150KN液壓單臂起重機(jī)的設(shè)計(jì)與分析

150KN液壓單臂起重機(jī)的設(shè)計(jì)與分析天津理工大學(xué)。摘要: 150KN液壓單臂起重機(jī)由吊臂、轉(zhuǎn)軸、斜拉桿、主油缸、旋轉(zhuǎn)油缸組、機(jī)座等組成。起重高度5.6米，裝有雙油缸180度旋轉(zhuǎn)結(jié)機(jī)構(gòu)，本文介紹了總體設(shè)計(jì)，主要部件的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法，介紹了液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理。關(guān)鍵詞：單臂液壓起重機(jī) 雙油缸180度旋轉(zhuǎn) 液壓原理一、概述 汽車模具是大型模具，長、寬可達(dá)四米多，重達(dá)幾十噸。模具由上模和下模組成，在模具制造和調(diào)試中，上模需要經(jīng)常吊起和翻轉(zhuǎn)，經(jīng)研磨等工藝修整后，再翻轉(zhuǎn)、吊回裝配。翻轉(zhuǎn)上模采用的方法是用兩臺(tái)起重機(jī)吊起，然后放開其中一個(gè)，翻轉(zhuǎn)后再重新吊起，兩臺(tái)起重機(jī)同時(shí)放下，可實(shí)現(xiàn)模具上模的翻轉(zhuǎn)。模具的上模重量按30噸計(jì)算，則一個(gè)起重機(jī)的起重量是15噸。車間中只有一臺(tái)天車，所以需要一臺(tái)150KN的起重機(jī)，此機(jī)要求結(jié)構(gòu)緊湊、占地少。分析起重機(jī)的工作條件，本機(jī)采用液壓驅(qū)動(dòng)單臂結(jié)構(gòu)。二、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起重機(jī)由吊臂、轉(zhuǎn)軸、斜拉桿、主油缸、旋轉(zhuǎn)油缸組、機(jī)座等組成（參見圖1），吊臂垂直方向起升角度范圍為-14度60度，起重高度為5.6米，吊臂可左右轉(zhuǎn)動(dòng)180度，全載荷有效工作角度為90度。主油缸是雙耳環(huán)工程液壓缸，內(nèi)徑200毫米、行程1200毫米。機(jī)底部分用混凝土固定于地面以下。起重機(jī)配有專用液壓站。起重機(jī)各部件的受力分析和計(jì)算結(jié)果見圖2.圖1 15噸液壓吊機(jī)圖2 起重機(jī)主要部件受力分析圖三、主要部件設(shè)計(jì)1、吊臂的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 吊臂可分為吊臂主體、吊鉤、支承軸架幾部分。吊臂主體主要承受彎曲載荷，經(jīng)材料力學(xué)計(jì)算可知，其最大彎矩在B處，其數(shù)值為463.5KNm。經(jīng)過數(shù)種截面形式的綜合分析，采用圖3左示圖所示的組合結(jié)構(gòu)，由四個(gè)14號(hào)等邊角鋼和中間的12毫米厚鋼板形成的組合截面。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算，確定了如圖所示的尺寸，此時(shí)其最大彎曲應(yīng)力是70Mpa，符合液壓機(jī)構(gòu)件的許用應(yīng)力。支承軸架如圖3俯視圖所示。在工作當(dāng)中，吊臂會(huì)存在水平方向擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)慣性，所以兩個(gè)軸支板間要有一定的距離以克服吊臂的慣性扭矩，經(jīng)計(jì)算此距離選為500毫米。吊臂的三個(gè)銷軸，均按許用應(yīng)力70Mpa進(jìn)行設(shè)計(jì)。2、帶重載轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)如圖4所示，設(shè)計(jì)時(shí)考慮受力特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)上作了如下設(shè)計(jì)：圖3 吊臂結(jié)構(gòu)圖圖4 轉(zhuǎn)軸總成其一，顯然吊臂的力和油缸的力，分別通過吊臂軸和油缸軸作用在轉(zhuǎn)軸上。轉(zhuǎn)軸的橫截面受有拉力，其值經(jīng)計(jì)算為385KN。為了避免在轉(zhuǎn)軸上形成偏心拉伸力矩，采用大拉板把兩個(gè)力的作用點(diǎn)聯(lián)接起來，則支軸截面的拉力全部由拉板承載。拉板是由兩個(gè)厚12毫米、寬250毫米的鋼板組成。 其二，轉(zhuǎn)軸的上部受有斜拉桿的拉力，在轉(zhuǎn)軸的下部，與基座相接的部位受有向上的530KN反力和水平方向的276.2KN反力，這兩個(gè)部位工作時(shí)都要轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)置了兩個(gè)青銅滑動(dòng)軸承，采用脂潤滑。3、雙油缸180度旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)承載的吊臂在水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，必然會(huì)存在極大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性，如果采用蝸輪結(jié)構(gòu)、齒輪結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)都是容易損壞的。本機(jī)采用油缸驅(qū)動(dòng)，采用桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，通常一個(gè)油缸只能驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)約90 度，采用如圖5所示的結(jié)構(gòu)，兩個(gè)油缸采用桿串聯(lián)的方式，可實(shí)現(xiàn)180度轉(zhuǎn)角。圖中油缸AB的A軸是固定軸，通過B點(diǎn)驅(qū)動(dòng)桿GE，G軸是也固定軸，則油缸可推動(dòng)GE轉(zhuǎn)動(dòng)約90度。油缸DC以C為基點(diǎn)通過D點(diǎn)推動(dòng)桿GF，則油缸DC可推動(dòng)桿GE轉(zhuǎn)動(dòng)約90度。這樣，兩個(gè)油缸滿行程工作，可使桿GF轉(zhuǎn)動(dòng)約180度，桿GF與轉(zhuǎn)軸固聯(lián)，實(shí)現(xiàn)吊臂的180度轉(zhuǎn)動(dòng)。兩個(gè)油缸均為直徑63毫米、行程280毫米的雙耳環(huán)工程油缸。采用雙油缸驅(qū)動(dòng)重型構(gòu)件的轉(zhuǎn)動(dòng)，可以有效地緩沖巨大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性，是安全可靠的方法。圖5 雙油缸驅(qū)動(dòng)180度旋轉(zhuǎn)示意圖4、寬區(qū)域承載底座的設(shè)計(jì)底座的作用是承載作業(yè)空間形成的傾倒彎矩和整機(jī)的重力載荷。底座的最大彎矩位于轉(zhuǎn)軸處，由計(jì)算可知約是709 KNm，按許用應(yīng)力70Mpa計(jì)算，所需的抗彎截面模量8864cm3。采用63c熱軋工字鋼，其抗彎截面模量是3300cm3。在工字鋼的上、下兩面焊裝寬1米、厚20mm的鋼板，使其抗彎截面模量大于8864cm3。 工字鋼上的彎矩隨遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)軸而變小，所需焊裝鋼板的寬度也相應(yīng)變窄，如圖1所示，距離轉(zhuǎn)軸左、右分別為2530mm和1545mm的位置上，其彎矩已變小，不必再焊裝增加強(qiáng)度的鋼板了。焊裝的鋼板呈梯形狀。吊臂在水平方向的工作范圍是90度，所以布置了三條相同結(jié)構(gòu)的工字鋼，組成抗彎力系鋼結(jié)構(gòu)件，保證吊臂在各工作位置均有可靠的力學(xué)支承，每條工字鋼所焊裝的鋼板最寬處大于1米，實(shí)際上是如圖1所示的形狀。底座構(gòu)件裝于地面以下，設(shè)預(yù)埋件，焊接固定。四、起重機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)原理如圖6所示，系統(tǒng)的額定工作壓力是20Mpa，吊鉤的平均上升速度設(shè)計(jì)為每秒30 mm，主油缸內(nèi)徑200毫米，經(jīng)計(jì)算選用25ml/轉(zhuǎn)的變量柱塞液壓泵、電動(dòng)機(jī)功率為11kw。需要說明的設(shè)計(jì)原理主要有兩點(diǎn)：1、吊鉤下降時(shí)，往往是帶有重載進(jìn)行下降，為了安全，主油缸的運(yùn)動(dòng)速度不能過快，所以裝有單向調(diào)速閥7。當(dāng)?shù)蹉^懸停在高位時(shí)，要確保其懸停而不下降，為此裝有液控單向閥6，只有當(dāng)油缸上腔供油時(shí)，受上腔油壓的控制，液控單向閥6才能打開，活塞才能下行。單向調(diào)速閥7選用管式結(jié)構(gòu)，直接裝在主油缸的油管接口上，這樣最安全，如果裝在遠(yuǎn)端，油管的意外破裂會(huì)造成吊臂的失控而發(fā)生事故。2、兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)油缸10和11，是并聯(lián)油路，工作時(shí)兩個(gè)油缸中哪個(gè)油缸先動(dòng)作和后動(dòng)作，對吊臂的轉(zhuǎn)動(dòng)效果都是一樣的。油路中裝有調(diào)速閥9，調(diào)整后使吊