定柱式懸臂起重機結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

定柱式懸臂起重機結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析,定柱式,懸臂,起重機,結(jié)構(gòu)設(shè)計,分析 ****學(xué)院****畢業(yè)設(shè)計說明書 1 緒論 1.1 課題的背景 懸臂起重機是近年發(fā)展起來的中小型起重裝備，結(jié)構(gòu)獨特，安全可靠，具備高效、節(jié)能、省時省力、靈活等特點，三維空間內(nèi)隨意操作，在短距、密集性調(diào)運的場合，比其它常規(guī)性吊運設(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)的不同場所。懸臂起重機工作強度為輕型，起重機由立柱，回轉(zhuǎn)臂回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置及電動葫蘆組成，立柱下端通過地腳螺栓固定在混凝土基礎(chǔ)上，由擺線針輪減速裝置來驅(qū)動旋臂回轉(zhuǎn)，電動葫蘆在旋臂工字鋼上作左右直線運行，并起吊重物。起重機旋臂為空心型鋼結(jié)構(gòu)，自重輕，跨度大，起重量大，經(jīng)濟耐用。定柱式懸臂起重機又稱立柱式懸臂起重機，起重量在125Kg-5000Kg，定柱式旋臂吊具有結(jié)構(gòu)新穎、合理、簡單、操作方便、回轉(zhuǎn)靈活、作業(yè)空間大等優(yōu)點，是節(jié)能高效的物料吊運設(shè)備，可廣泛適用于廠礦、車間的生產(chǎn)線、裝配線和機床的上、下工作及倉庫、碼頭等場合的重物吊運。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，隨著電子計算機的廣泛應(yīng)用，許多起重機制造商從應(yīng)用計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)（CAD），提高到應(yīng)用計算機進行起重機的模塊化設(shè)計。根據(jù)市場調(diào)查預(yù)測的統(tǒng)計數(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，擬定起重機結(jié)構(gòu)、機構(gòu)、部件等多層次的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化單元。起重機采用模塊單元化設(shè)計，不僅是一種設(shè)計方法的改革，而且將影響整個起重機行業(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。對起重機的改進，只需針對幾個需要修改的模塊；設(shè)計新的起重機只需選用不同的模塊重新進行組合；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，滿足市場的需求，增加競爭能力。隨著我國國民經(jīng)濟建設(shè)進一步深入，商品流通量大幅度增加，交通運輸業(yè)快速發(fā)展，起重運輸機械的需求量越來越大，其實用性能的要求也越來越高。懸臂起重機設(shè)備，非常適用五噸以下的工件定點頻繁起吊運輸。在機械加工領(lǐng)域，懸臂起重機具有強大的購買市場和廣闊的發(fā)展前景。 1.2國內(nèi)外定柱式懸臂起重機的現(xiàn)狀與發(fā)展前景 1.2.1 國內(nèi)起重機現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 中國的起重機產(chǎn)業(yè)誕生于上世紀(jì)70年代，經(jīng)過40余年的發(fā)展，經(jīng)歷了70年代引進蘇聯(lián)技術(shù)，80年代初引進日本技術(shù)和90年代初引進德國技術(shù)等三次主要技術(shù)改進，始終走著一條自主創(chuàng)新的道路。2000年以來，隨著國內(nèi)外技術(shù)交流的日益頻繁和國產(chǎn)自主研發(fā)能力的顯著增強，更多的國外先進技術(shù)被成功引進應(yīng)用，并進行了自主創(chuàng)新，獲得自主知識產(chǎn)權(quán)。隨著國產(chǎn)起重機產(chǎn)業(yè)制造水平的全面提升，與國外先進技術(shù)的差距不斷縮小，中國起重機產(chǎn)品開始在國際市場上體現(xiàn)出明顯的競爭力。懸臂起重機設(shè)備屬于通用機械，在二十多年高速發(fā)展過程中，已經(jīng)逐漸實現(xiàn)了規(guī)?；?、集團化、機械化。在輔助加工生產(chǎn)中和自動化的作用，大大提高了勞動生產(chǎn)效率，減輕工人勞動強度。具有工作平穩(wěn)可靠，操作維護簡單、方便等優(yōu)點。根據(jù)當(dāng)前我國情況來看，機械工業(yè)處于上升勢頭，汽車工業(yè)、機動車行業(yè)都處于強省發(fā)展期。專家預(yù)測，隨著國民經(jīng)濟的的增長，機械行業(yè)有很長一段時間處于旺盛發(fā)展階段，整體機械行業(yè)以及未來發(fā)展過程中，懸臂起重機的使用處于不可替代、不可缺少的地位，在整體工業(yè)化過程中發(fā)揮著重要的輔助生產(chǎn)的作用。因此，我們在設(shè)計中應(yīng)大膽采用先進的設(shè)計理念，充分利用計算機輔助工藝規(guī)劃、計算機輔助制造、柔性自動化系統(tǒng)等新技術(shù)、新工藝，縮短設(shè)計和生產(chǎn)周期、降低成本，調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、企業(yè)結(jié)構(gòu)，增強企業(yè)參與市場競爭的能力，使中國起重機制造行業(yè)趕上世界先進水平。 1.2.1 國外起重機現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 近二十年來，世界工程起重機行業(yè)發(fā)生了很大變化，世界工程起重機市場進一步趨向一體化。目前世界工程起重機年銷售額已達75億美元左右，主要生產(chǎn)國為美國、日本、德國、法國、意大利等，世界頂級公司有十多家，主要集中在北美、亞洲（日本）和歐洲。美國既是工程起重機的主要生產(chǎn)國，又是最大的世界市場之一。但由于日本、德國起重機工業(yè)的迅速發(fā)展，美國廠商在世界市場獲取的主導(dǎo)地位逐步受到削弱，從而形成了美國、日本和德國三足鼎立之勢。 1.3 本設(shè)計的主要內(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的結(jié)構(gòu)設(shè)計為主要內(nèi)容的機械產(chǎn)品設(shè)計，課題涉及機械結(jié)構(gòu)與傳動、機械加工與裝配等。其中，分析了該起重機所要求實現(xiàn)的功能和相應(yīng)結(jié)構(gòu)，了解起重機的工作原理，基本結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)組成及功能，掌握PROE的使用技術(shù)并完成橋式起重機的三維建模，繪制關(guān)鍵零部件的二維工程圖，并學(xué)會運用軟件做有限元分析。參考其他文獻可知，定柱式旋臂起重機主要由上立柱、下立柱、主梁、主梁拉桿、起升機構(gòu)（電動葫蘆）、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、電氣系統(tǒng)、爬梯及檢修平臺組成，其結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，操作方便可靠。本研究主要是對該起重機的懸臂梁設(shè)計及旋轉(zhuǎn)功能部分的機構(gòu)設(shè)計及參數(shù)的選擇。包括起升，回轉(zhuǎn)，變幅及金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計。最終使其能很好地實現(xiàn)起重機的運行，而且互不干涉且配合良好。并且通過此次設(shè)計，要提高自己的分析問題和解決問題的能力，將自己所學(xué)運用到實際的工作中，提高自己的實踐能力。此次設(shè)計主要取長補短，利用現(xiàn)有各種關(guān)于起重機械技術(shù)的優(yōu)點，結(jié)合實際對定柱式旋臂起重機做出更合理的設(shè)計。 1.3.2目標(biāo) 本次設(shè)計為2T定柱式懸臂起重機，完成了定柱式懸臂起重機懸臂和立柱等構(gòu)件的設(shè)計驗算。功能實現(xiàn)合理，結(jié)構(gòu)簡單適用，工作可靠。 1.3.3方法 懸臂起重機由立柱，回轉(zhuǎn)臂回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置及電動葫蘆組成，立柱下端通過地腳螺栓固定在混凝土基礎(chǔ)上，由擺線針輪減速裝置來驅(qū)動懸臂回轉(zhuǎn)，電動葫蘆在懸臂工字鋼上作左右直線運行，并起吊重物。如圖1-1： 圖1-1 定柱式懸臂起重機簡圖 本設(shè)計采用規(guī)范的設(shè)計計算對定柱式懸臂起重機各結(jié)構(gòu)進行了分析。首先，通過查閱相關(guān)書籍和資料，學(xué)習(xí)定柱式懸臂起重機的相關(guān)知識，了解定柱式懸臂起重機的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀，掌握定柱式懸臂起重機金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，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算分析步驟；其次，根據(jù)現(xiàn)今國內(nèi)外生產(chǎn)定柱式懸臂起重機采用的各種結(jié)構(gòu)類型，結(jié)合課本知識和參考文獻信息，設(shè)計符合使用要求的結(jié)構(gòu)；然后，根據(jù)參考文獻，分析定柱式懸臂起重機的受力情況，并對定柱式懸臂起重機的緩沖器，橫梁結(jié)構(gòu)，立柱，地腳螺栓進行校核，檢驗結(jié)構(gòu)的靜剛度、強度和穩(wěn)定性。本文還對結(jié)構(gòu)進行了PROE三維和二維繪圖，便于生產(chǎn)制造。以及運用有限元分析軟件進行了有限元的分析。 1.4定柱式旋臂起重機設(shè)計制造中應(yīng)注意的問題 1.4.1 撓度設(shè)計 JB／T8906--1999《懸臂起重機》5．2．4條允許下?lián)隙纫螅捍怪毕聯(lián)隙葢?yīng)達到這樣的程度以保證：(1)臂架上運行的小車在正常作業(yè)時不會失控；(2)臂架不能自行回轉(zhuǎn)；起重機設(shè)計應(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：(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 采用單層纏繞的電動葫蘆應(yīng)設(shè)置導(dǎo)繩器；當(dāng)采用導(dǎo)繩器時，應(yīng)能保證當(dāng)?shù)蹉^下降，鋼絲繩沒有其他外力作用時，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，鋼絲繩對卷筒軸線垂直面的偏角為30°，能正常工作。 2 懸臂起重機基本參數(shù)確定 本次設(shè)計的目標(biāo)是設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單，占地空間少，作業(yè)范圍大，操作方便，轉(zhuǎn)動靈活，適用于車間，倉庫及車間等固定場所的懸臂起重機。通過一定的市場調(diào)查后，初步總結(jié)為： （1） 市場需求的絕大多數(shù)懸臂梁起重機為輕中級工作制，起重量在5噸和5噸以下的中小型號。 （2）為能在環(huán)境復(fù)雜的倉庫、車間等各種工況下正常工作必須具備占地空間小，轉(zhuǎn)動靈活和工作范圍大的特點。 （3）由于日常作業(yè)量普遍較大，所以要求起重機必須結(jié)構(gòu)簡單，便于拆裝維護。 2.1起重機結(jié)構(gòu)方案的擬定 對于立柱式懸臂起重機來講，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： 回轉(zhuǎn)角度≤270° (見圖2-1)； B.具有下支座的立柱式旋臂起重機： 回轉(zhuǎn)角度≤360° (見圖 2-2)； C.具有上下支座的立柱式旋臂起重機： 回轉(zhuǎn)角度≤360°(見圖 2-3)。 這三種構(gòu)造分類中，方案A的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度最為簡單，它的懸臂驅(qū)動裝置的驅(qū)動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)動裝置獨立于立柱之外，另外設(shè)立懸臂回轉(zhuǎn)軸，簡化了立柱的結(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)會受到立柱的阻礙，所以沒有辦法使懸臂的回轉(zhuǎn)角度達到360°。經(jīng)過估算這種結(jié)構(gòu)所能達到的最大回轉(zhuǎn)角度只可以達到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。經(jīng)過分析折中，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 圖2-2 下支座的立柱式懸臂起重機 圖2-3 上下支座立柱式懸臂起重機 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。 外懸掛方式的運行軌道為工字軌，如圖2-4所示，加工軌面簡單，維護容易，加工以及維護成本較低。相對于外懸掛式，內(nèi)懸掛式的軌面在懸臂內(nèi)，這樣的設(shè)計加工難度較大，不易維護，加工成本高。但是由于軌面在內(nèi)側(cè)，不易受環(huán)境影響，滑動平穩(wěn)，精度較高。由于本次設(shè)計的懸臂起重機主要用在倉庫及車間等場所，對精密吊裝要求較低，故選擇A方案。 2.2起重機主要目標(biāo)設(shè)計參數(shù)的確定 在機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T8906-1999《懸臂起重機》中所推薦的起重機基本參數(shù)中起重機起重量為0.125-10t,有效半徑2-10m,通過調(diào)查和查閱資料，用戶所需的定柱式旋臂起重機的基本參數(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 起重機正常工作時允許一次起升的最大重量稱為額定起重量。起重機中的懸臂起重機對應(yīng)不同的臂架長度有不同的額定起重量，額定起重量不止一個時通常稱額定起重量為最大起重量，或簡稱起重量,用“Q”表示，單位噸（t）。根據(jù)最大起重量國際標(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。旋臂起重機的起升高度為定值，設(shè)計值定為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：Φ=360°。 起重機按照GB/T 3811的規(guī)定確定起重機的工作級別： 表1 起重機工作級別 根據(jù)市場調(diào)查，此型起重機在工作中，有時起升額定載荷，一般起升中等載荷。選定其載荷狀態(tài)為Q2-中，Kp=0.25 ，起重機利用等級定位為經(jīng)常中等的使用，即U5，總的工作循環(huán)次數(shù)2.5×105，由此確定工作級別為A4。 2.2.2 電動葫蘆的選擇 環(huán)鏈電動葫蘆是一種新型小型起重設(shè)備；是起吊、運送、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、倉庫、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所使用更是靈活迅捷，安全方便。 PK型環(huán)鏈電動葫蘆是一種新型產(chǎn)品，具有提升速度快、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、機體緊湊、體積小、重量輕、操作方便、外形美觀等特點?？蓮V泛應(yīng)用于工廠、礦山、碼頭、商店、倉庫等方面用作起吊重物；亦可同架空行車配套組成空間運輸系統(tǒng)具有當(dāng)代世界先進水平。在國際市場上享有盛譽。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)鏈電動葫蘆。最終選擇定為PK10N-2F型。 圖2-6 PK型電動葫蘆 表2 PK型環(huán)鏈電動葫蘆技術(shù)參數(shù) 所選電動葫蘆參數(shù)： PK10N-2F: 1) 起重量：2000Kg 2) 起重鏈條行數(shù)：2行 3) 起升高度：3m 4) 起升速度：（1）快速：4m/min (2) 慢速：1m/min 5) 起升電機功率：（1）快速：1.5 (2) 慢速：0.35Kw 6) 電源：3~380V 50Hz 與電動葫蘆匹配的電動運行小車參數(shù)： 1）型號：EU10PK 2）運行速度：14m/min 3）電機功率：0.2Kw 4）負(fù)載持續(xù)率：40% 5）工字鋼型號：GB706 18~56c 6）最小轉(zhuǎn)彎半徑：1.4m 該型電動葫蘆尺寸：a=318mm h=810mm e=280mm h1=700mm 第 54 頁 共51頁 3 關(guān)鍵零部件設(shè)計 3.1懸臂工字鋼尺寸確定 由電動葫蘆相關(guān)參數(shù)可知，工字鋼選擇區(qū)間為GB706 18~56c 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 h b d t r r1 截面面積/cm2 理論重量Kg/m 數(shù)值 320 130 9.5 15.0 11.5 5.8 67.156 52.717 3.2緩沖器的選擇 3.2.1緩沖器型號的選擇 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 起重機用ZLA型緩沖器 表4 起重機用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t=3s,則有公式： Ft=mv 則F=2000Kg×(14/60)m/s/3s=0.1556KN 由計算數(shù)據(jù)可知選擇的緩沖器型號為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 D H t m h 緩沖容量 緩沖行程 緩沖力 重量 數(shù)值 65mm 80mm 10mm 16mm 35mm 0.243KN/m 48mm 56.11KN 1.03Kg 3.2.3緩沖器強度校核 按14m/min的平均值作為緩沖過程的速度，則緩沖時間為： t=0.411s 由Ft=mv可得F=0.568KN<<56.11KN 由校核數(shù)據(jù)可知該型緩沖器滿足要求。 3.3橫梁結(jié)構(gòu)尺寸的確定及校核 3.3.1橫梁簡化模型 圖3-2 橫梁結(jié)構(gòu)載荷模型 圖中符號的含義:G為小車質(zhì)量;Q為起重量;H為立柱高度;q為橫梁自重載荷集度;R1為最小幅度;R2為最大幅度;L為橫梁總長;L1為橫梁懸臂長度;L2為支架重心至橫梁懸臂根部距離L4=R1-(L2+L3)為支架邊緣至立柱中心距離;NA為A點水平反力;ND為D點水平反力;R為A點垂直反力;g為重力加速度。 由選取的橫梁鋼材型號可知：q=52.717Kg/m 3.3.2橫梁結(jié)構(gòu)尺寸的確定 由所選則的電動葫蘆小車的尺寸，即： 1）型號：EU10PK 2）運行速度：14m/min 3）電機功率：0.2Kw 4）負(fù)載持續(xù)率：40% 5）工字鋼型號：GB706 18~56c 6）最小轉(zhuǎn)彎半徑：1.4m 該型電動葫蘆尺寸：a=318mm h=810mm e=280mm h1=700mm 可知圖4-2 橫梁結(jié)構(gòu)載荷模型中的L1 L1=有效回轉(zhuǎn)半徑R+2×緩沖器長度H+2×小車長度一般+緩沖器螺栓長度h+橫梁自由端余量L 即L1=3000mm+2×80mm+2×318/2mm+35mm+87mm=3600mm L2=400mm L3=300mm L4=300mm H1=985mm L= L1+L2+L3+L4=3600mm+400mm+200mm+300mm=4500mm 經(jīng)查閱計算可得：W=80Kg 則橫梁所有參數(shù)如下： Q=2000kg H=3840mm q=52.717kg/m R1=1000mm R2=3600mm L1=3600mm L2=400mm L3=300mm L4=300mm W=80Kg H1=985mm 3.3.3橫梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析及強度校核 (1)內(nèi)力分析 根據(jù)靜力平衡原理，由ΣA=0，得 =99337.6N·m 由∑X=0，得=，∑Y=0，得 R = (G+Q + qL+ W)g，R = 23972.3N 由結(jié)構(gòu)節(jié)點B彎矩平衡∑=0，得 = 21361.5N·m =78296.1N·m = + = =99657.6 N·m （2）強度校核 節(jié)點B的彎矩圖如圖4-3： 圖4-3 節(jié)點B彎矩圖 比較橫梁B點最大彎矩:取={，}，則 滿足強度要求 :旋臂B 點所在截面的正應(yīng)力。 :鋼材的許用應(yīng)力,鋼材選擇Q235-A,則 :旋臂梁的截面抗彎模量。 3.4立柱尺寸及強度校核 3.4.1立柱相關(guān)尺寸確定 立柱的作用是將起重機旋轉(zhuǎn)部分支撐在固定部分上，其上部分由承受徑向力的單列圓錐滾子軸承組成。立柱內(nèi)力如圖3-4。 圖3-4 立柱內(nèi)力圖 立柱內(nèi)外徑的確定：外徑D=400mm 立柱內(nèi)徑的確定：選擇立柱材料為HT-200 受力如圖3-5 Fa Fb Fc 圖3-5 立柱受力圖 Fc=Mg=2407.77×10N=24077N ΣFy=0 Fc-Fn=0 ΣMo=0 Fa-M=0 則Fn=Fc M=FcL=2080kg+52.717Kg/cm2×4.7cm2+80Kg=2407.77Kg 立柱所受彎矩：Mmax=MB=FC(L1+L2) 立柱截面積： Fc/A≤[σ]即：24077.7/3.14（0.04-r2）≤[σ] 得r≤190mm,取r=190mm 則d=380mm 圖3-6 立柱 如圖3-6立柱相關(guān)尺寸如下 H=3840mm H1=985mm D=400mm d=380mm 3.4.2立柱強度校核 立柱強度校核公式： 立柱材料為HT200，=200Mpa 立柱既承受壓應(yīng)力又承受拉應(yīng)力，應(yīng)分開進行校核： （1） 壓應(yīng)力 其中：； (2) 拉應(yīng)力 =64.47Mpa≤[σ]=200Mpa 由于塑性材料的壓應(yīng)力遠遠大于其拉應(yīng)力，所以強度滿足要求。 3.7定柱式旋臂起重機撓度計算 與計算相關(guān)的尺如下：E=210Gpa I=11100cm4 L=4500mm Q=20000N h=2820mm H=3840mm 由于定柱式懸臂起重機由懸臂和立柱組成，懸臂端極限位置的撓度應(yīng)計及這兩部分的組合影響。 (1)旋臂的撓度由均布載荷和集中載荷共同作用產(chǎn)生，如圖3-7： 圖3-7 旋臂梁產(chǎn)生的撓度 懸臂總撓度： (2)立柱撓度由頂端彎矩產(chǎn)生,如圖3-8； 圖3-8 總體產(chǎn)生的撓度 其中: 將上述位移疊加，懸臂端總的撓度 =4.32mm+0.405mm =4.725mm 懸臂的許用撓度： 撓度滿足要求 3.8立柱外形尺寸設(shè)計 立柱的最小截面通過以上的計算校核，已經(jīng)確定半徑為200mm。 立柱在制造中采用的材料為HT200，材料相對其他工具鋼價格低廉，可以很好的節(jié)約成本。 立柱的結(jié)構(gòu)，整體方案選用兩個軸承如圖3-9： 圖3-9 軸承室三維刨面圖 第一個采用套筒的形式固定一推力球軸承，用來承受橫梁的重力及軸向力，軸承型號為51212（GB/T301-1995）。 第二個軸承采用調(diào)心滾子軸承，用軸肩來固定，以用來承受橫梁支腿的軸向力和徑向力，軸承代號22312C/W33（GB 288-1987）。 立柱底端為增加強度設(shè)計有加強筋，并取厚度為37mm底端通過地腳螺栓固定在工作點。 3.9法蘭盤尺寸的計算 在鑄造立柱的同時可以將法蘭盤同時鑄出，初步可取厚度為30mm。 設(shè)其內(nèi)徑d=400mm D=700mm 并可根據(jù)以下步驟校核。 法蘭盤面積: =0.295m2 法蘭盤抗彎模量：=3.422×10-4m3 軸向力產(chǎn)生的應(yīng)力： 力偶產(chǎn)生的應(yīng)力： 則總應(yīng)力為： 設(shè)a為兩加筋板之夾角φ所對應(yīng)的弦長,[σ]為法蘭盤材料的許用應(yīng)力,則法蘭盤的厚度計算如下； 根據(jù)規(guī)范規(guī)定:,作為上下限引入約束集。 設(shè)有8個肋板,肋板邊緣半徑r=330mm,兩肋板之間的夾角為：φ=45° 則兩加筋板之夾角φ所對應(yīng)的弦長為：a=0.00123 代入上式，可得TFL≤0.35mm,按規(guī)定可選法蘭盤的厚度為37mm。 其而為圖形如圖3-10； 圖3-10 法蘭盤二維圖 其中，虛線圖形代表外筋板位置及尺寸。 3.10地腳螺栓強度校核 立柱底部焊接法蘭盤， 法蘭盤上加工有螺栓孔， 依靠地腳螺栓與地基固定， 螺栓孔均布于法蘭盤的安裝圓周上， 并且要保證8個螺栓布置在相互垂直的坐標(biāo)軸上，如圖3-10。 如圖3-10，地腳螺栓的中心線直徑為：D地=550mm 地腳螺栓數(shù)量為：n=8 由圖可知其位置為與加強筋成間隔均勻分布。 地螺栓孔直徑：D3=30mm 圓周排列時羅刷承受最大的載荷P: 式中：：螺栓的預(yù)緊系數(shù) ：剛度系數(shù) 查資料得：+=2.5 ：所有螺栓距軸心的距離平方和 =8×0.2752 mm P=20725.67 N (8.8級螺栓) 強度滿足 3.11 定柱式旋臂起重機確定參數(shù) 經(jīng)設(shè)計校核該定柱式旋臂起重機的參數(shù)見下表： 表6 起重機參數(shù) 懸臂工字鋼的型號 懸臂長度 立柱直徑 立柱高度 地腳螺栓直徑 螺栓個數(shù) 34a 4500mm 400mm 3840mm 28mm 8 4 懸臂起重機三維實體建模及二維圖 CAD技術(shù)以二維繪圖開始，經(jīng)歷了三維框架、曲面和實體造型階段，現(xiàn)在已進入特征造型階段。特征的引入，一方面提高了新一代CAD系統(tǒng)的集成度，另一方面為解決三維基于約束的參數(shù)化設(shè)計提供了契機，在一定程度上滿足了設(shè)計與修改的方便性。特征造型是幾何造型的自然延伸，它從工程的角度，對形體的各個組成部分及其特征進行定義，使所描述的形體信息更具工程意義。特征的引入直接體現(xiàn)設(shè)計意圖，使得建立產(chǎn)品模型容易為別人理解和組織生產(chǎn)，設(shè)計的圖樣也更容易修改。 4.1 起重機的三維實體建模 4.1.1 橫梁的建模 橫梁型號為32a的工字鋼，與支承板焊接在一起，支承板加強了橫梁的承載能力，同時橫梁與一端封閉的圓柱套筒焊接在一起，套筒與立柱通過軸承連接在一起。圖中數(shù)值表示有效半徑。模型見圖4-1。 圖4-1 起重機的橫梁模型 4.1.2 立柱的建模 柱為無縫鋼管，頂部為鋼板焊接，上部安裝軸承，與橫梁裝配在一起，中部焊接滾道座，滾道為下軸承的支撐體，同時對橫梁上支承體上的下環(huán)體起到支承的作用，底部連接法蘭盤，法蘭盤上焊接8個肋板，對立柱起支承作用，并有8個螺栓孔，通過螺栓與地面緊固連接。整體材料選用HT200。模型見圖4-2。 圖4-2 立柱造型 4.1.3立柱與軸承室連接 立柱與軸承室連接如圖4-3。 圖4-3 立柱與軸承室連接圖 4.1.4軸承室主要零部件的建模 本設(shè)計的鏈接部分用了兩個軸承，調(diào)心滾子軸承，主要承受徑向力和部分軸向里，推力軸承主要承受軸向力。滾動軸承的優(yōu)點：運轉(zhuǎn)輕便靈活，回轉(zhuǎn)阻力?。唤Y(jié)構(gòu)緊湊，外形尺寸（主要是高度）小；維護方便，使用壽命長；由齒圈、密封和螺釘?shù)冉M成，安裝方便，又便于專業(yè)化集中生產(chǎn)；無中心樞軸，中部空間可安裝其他部件。模型見圖5-4，圖5-5，圖5-6，圖5-7，圖5-8，圖5-9，圖5-10。 圖4-4 軸承室套筒圖 4-5 軸承室 圖4-6 調(diào)心滾子軸承軸承 、 圖4-7 推力軸承 圖4-8 軸套 圖4-9 軸承端蓋 圖4-10 軸 4.1.5 斜臂支撐部分建模 此部分通過六個螺栓固定在斜臂上的相應(yīng)地方，滾輪支座為一個組焊件，在相應(yīng)的地方裝配上兩個滾輪。滾輪由滾輪殼，兩個角接觸軸承和滾輪擋蓋組成，兩個軸承主要承受徑向力和部分軸向力。滾輪可在安裝在立柱上的滾道上滾動。具體模型如圖4-11，圖4-12，圖4-13。 圖4-11 滾道模型 圖4-12 滾輪安裝架圖 圖 4-13 旋臂支架總體裝配圖 4.1.6 球面墊圈、錐面墊圈 球面墊圈和錐面墊圈配合使用，其作用是具有自動調(diào)位的作用，使軸承內(nèi)支撐面與軸垂直，從而消除了軸所承受的彎曲，其材料都為45鋼，熱處理硬度HRC40~48。具體模型如圖4-14、圖4-15。 圖4-14 球面墊圈 圖4-15 錐面墊圈 4.1.7 整體裝配 各零件能夠很好的裝配在一起，無干涉現(xiàn)象，基本能達到設(shè)計要求，符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),同時，整體結(jié)構(gòu)緊湊，強度滿足要求，節(jié)約成本，滿足設(shè)計理念?？傮w裝配效果如圖4-16。 圖4-16 起重機的總體裝配模型 此外，在進行草圖構(gòu)造時，應(yīng)盡量建立起同類結(jié)構(gòu)線的幾何關(guān)系，既減少了建模時進行尺寸設(shè)定的次數(shù)，又可以方便地進行尺寸修改。 4.2 懸臂起重機二維圖 在Pro/E中可以插入懸臂起重機模型的單個或多個視圖，然后為工程視圖選擇標(biāo)準(zhǔn)視圖方向或注解視圖。接下來就可以根據(jù)視圖的結(jié)構(gòu)特點來選擇不同的視圖類型（局部視圖、剖面視圖、旋轉(zhuǎn)剖面視圖、斷裂視圖等）來完整的表達。但是由于頭影關(guān)系，部分線之間重合，線寬沒有區(qū)分，需要進行二維圖得更改，本次更改運用了Auto/CAD進行修改，其操作簡潔方便，便于二維圖的精確繪制。 4.2.1起重機總體結(jié)構(gòu)圖 該定柱式懸臂起重機總體結(jié)構(gòu)如圖4-17。 圖4-17 懸臂起重機結(jié)構(gòu)圖 4.2.2橫梁 起重機橫梁二維簡圖及相關(guān)尺寸，橫梁材料為工字鋼32a，長度L=4500mm，如圖4-18。 圖4-18 橫梁 4.2.3軸承室 軸承室內(nèi)安裝調(diào)心滾子軸承和推力球軸承，調(diào)心滾子軸承與軸肩間用軸肩擋圈，兩軸承之間用軸套間隔，具體細節(jié)如圖4-19所示。 圖4-19 軸承室二維剖面圖 4.2.4立柱 立柱的材料為HT200，高度為H=3840mm， 立柱為空心：外徑D=400mm，內(nèi)徑d=380mm，壁厚h=10mm。 經(jīng)強度校核可知，立足所選材料和相關(guān)尺寸滿足強度要求，同時節(jié)約了成本立柱具體細節(jié)詳見圖4-20。 圖4-20 立柱 4.2.5法蘭盤 由于承受著起重機以及起升重物的全部重量，所以選擇材料為Q235-A，其尺寸為：厚度H法=40mm，外徑D法=700mm，內(nèi)徑d=400mm，法蘭盤內(nèi)部與立柱外部焊接，立柱下端面距法蘭盤下端面距離為18mm。通過強度校核可知該尺寸法蘭盤滿足要求，且有效節(jié)約成本，具體細節(jié)見圖4-21。 圖4-21 法蘭盤二維圖 4.2.6立柱外筋板 外筋板有效加強了立柱和法蘭盤的強度，也增加了連接面積，本起重機用了8塊外筋板，均勻分布于法蘭盤周圍，其材料為HT200，滿足強度要求，具體尺寸及形狀如圖4-22。 圖4-22 立柱外筋板 4.2.7滾道 滾道用來提供懸臂的支撐，與懸臂的支撐架通過滾輪相接觸。內(nèi)徑為400mm，與立柱外壁焊接起來，材料為HT200，經(jīng)校核滿足強度要求，其具體形狀及尺寸詳見圖4-23。 圖4-23 滾道 4.2.8滾輪及其支架 滾輪安裝在支架上，與滾道接觸，起支撐和定位作用，具體尺寸及細節(jié)參照圖4-24。 圖4-24 滾輪及其支架 4.2.9懸臂支架 懸臂支架與懸臂下表面進行焊接，起支撐作用，材料為HT200，重量為80Kg，滿足強度要求，具體尺寸及細節(jié)參見圖4-25。 圖4-25 懸臂支架二維圖 4.2.10立軸 立軸將軸承室和立柱連接在一起，起支撐軸承室，并保證懸臂能環(huán)繞立柱旋轉(zhuǎn)，其材料為Q235-A，滿足強度要求，價格低廉，節(jié)約成本。具體細節(jié)如圖4-26。 圖4-26 立軸二維圖 5 關(guān)鍵零部件有限元分析 5．1 工程有限元分析的基本步驟 工程有限元分析的目的一般包括以下兩類： （1）進行結(jié)構(gòu)的最優(yōu)方案設(shè)計； 在進行機械和汽車的結(jié)構(gòu)設(shè)計時， 可以通過對可能的結(jié)構(gòu)方案進行有限元法計算。根據(jù)對方案計算結(jié)果的分析和比較，按強度、剛度和穩(wěn)定性的要求，對原方案進行修改和補充，使結(jié)構(gòu)得到較合理的應(yīng)力、變形分布，從而得到較好的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。 （2）分析結(jié)構(gòu)損壞原因，尋找改進途徑； 當(dāng)結(jié)構(gòu)在工作中發(fā)生故障如，裂紋、斷裂或磨損過大時，可利用有限元法進 行分析。研究結(jié)構(gòu)損壞的原因，找出危險區(qū)域和部位，提出改進設(shè)計的方案，并 進行相應(yīng)的計算分析， 直至找到合理的結(jié)構(gòu)為止。工程有限元分析的基本步驟為： 1）對工程問題的力學(xué)分析 將工程問題抽象為力學(xué)模型的過程，包括了解結(jié)構(gòu)形狀、載荷和支承方面的 特點并對某些結(jié)構(gòu)形狀、構(gòu)件的連接和邊界條件等方面的簡化。這一步工作的好 壞將對整個計算起非常重要的作用。分析結(jié)果的成敗取決于分析者的力學(xué)知識、 專業(yè)知識和有限元基礎(chǔ)知識，并隨分析者經(jīng)驗的積累而越來越準(zhǔn)確。 2）網(wǎng)格劃分(Pre－Processing) 根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，確定單元類型，利用通用有限元分析軟件中的前處理模塊對結(jié)構(gòu)劃分。網(wǎng)格劃分的質(zhì)量決定了有限元分析的計算精度和計算效率。 3）施加邊界條件 根據(jù)結(jié)構(gòu)的實際工況，選定載荷和約束在網(wǎng)格模型上的的施加方法。邊界條件的模擬方法是影響有限元分析成敗的重要原因。 4）自動求解 由程序根據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用的單元和施加的邊界條件自動進行單元分析與整體分析。通過求解模型得到的代數(shù)方程組，得到位移、應(yīng)變、應(yīng)力等物理量， 5）可視化的結(jié)果分析（Post-Processing） 利用通用有限元分析軟件中的后處理模塊繪出分析結(jié)果。 如繪出結(jié)構(gòu)的變形圖及各種應(yīng)力分量、應(yīng)力組合的等色線圖等。 5．2 主梁建立實體模型分析 將前期建立的POR-E軟件的三維模型導(dǎo)入Solidworks。懸臂梁的工字鋼與其它特征采用焊接連接。實體模型如下圖所示。 圖6—1 主梁實體模型 如圖6—1所示，此模型為懸臂梁主體結(jié)構(gòu)的三維實體模型。主要特征有與立柱軸承相配合的軸套結(jié)構(gòu)，工字型鋼梁，以及小車的限位擋鐵和肋板加強結(jié)構(gòu)。各部分材料均為Q235鋼，連接采用焊接的方法，可以近似將其當(dāng)作一個整體材料來分析。 首先在Simulation中建立一個靜態(tài)研究，接著選擇材料，如圖6—2所示選擇Q235A作為材料。 圖6—2 材料參數(shù) 1）建立網(wǎng)格與網(wǎng)格設(shè)定。 在完成建模和新增分析程序的材料參數(shù)的定義后，接著將進行網(wǎng)格的劃分。在下拉菜單中，選擇Simulation>網(wǎng)格命令，系統(tǒng)即可顯示如左下圖的對話框，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，零件的約束有兩個地方如圖6—3所示，軸套內(nèi)圈在起升載荷時固定，加強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，以便施加載荷進行分析。 圖6—3 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 命令來添加載荷。 本次分析中吊裝載荷以及小車的自重，都是通過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6—4。 圖6—4 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)過計算分別距離梁端面150mm和450mm。加載載荷后如圖6—5所示。 圖6—5 載荷位置圖 4）執(zhí)行分析 在下拉菜單中，選擇Simulation>運行 命令來執(zhí)行分析，生成報告。 5．3 主梁分析報告 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，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算精度和計算效率。 表 6網(wǎng)格信息 網(wǎng)格類型: 實體網(wǎng)格 所用網(wǎng)格器: 標(biāo)準(zhǔn) 自動過渡: 關(guān)閉 光滑表面: 打開 雅各賓式檢查: 4 Points 要素大小: 46.204 mm 公差: 2.3102 mm 品質(zhì): 高 要素數(shù): 14329 節(jié)數(shù): 28272 5.3.1 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1 VON:von Mises 應(yīng)力 0.271473 N/m^2 節(jié): 228 (28.3385 mm, 414 mm, 4505.41 mm) 1.26544e+008 N/m^2 節(jié): 7518 (84 mm, 0 mm, 3520.9 mm) 圖6—6 應(yīng)力分析詳圖 從圖6—6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，另外一個應(yīng)力比較大的地方就是加強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，雖然沒有超過的屈服極限，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)象可能會影響此處的設(shè)計壽命，以及疲勞強度。所以可以考慮修改為一個圓角結(jié)構(gòu)，來減小應(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1 ESTRN :對等應(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6—7 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1 URES: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6—8 位移分析詳圖 根據(jù)中華人民共和國機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的旋臂起重機標(biāo)準(zhǔn)，JB/T 9806—1999規(guī)定，允許下?lián)隙鹊闹?，垂直下?lián)隙葢?yīng)達到這樣的程度以保證： A） 臂架上運行的小車在正常作業(yè)時不會失控； B） 臂架不能自行回轉(zhuǎn)。 起重機設(shè)計應(yīng)使額定起重量在有效半徑處產(chǎn)生的垂直下?lián)隙葢?yīng)不超過表10的規(guī)定。 表10 允許下?lián)隙? 起重機工作級別為A5，按照表中允許下?lián)隙扔嬎?，允許下?lián)隙鹊闹禐?.016m,經(jīng)過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)的國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 5.3.4 主梁設(shè)計檢查結(jié)果 圖5—9 安全系數(shù)詳圖 起重機按許用應(yīng)力法進行靜強度和疲勞計算時，基本條件是保證零部件或構(gòu)建危險截面或所選計算截面上的危險點的計算應(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)力計算的精確性等因素有關(guān)。 我國《起重機設(shè)計規(guī)范》（GB 3811—83）對機構(gòu)傳動零件和結(jié)構(gòu)構(gòu)件強度和疲勞計算的安全系數(shù)有明確的規(guī)定。經(jīng)過查閱，重要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的靜強度安全系數(shù)應(yīng)該在1.5以上。設(shè)計檢查結(jié)果顯示最小安全系數(shù)是1.9，在國家標(biāo)準(zhǔn)之上，但又沒有高出太多造成浪費。 5．4 立柱建立實體模型分析 立柱的實體模型如圖6—10所示。主要結(jié)構(gòu)由兩個軸肩，底部法蘭盤，地腳螺栓孔以及加強肋板等特征組成。從上至下第一軸段通過軸承與主梁配合，中段的凸起定位安裝一個圓錐滾子軸承與主梁的支撐肋板相連接。 圖5—10 立柱模型 立柱的材料為鑄鐵，各部分材料相同，并為一個整體。首先在COSMOSWORKS中建立一個靜態(tài)研究，接著選擇材料，如圖6—11所示選擇HT200作為材料 圖6—11 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，接著將進行外部條件的設(shè)定。 在此次分析中，零件的約束有兩個地方如圖5—12所示，分別是底面法蘭盤上的四個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，以便施加載荷進行分析。 圖5—12 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> 壓力命令來添加載荷。 由于懸臂梁的結(jié)構(gòu)包含了一個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，而中部立柱對于支撐肋板的支反力來平衡主梁產(chǎn)生的力矩。如圖6—13所示。 圖6—13 軸載荷 圖6—14 主結(jié)構(gòu)受力簡圖 下面來計算立柱所承受的載荷。如上圖6—14所示為起重機主要結(jié)構(gòu)的受力簡圖。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。作用點以及方向如圖6—13所示。 4）執(zhí)行分析 在下拉菜單中，選擇Simulation>運行命令來執(zhí)行分析，生成報告。 5．5 立柱分析報告 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1 VON:von Mises 應(yīng)力 0.00023719 kgf/cm^2 節(jié): 23402 (782.843 mm, 0 mm, 332.843 mm) 69.2807 kgf/cm^2 節(jié): 404 (799.533 mm, 1201.74 mm, -16.7361 mm) 圖6—15 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,遠小于查表得出的5MPa的許用應(yīng)力，也遠小于校核時計算出的22MPa的應(yīng)力值。強度出現(xiàn)了大幅度的過剩。 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1 ESTRN :對等應(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6—16 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1 URES: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6—17 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，遠遠小于有關(guān)的許用撓度標(biāo)準(zhǔn)。立柱的剛度也出現(xiàn)了過剩。 6.5.4 立柱分析總結(jié) 經(jīng)過分析立柱的強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)計檢查中其最小安全系數(shù)仍然達到了29之巨。出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的強度剛度浪費的現(xiàn)象。 所以根據(jù)傳統(tǒng)設(shè)計方法和有關(guān)經(jīng)驗公式計算出的最小截面過大了。這是因為，傳統(tǒng)設(shè)計方法在有關(guān)的強度和剛度的校核上過于保守。另外傳統(tǒng)設(shè)計方法無法精確的模擬立柱在額定工作狀態(tài)下的受力情況，只能做近似的計算，這也是導(dǎo)致設(shè)計量出現(xiàn)大幅冗余的一個主要原因。 5．6 設(shè)計改進 在主梁和立柱的分析中發(fā)現(xiàn)了一些在傳統(tǒng)設(shè)計方法中無法及時發(fā)現(xiàn)的問題。 首先分析橫梁。在橫梁的有限元分析中發(fā)現(xiàn)，橫梁的強度和剛度都滿足了設(shè)計的要求，其中強度值非常充足。相對于強度值，剛度值滿足設(shè)計要求，但是沒有很大的裕度。這也是現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的普遍的問題，就是強度有余而剛度不足，因此無法再進行優(yōu)化設(shè)計。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)計一個圓角結(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，所以決定保持原來的設(shè)計方案不變。 再來分析立柱。在立柱的有限元分析中發(fā)現(xiàn)，通過傳統(tǒng)設(shè)計，以及經(jīng)驗公式的方法設(shè)計出的工件強度和剛度都出現(xiàn)了較大幅度的冗余。這樣的設(shè)計浪費了材料，增加了成本，使體積笨重。所以有必要對立柱進行優(yōu)化設(shè)計，以便把強度和剛度控制在合理的范圍內(nèi)。 優(yōu)化設(shè)計的方案具體有兩種。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度和剛度。在立柱的優(yōu)化設(shè)計中以上兩種方法，第二種會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。所以這里采用改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方法優(yōu)化設(shè)計。 具體方案為，立柱將不采用實心結(jié)構(gòu)，而是設(shè)計為一個壁厚為50mm的空心管狀結(jié)構(gòu)，以減少鑄造的用料量。同時這種方案并沒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行分析。 圖6—18 如圖6—18所示，圖中為修改后的立柱實體模型，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6—19所示。 圖6—19 立柱應(yīng)力分析圖 從圖6—19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/cm^2 節(jié): 15836 (717.487 mm, 5.27008e-014 mm, -282.128 mm) 245.389 kgf/cm^2 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?？偟恼f來，這此優(yōu)化設(shè)計達到了目的。 6 軸承的選用與裝配體 整個裝配體共用到軸承3個，如下圖7—1所示。 圖7—1 全部軸承 在圖7—1中，從上到下一共有三個軸承。從上面開始，第一個軸承是一個深溝球軸承，軸承的代號10280，是一個標(biāo)準(zhǔn)件。第二個軸承是推力球軸承，軸承代號11400480，外徑480，內(nèi)徑400，也是標(biāo)準(zhǔn)件。第三個軸承為角接觸球軸承，軸承代號00500，是標(biāo)準(zhǔn)件。三個軸承所受載荷均小于許用載荷。裝配體圖如下圖7—2所示。 圖7—2 總裝配體 7 總結(jié) 定柱式旋臂起重機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,一直為先進工業(yè)國家廣泛地采用。但中國對該產(chǎn)品的開發(fā)研制很晚,生產(chǎn)廠家很少,不能滿足市場需求。而且生產(chǎn)中多采用傳統(tǒng)方法設(shè)計,設(shè)計過程中無法全面直觀地了解整機以及一些關(guān)鍵部位的應(yīng)力狀況和位移變形情況,造成整機結(jié)構(gòu)笨重的缺陷,一些局部結(jié)構(gòu)設(shè)計也往往不盡合理?；谏鲜鲈?該課題旨在在分析和研究國內(nèi)外該型起重機的先進技術(shù)的同時,根據(jù)實際需要，取長補短對定柱式旋臂起重機進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，并運用PRO/E軟件進行三維建模并導(dǎo)出二維圖形，從而確定相關(guān)尺寸。在設(shè)計過程中，嚴(yán)格按照設(shè)計標(biāo)注和《起重機設(shè)計手冊》來完成，采取傳統(tǒng)的力學(xué)設(shè)計方法，取長補短，利用現(xiàn)有各種關(guān)于起重機械技術(shù)的優(yōu)點，對定柱式旋臂起重機的整體結(jié)構(gòu)布局進行緊湊而合理的設(shè)計，合理設(shè)計尺寸和利用材料，既保證該起重機滿足要求，又節(jié)約成本，進而符合該課題的要求和全新的設(shè)計理念。并且通過此次設(shè)計，要提高自己的分析問題和解決問題的能力，將自己所學(xué)運用到實際的工作中，提高自己的實踐能力。 參 考 文 獻 [1] 陳道南.起重運輸機械. 北京:機械工業(yè)出版社,1998.12-178. 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