第七章變幅機構(gòu)

第七章變幅機構(gòu)2008.7大連理工大學(xué)機械學(xué)院苗明131901622420411-84709830第一節(jié)概述一、變幅機構(gòu)的作用1．什么是變幅機構(gòu)：使臂架傾角變化而改變起重機幅度的機構(gòu)稱為變幅機構(gòu)。2．作用：改變起重機的臂架幅度，配合回轉(zhuǎn)和運行機構(gòu)達到吊重水平移動之目的。擴大工作范圍。二、類型1、按工作性質(zhì)分

ⅰ、工作性變幅；帶載變幅，生產(chǎn)率高。ⅱ、非工作性變幅；空載，調(diào)整性的。2、根據(jù)作業(yè)要求分

ⅰ、非平衡變幅；構(gòu)造簡單ⅱ、平衡變幅系統(tǒng)3、按結(jié)構(gòu)形式分

ⅰ、小車式變幅a、自行式；牽引式；ⅱ、擺動臂架式；ⅲ、伸縮臂架式ⅳ、柔性變幅機構(gòu)；ⅴ、剛性變幅機構(gòu)三、性質(zhì)1．非工作性變幅機構(gòu)特點：ⅰ、空載變幅。ⅱ、工作速度低，V平=10~35m/min。ⅲ、通常采用簡單的變幅機構(gòu)。ⅳ、不同幅度起重量不同。ⅴ、變幅驅(qū)動機構(gòu)主要克服臂架重力和風(fēng)力，不考慮PQ。ⅵ、不要求臂架自重平衡和載荷水平位移。用途：調(diào)整起重機工作位置，如：鐵路起重機汽車起重機2．工作性變幅機構(gòu)ⅰ.可帶載荷變幅。ⅱ.工作速度高，V平=40~90m/min。ⅲ.不但考慮重力，風(fēng)力而且還要考慮載荷PQ。用于工作效率較高之處。ⅳ.起重量不隨幅度而變。ⅴ.對于工作頻繁的臂架俯仰式變幅機構(gòu)；要求：吊重走水平;臂架自重平衡。用途：要求生產(chǎn)率高的，如：港口門座起重機。四、結(jié)構(gòu)形式和組成（一）結(jié)構(gòu)形式1．小車式變幅：特點，主要用于工作性變幅。V均勻，實現(xiàn)水平位移和較小的Rmin,但是臂架受M較大，結(jié)構(gòu)自重大。自行式（電動葫蘆）、牽引式（塔吊）多用于塔吊。2．俯仰臂架式——依靠臂架俯仰以實現(xiàn)變幅?？捎糜诠ぷ骱头枪ぷ髯兎?，臂架受力有利（壓桿）自重輕。3．伸縮臂架式——輪式起重機。（多是俯仰式）。（二）組成1．驅(qū)動機構(gòu)：ⅰ.鋼絲繩滑輪組變幅ⅱ.曲柄連桿ⅲ.扇形齒輪ⅳ.螺母螺桿ⅴ.齒條ⅵ.液壓油缸2．臂架系統(tǒng)：i.平衡變幅ⅱ.非平衡變幅曲柄連桿鋼絲繩滑輪組扇形齒輪螺母桿桿齒條油缸第二節(jié)載重水平位移載重水平變幅：使物品在變幅過程中沿著水平線或近似水平線的軌跡運動。對俯仰臂架式起重機，使吊重沿水平或近似水平移動，形式很多，可歸納為：①繩索補償法②組合臂架法

一、結(jié)構(gòu)形式繩索補償法：（起升繩補償法）吊重在變幅過程中引起的升降現(xiàn)象依靠起升繩纏繞系統(tǒng)中及時放出或收入一定長度起升繩的辦法來補償。1．補償滑輪組法：條件：；B點要選的合適。特點：ⅰ、結(jié)構(gòu)簡單ⅱ、能獲得較小的幅度ⅲ、臂架受力好ⅳ、提升高度大，吊重大時，起升繩長，繞過的滑輪多，鋼絲磨損大ⅴ、最小幅度時，起升繩懸掛較長，工作時吊重擺動大ⅵ、水平位移波動大，吊鉤只能近似水平移動。用于中小型起重機。2．平衡滑輪補償法（平衡杠桿補償法）條件：特點：起升繩的長度減少，磨損減少3．連桿—補償滑輪組組成：起升卷筒①臂架上部滑輪②臂架后滑輪③吊鉤滑輪④臂架前滑輪⑤后臂滑輪⑥止動滑輪組⑦下部滑輪⑧條件：①臂架尾部長度與連桿長度相等。特點：結(jié)構(gòu)緊湊，繩磨損大，用于小型起重機。5．補償卷筒法特點：占面積達，重量大，繩的磨損大，補償卷筒常為圓錐卷筒?，F(xiàn)在已很少使用。綜上所述，共同特點：起升繩長，磨損快，在Rmin處物品擺動大，臂架簡單，構(gòu)造簡單，自重輕（二）組合臂架法：原理：由象鼻梁，臂架，拉桿組成的組合臂架以一定的幾何關(guān)系保證吊重水平運動。特點：不是依靠放出或收入一定的鋼絲繩長度的辦法。而是臂架端點沿水平線，或近似水平軌跡來保證。類型：1.直線象鼻梁（四連桿）2.撓性拉索象鼻梁（曲線象鼻梁）3.平行四邊形組合臂架①直線象鼻梁拉桿組合臂架（四連桿)式組成：臂架，象鼻梁，大拉桿三部分。特點：起升繩的長度和磨損都減少，滑輪的m對補償沒影響，系統(tǒng)復(fù)雜，自重大，近似水平。在港口，造船廠廣泛使用。②曲線象鼻梁拉桿組合臂架式特點：①剛性拉桿改為撓性拉索，自重輕。②剛性差，由于安裝誤差，結(jié)構(gòu)變形，近似水平。③平行四邊形二、載重水平位移系統(tǒng)的設(shè)計（一）滑輪組補償法設(shè)計已知數(shù)據(jù)：Rmax、Rmin、臂架長度L、起升滑輪組的倍率m，補償滑輪組的倍率mF①圖解法：（確定補償滑輪的位置）步驟：①根據(jù)結(jié)構(gòu)要求先確定O點；②以一定的比例作臂架的4個位置。一般取為較合適。③過Ⅱ臂架端點A2作垂線截取，過A3點，作垂線截?、芊謩e以B2、B3為圓心，以為半徑畫弧，交于OA2、OA3于C2、C3兩點.⑤連接C2B2、C3B3⑥分別作過A2、A3兩點并平行于C2B2、C3B3的平行線，此二線交于O1點，則點O1為補償滑輪的位置。一般：O1點確定之后要進行校驗。①載荷實際的最大高度差，一般應(yīng)使②未平衡力矩。理想情況，每個位置M0=0但實際上不可能。要求：ⅰ、變化要??；ⅱ、不要有尖峰；ⅲ、在Rmax時M0為負值（向后），在Rmin時M0為正值（向前）2.解析法：補償滑輪組中鋼絲繩容量的變化，便對起升滑輪組的鋼絲繩容量變化進行補償。①變幅過程中，兩套滑輪組中鋼絲繩總長度D不變。②起升高度（吊鉤軌跡）設(shè)；③由ΔOAB可得代入②④軌跡顯然上式y(tǒng)隨φ變化不是直線，y不是平直的，要使y的垂直差值趨向最小，實際上斜率為零時，在該點y是水平的。⑤也可以得未平衡力矩M0功能原理：；最常用的是t=3.（二）四連桿式組合臂架裝置的設(shè)計1．設(shè)計任務(wù)：確定臂架系統(tǒng)的主要尺寸①臂架長度L；②象鼻梁前端長度L1；

③象鼻梁后端長度l2；④拉桿長度l3

⑤確定臂架下鉸點O；⑥拉桿下鉸點O12．設(shè)計要求：保證物品在變幅過程中盡可能沿接近于水平線移動。系統(tǒng)尺寸盡可能緊湊，自重輕，裝卸方便，鉸點位置要適合總體要求。（1）圖解法步驟：ⅰ.已知參數(shù)Rmin，Rmax、H0ⅱ.根據(jù)構(gòu)造和總體布置初定臂架下鉸點位置O點。相應(yīng)就定了f和H0.ⅲ.確定角度：通常ⅳ.確定臂架長度L及象鼻梁長度L1（1）先作最小幅度位置，過O點作與垂線夾角為γ3=5o~10o的臂架位置。（以Smin為水平點定A2點）過點A2作與垂線夾角γ2的象鼻梁位置線交于B2點。得：(2)作最大幅度位置，檢驗γ1與α1以O(shè)為圓心，以L為半徑作圓弧，與以A1為圓心，以L1為半徑作圓弧交于B1點，檢驗γ1與α1，如不合適再調(diào)整γ2與γ3。ⅴ.確定拉桿二鉸點位置

①象鼻梁尾部鉸點C，延長線至C

有時由于結(jié)構(gòu)布置需要，不在延長線上，而向上350—600mm。②拉桿長度l3和鉸點O1位置：選三個位置、與A3（距A1點處）③按C1、C2、C3點求圓心O1，即作

和的中垂線交于一點就是O1點。ⅵ檢驗：目的：要求吊重走水平，臂架受力矩最小，另外還要滿足總體布置要求。方法：ⅰ、作圖：求每個位置象鼻梁端點軌跡。ⅱ、求每個位置力矩。仍然用功能原理：

PQ—載重v—變幅速度ω—臂架擺動角速度

P為瞬心代入

求每個位置M0最小，最好DA=0實際上，Rmin時，M0向前；Rmax時，M0向后。第三節(jié)臂架自重平衡臂架平衡的目的1、減少變幅驅(qū)動功率——工作性變幅2、借助平衡增加起重機的穩(wěn)定性一、臂架自重平衡系的典型結(jié)構(gòu)型式（一）合成重心保持在某一固定點。（重心不變平衡原理）1、尾重式特點：結(jié)構(gòu)簡單，尾部旋轉(zhuǎn)半徑小，機房布置不方便，穩(wěn)定性較差。2.平行四邊形平衡梁——連桿系統(tǒng)OA∥O1B；OC∥O1g；D在Cg連線上特點：①對重向后移，對穩(wěn)定性改善②結(jié)構(gòu)平行機構(gòu)，重心在D點③結(jié)構(gòu)布置受限制（二）合成重心沿水平線移動1、杠桿——平衡梁方式原理：平衡方程：特點：①二鉸點距離加大，平衡重對起重機穩(wěn)定性大大改善；②平衡重量減輕。③支點O1支在上部，機房布置寬敞。要求：尾部轉(zhuǎn)動時，最大不得超過門架界限尺寸，防止與船舶相撞，造船起重機可不受限制。2、平衡梁連桿——滑移對重優(yōu)點：對重在下面，穩(wěn)定性好。缺點：布置困難，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。3、繩索——滑輪對重方式特點：對重沿軌道移動，結(jié)構(gòu)簡單，重心低，繩子磨損大。4、連桿——垂直滑動對重優(yōu)點：對重在轉(zhuǎn)柱內(nèi)滑動，結(jié)構(gòu)緊湊。缺點：對轉(zhuǎn)柱平衡不利，對上部的穩(wěn)定性達不到改善。（三）無對重平衡原理1.單臂式重心必須在L/2處。2.平行四連桿二、臂架自重平衡系統(tǒng)的設(shè)計常用的杠桿——平衡梁系統(tǒng)方式（合成重心）設(shè)計方法。（一）臂架固定點O和平衡梁固定點O1根據(jù)結(jié)構(gòu)而定。（二）對重確定原則：ⅰ、對重臂半徑盡量大以減少對重重量，但不能超過門架界限尺寸。ⅱ、對重下限位置以不撞結(jié)構(gòu)為準(zhǔn)，通常離垂線10o~20oⅲ、對重上限位置一般不超過水平線，有時為了減少對重重量，增加h值，可超過水平線20o~30o。ⅳ、求平衡梁與拉桿連接點通常選三個位置——Rmin、Rmax、R中（位置越多越好）具體作法如下：ⅰ.根據(jù)結(jié)構(gòu)要求確定O、O1，ⅱ.作臂架三個位置Rmin、Rmax、R中及臂架重心的三個位置ⅲ.確定對重兩個極限位置βmin=10o~20o、βmax=110o~120o,并確定相應(yīng)h2’、h1、h2值。ⅳ.確定對重，根據(jù)臂架重心升高所增加的位能相當(dāng)于對重降低所減少的位能：

ⅴ.根據(jù)ⅳ可求出中間幅度對重的位置對應(yīng)于g2。

目的是得到適當(dāng)?shù)倪B桿長度ab,這里先給定a點，即：a1、a2、a3

而相應(yīng)的對重位置為：g1、g2、g3ⅵ、修定對重中間幅度位置，退回g1時，a2繞O1點轉(zhuǎn)至a2’；又g3轉(zhuǎn)至g1，a3轉(zhuǎn)至a3’。ⅶ、找出過a1、a2’、a3’三點的圓心既是b點。檢驗：不平衡力矩

第四節(jié)變幅驅(qū)動機構(gòu)一、結(jié)構(gòu)形式1、繩索滑輪組優(yōu)點：ⅰ.結(jié)構(gòu)簡單ⅱ.重量輕ⅲ.布置方便ⅳ.零部件與起重機相同，通用性好缺點：ⅰ.無臂架自重平衡和吊重走水平，驅(qū)動功率大，常用于非工作變幅ⅱ.不安全，有后傾的可能性ⅲ.鋼絲繩磨損2.曲柄連桿優(yōu)點：ⅰ工作可靠,不需要變幅極限位置限制器。缺點：ⅰ.v幅——不均勻ⅱ.傳動比大ⅲ傳動裝置笨重，已逐步淘汰3．齒條、齒輪優(yōu)點：ⅰ.結(jié)構(gòu)緊湊ⅱ.傳動比小，自重輕ⅲ.制造簡單ⅳ.效率高缺點：ⅰ.齒側(cè)間隙大ⅱ.不安全，需終點開關(guān)?？捎脭[線針齒。4．扇形齒輪——裝于平衡梁處特點：傳動比和曲柄連桿一樣，比較大，扇形齒輪制造困難，齒輪磨損，較少用。5．螺桿變幅：優(yōu)點：i大，緊湊，無沖擊，運動平穩(wěn)。缺點：螺母磨損大，效率低，現(xiàn)已用滾珠螺桿代替。6．液壓油缸優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊，自重輕，布置方便，運動平穩(wěn)，無極變速缺點：制造精度高，密封防塵防漏要求高?？傊N類很多，門座起重機大約有20多種。四、變幅機構(gòu)的載荷在選定臂架系統(tǒng)和驅(qū)動機構(gòu)方案后，就可進行機構(gòu)計算。1、物品在變幅過程中，非水平位移所引起的變幅阻力PωQ；①力矩平衡：②功能原理：2、臂架系統(tǒng)自重不平衡阻力Pω臂①②3、物貨偏擺阻力P’（風(fēng)、離、慣）力矩平衡：功能原理：電機發(fā)熱:疲勞：強度：4、作用在臂架系統(tǒng)上的風(fēng)阻力PWfPfx——象鼻梁的風(fēng)力，近似作用于鉸點。剛桿的風(fēng)力以Pfl’作用在象鼻梁上，因大拉桿為二力桿。5、起重機旋轉(zhuǎn)時臂架系統(tǒng)的離心力Pwl。（只考慮臂架，象鼻梁，其余略去不計）離心力：由：

mb——臂架的質(zhì)量;mx——象鼻梁的質(zhì)量;上述：證明：臂架離心力的作用位置：平均比壓力：；修訂的力：離心力對于下鉸點的力矩：

當(dāng)f＝0時，當(dāng)R≤25m，n<lr/min時，Pwl可略去。6．由于坡度（軌道不平）引起的變幅阻力Pp考慮：PG臂、PG象、PG對各乘以sinβ,其余略去，β—軌道的坡角。一般情況下β很小，可略去。7．變幅過程中，臂架徑向慣性力Pwi在變幅速度V幅不大時，可略去，當(dāng)V幅很大時，只考慮mx、mb、m對。（mQ已在mα中考慮）

φ—臂架質(zhì)量折成系數(shù)；

φ=0.658．臂架系統(tǒng)各關(guān)節(jié)摩擦阻力Pwm1)鉸接：

ω臂—臂架的角速度；

μ—鉸軸中摩擦系數(shù)；d—鉸軸直徑；

ω相對—鉸接兩構(gòu)件的相對角速度；P—鉸軸力；2)補償滑輪組摩擦阻力Pwm2根據(jù)變幅時的摩擦功：Δh—補償滑輪組放出的繩的長度

式中：ηZ—滑輪組的效率近似計算：對滾動軸承ηZ=0.96，對滑動軸承ηZ=0.9,實際計算時，不用這種方法：對于鉸軸采用滾動軸承的起重機,由于值小Pwm=0對于采用滑動軸承：Pwm約為總阻力的5~10%五、載荷組合（一）Ⅰ類載荷1．電機發(fā)熱：

或：2．接觸疲勞強度（二）II類載荷（三）III類載荷組合六、變幅機構(gòu)設(shè)計1．選