì)算式為: 變幅平面的臂端撓度 wzf變幅平面內(nèi)的箱型多節(jié)伸縮臂在臂端橫向載荷 的作用下產(chǎn)生的彎曲變形,LYZMS若伸縮臂有 K 節(jié),則臂端撓度可按以下公式計(jì)算:同理可求: mEILIsffzmT ???????wz7旋轉(zhuǎn)平面的臂端撓度 yf參照伸縮臂在變幅平面由側(cè)向載荷引起的臂端撓度的計(jì)算方法可以寫出伸縮臂在旋轉(zhuǎn)平面由側(cè)向載荷引起的臂端撓度的計(jì)算式，其中不同的是伸縮臂在變幅平面按簡(jiǎn)支外伸梁計(jì)算，而在旋轉(zhuǎn)平面則按懸臂梁計(jì)算。 四節(jié)臂 45176。 二節(jié)臂 45176。?Z變截面吊臂決定的長(zhǎng)度系數(shù) 2?箱型伸縮臂是一個(gè)雙向壓彎構(gòu)件，同時(shí)也是一個(gè)階梯形變截面構(gòu)件，計(jì)算公式如下：（）)]sin(i1[ 112 ?????iiikiZI ????式中：第 i 節(jié)臂伸出后的長(zhǎng)度與吊臂全長(zhǎng)比；i?第 i 節(jié)臂的截面慣性矩；ZI第一節(jié)臂（基本臂）的截面慣性矩。ΔZ 在變幅平面內(nèi)相鄰兩節(jié)臂之間的橫向間隙 并假定各節(jié)臂之間的間隙均相等，間隙的大小由使用要求和工藝條件決定，通常 Δ Z=1～3mmK伸縮臂的節(jié)數(shù)、 伸縮臂的幾何尺寸1?iHil伸縮臂的許用撓度，單位為 m][f 伸縮臂臂長(zhǎng)（m）cL（2）旋轉(zhuǎn)平面 （）)(107.][)( LflHfNFf ki ciyw????????式中：吊臂在旋轉(zhuǎn)平面的臨界力FY—吊臂在軸向壓力 F=0 的情況下，僅由旋轉(zhuǎn)平面?zhèn)认蜉d荷引起的臂端撓度wefΔy —在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)相鄰兩節(jié)臂之間的側(cè)向間隙計(jì)算變幅平面吊臂端部撓度時(shí)，其計(jì)算載荷應(yīng)只考慮有效載荷的靜力作用，即不計(jì)自重和動(dòng)力系數(shù)。 5176。Yf（1）變幅平面 （）)(10][)( ki ciZwz????????F吊臂承受的軸向力吊臂在變幅平面的臨界力EY吊臂在軸向壓力 F=0 的情況下，僅由變幅平面橫向載荷引起的臂端撓度wgf類型擺角 輕型 中型 重型 特重3176。吊臂在壓彎的受力情況下，采用簡(jiǎn)化法計(jì)算臂端撓度并作伸縮臂的剛度校核：變幅平面考慮起吊額定載荷，并處于相應(yīng)工作幅度時(shí)，臂端在平面內(nèi)的靜位移 。,則 NgtGQSY 501072.)(?????不裝副臂，力矩 ，側(cè)向力 中的貨物偏擺載荷 S 貨原來作用于臂端定滑輪的0?LXM軸心處，因此吊臂還受有扭矩 tgeN10)(??可知 = N?MM?5 伸縮臂的剛度校核箱型伸縮式吊臂的校核應(yīng)按最小幅度吊最大起重量的工況進(jìn)行計(jì)算。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。 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0Q 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 。（2）缸筒外徑計(jì)算缸筒外徑 為1D （）2???所得結(jié)果為 =180mm。:??:10? 對(duì)厚壁缸筒 （）??.423xP?????????通過上式求得 =，取整為 =10mm。將上述數(shù)值代入式（）可得， =25mm。 缸筒材料的許用應(yīng)力， , 為材料的抗拉強(qiáng)度，材料為 45????bN??號(hào)鋼取 =600MPa，N 為安全系數(shù)，一般取 N=5。 對(duì)薄壁缸筒 ()??2xPD???式中： 液壓缸的耐壓試驗(yàn)壓力，當(dāng) P＜16MPa 時(shí)， =。所得 = N。tF參見表 432，重新選擇活塞桿直徑 d=140mm。? 壓桿穩(wěn)定公式為： （）tn?式中： 安全系數(shù)，一般取 =。 長(zhǎng)度折算系數(shù)，由文獻(xiàn)〔1〕可知， =1。? J—活塞桿截面慣性矩， = 。計(jì)算時(shí)吧液壓缸整體看成一個(gè)和活塞桿截面相等的桿件，采用歐拉公式計(jì)算出臨界壓縮載荷 ，再帶入壓桿穩(wěn)定公式進(jìn)行計(jì)算。b將上述值代入， 式（）成立，所以強(qiáng)度滿足要求。? F—液壓缸負(fù)載力。?? 可得出：d=113mm；參見表 422，選擇 d=125mm。 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。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。 =176。 12O39。112121已知， ， =（～） ，并帶入上述 2 式并消去 、 ，39。 39。12?2239。0h?從而可以得出： =176。139。在 中1O212O?39。鉸點(diǎn) 的取得22要滿足下述條件，在變幅缸縮回時(shí)， 吊臂位在行駛狀態(tài)，變幅液壓缸長(zhǎng)度為最短長(zhǎng)度；而當(dāng)全伸時(shí)吊臂位在最大仰角狀態(tài)，液壓缸長(zhǎng)度達(dá)到最大長(zhǎng)度。O0he0hO因?yàn)殂q點(diǎn)離滾道面的距離式構(gòu)造所定，一般取 =。從而可以得出鉸點(diǎn) 已經(jīng)確定。采用雙作用液壓缸，其鉸點(diǎn)離回轉(zhuǎn)中心的距離 f 取決于雙缸間的距離 B,可通過下式算得： （）22DB????????由于回轉(zhuǎn)支撐裝置 D 和吊臂寬度 B 都與起重能力有關(guān)，一般取 D=(～)B。 即式（）成立，所計(jì)算各節(jié)臂的長(zhǎng)度滿足要求。il1? 此次設(shè)計(jì)共有 4 節(jié)臂，其最后一節(jié)的搭接長(zhǎng)度為 使其等于 1/5 的外伸長(zhǎng)度，現(xiàn)在5l和 已經(jīng)得出，則根據(jù)式（） ，吊臂的各節(jié)搭接長(zhǎng)度和結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度分別為，maxl0= +（ca）=（m） = +（ca）=（m）4l 04l= +2（ca）=（m） = +2（ca）=（m）3 3l= +3（ca）=（m） = +3（ca）=（m）2l 02= +4（ca）=（m） = +4（ca）=（m）1 1l各節(jié)臂長(zhǎng)度尺寸的驗(yàn)算 計(jì)算的基本臂工作長(zhǎng)度 必須滿足下面的式子，所計(jì)算的各節(jié)臂的長(zhǎng)度值才