定柱式懸臂起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析
定柱式懸臂起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析,定柱式,懸臂,起重機(jī),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(jī)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(jī)工作強(qiáng)度為輕型，起重機(jī)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(jī)旋臂為空心型鋼結(jié)構(gòu)，自重輕，跨度大，起重量大，經(jīng)濟(jì)耐用。定柱式懸臂起重機(jī)又稱立柱式懸臂起重機(jī)，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(jī)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(jī)的廣泛應(yīng)用，許多起重機(jī)制造商從應(yīng)用計算機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng)（CAD），提高到應(yīng)用計算機(jī)進(jìn)行起重機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)、部件等多層次的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化單元。起重機(jī)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(jī)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(jī)的改進(jìn)，只需針對幾個需要修改的模塊；設(shè)計新的起重機(jī)只需選用不同的模塊重新進(jìn)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(jī)，滿足市場的需求，增加競爭能力。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)進(jìn)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(jī)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(jī)設(shè)備，非常適用五噸以下的工件定點頻繁起吊運輸。在機(jī)械加工領(lǐng)域，懸臂起重機(jī)具有強(qiáng)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(jī)的現(xiàn)狀與發(fā)展前景
1.2.1 國內(nèi)起重機(jī)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
中國的起重機(jī)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(jìn)蘇聯(lián)技術(shù)，80年代初引進(jìn)日本技術(shù)和90年代初引進(jìn)德國技術(shù)等三次主要技術(shù)改進(jìn)，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(qiáng)，更多的國外先進(jìn)技術(shù)被成功引進(jìn)應(yīng)用，并進(jìn)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(jī)產(chǎn)業(yè)制造水平的全面提升，與國外先進(jìn)技術(shù)的差距不斷縮小，中國起重機(jī)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(jī)設(shè)備屬于通用機(jī)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(tuán)化、機(jī)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(qiáng)度。具有工作平穩(wěn)可靠，操作維護(hù)簡單、方便等優(yōu)點。根據(jù)當(dāng)前我國情況來看，機(jī)械工業(yè)處于上升勢頭，汽車工業(yè)、機(jī)動車行業(yè)都處于強(qiáng)省發(fā)展期。專家預(yù)測，隨著國民經(jīng)濟(jì)的的增長，機(jī)械行業(yè)有很長一段時間處于旺盛發(fā)展階段，整體機(jī)械行業(yè)以及未來發(fā)展過程中，懸臂起重機(jī)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(jìn)的設(shè)計理念，充分利用計算機(jī)輔助工藝規(guī)劃、計算機(jī)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(qiáng)企業(yè)參與市場競爭的能力，使中國起重機(jī)制造行業(yè)趕上世界先進(jìn)水平。
1.2.1 國外起重機(jī)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
近二十年來，世界工程起重機(jī)行業(yè)發(fā)生了很大變化，世界工程起重機(jī)市場進(jìn)一步趨向一體化。目前世界工程起重機(jī)年銷售額已達(dá)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(jī)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(jī)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(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計為主要內(nèi)容的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計，課題涉及機(jī)械結(jié)構(gòu)與傳動、機(jī)械加工與裝配等。其中，分析了該起重機(jī)所要求實現(xiàn)的功能和相應(yīng)結(jié)構(gòu)，了解起重機(jī)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(jī)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(xiàn)可知，定柱式旋臂起重機(jī)主要由上立柱、下立柱、主梁、主梁拉桿、起升機(jī)構(gòu)（電動葫蘆）、回轉(zhuǎn)機(jī)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(jī)的懸臂梁設(shè)計及旋轉(zhuǎn)功能部分的機(jī)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(jī)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(bǔ)短，利用現(xiàn)有各種關(guān)于起重機(jī)械技術(shù)的優(yōu)點，結(jié)合實際對定柱式旋臂起重機(jī)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(jī)，完成了定柱式懸臂起重機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)各結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jī)的相關(guān)知識，了解定柱式懸臂起重機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀，掌握定柱式懸臂起重機(jī)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(jī)采用的各種結(jié)構(gòu)類型，結(jié)合課本知識和參考文獻(xiàn)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(xiàn)，分析定柱式懸臂起重機(jī)的受力情況，并對定柱式懸臂起重機(jī)的緩沖器，橫梁結(jié)構(gòu)，立柱，地腳螺栓進(jìn)行校核，檢驗結(jié)構(gòu)的靜剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性。本文還對結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jìn)行了有限元的分析。
1.4定柱式旋臂起重機(jī)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(jī)》5．2．4條允許下?lián)隙纫螅捍怪毕聯(lián)隙葢?yīng)達(dá)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(jī)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(jī)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(jī)。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(jī)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(jī)必須結(jié)構(gòu)簡單，便于拆裝維護(hù)。
2.1起重機(jī)結(jié)構(gòu)方案的擬定
對于立柱式懸臂起重機(jī)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(jī)： 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(jī)： 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(jī)： 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(dá)到360°。經(jīng)過估算這種結(jié)構(gòu)所能達(dá)到的最大回轉(zhuǎn)角度只可以達(dá)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(qiáng)。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(jī) 圖2-2 下支座的立柱式懸臂起重機(jī)
圖2-3 上下支座立柱式懸臂起重機(jī) 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(jī)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(hù)容易，加工以及維護(hù)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(hù)，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(jī)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(jī)主要目標(biāo)設(shè)計參數(shù)的確定
在機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T8906-1999《懸臂起重機(jī)》中所推薦的起重機(jī)基本參數(shù)中起重機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)中的懸臂起重機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)按照GB/T 3811的規(guī)定確定起重機(jī)的工作級別：
表1 起重機(jī)工作級別
根據(jù)市場調(diào)查，此型起重機(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)水平。在國際市場上享有盛譽(yù)。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(jī)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(jī)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
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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(jī)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(jī)用ZLA型緩沖器
表4 起重機(jī)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(jī)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(qiáng)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(jī)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(jī)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(qiáng)度校核
立柱強(qiáng)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(jìn)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于其拉應(yīng)力，所以強(qiáng)度滿足要求。
3.7定柱式旋臂起重機(jī)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(jī)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(qiáng)度設(shè)計有加強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度滿足
3.11 定柱式旋臂起重機(jī)確定參數(shù)
經(jīng)設(shè)計校核該定柱式旋臂起重機(jī)的參數(shù)見下表：
表6 起重機(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)，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(jìn)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(jī)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(qiáng)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(jī)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)阻力小；結(jié)構(gòu)緊湊，外形尺寸（主要是高度）??；維護(hù)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(dá)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(qiáng)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(jī)的總體裝配模型
此外，在進(jìn)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(jìn)行尺寸設(shè)定的次數(shù)，又可以方便地進(jìn)行尺寸修改。
4.2 懸臂起重機(jī)二維圖
在Pro/E中可以插入懸臂起重機(jī)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(dá)。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(jìn)行二維圖得更改，本次更改運用了Auto/CAD進(jìn)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(jī)總體結(jié)構(gòu)圖
該定柱式懸臂起重機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖4-17。
圖4-17 懸臂起重機(jī)結(jié)構(gòu)圖
4.2.2橫梁
起重機(jī)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(xì)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(qiáng)度校核可知，立足所選材料和相關(guān)尺寸滿足強(qiáng)度要求，同時節(jié)約了成本立柱具體細(xì)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(jī)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(qiáng)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(xì)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(qiáng)了立柱和法蘭盤的強(qiáng)度，也增加了連接面積，本起重機(jī)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(qiáng)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(qiáng)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(xì)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(jìn)行焊接，起支撐作用，材料為HT200，重量為80Kg，滿足強(qiáng)度要求，具體尺寸及細(xì)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(qiáng)度要求，價格低廉，節(jié)約成本。具體細(xì)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(jìn)行結(jié)構(gòu)的最優(yōu)方案設(shè)計；
在進(jìn)行機(jī)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(jìn)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(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的要求，對原方案進(jìn)行修改和補(bǔ)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(jìn)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(jìn)
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(jìn)設(shè)計的方案，并
進(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的旋臂起重機(jī)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(dá)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(jī)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(jī)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(jī)按許用應(yīng)力法進(jìn)行靜強(qiáng)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(jī)設(shè)計規(guī)范》（GB 3811—83）對機(jī)構(gòu)傳動零件和結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)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(yuǎn)小于查表得出的5MPa的許用應(yīng)力，也遠(yuǎn)小于校核時計算出的22MPa的應(yīng)力值。強(qiáng)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(qiáng)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(dá)到了29之巨。出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的強(qiáng)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(qiáng)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(jìn)
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(qiáng)度和剛度都滿足了設(shè)計的要求，其中強(qiáng)度值非常充足。相對于強(qiáng)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(qiáng)度有余而剛度不足，因此無法再進(jìn)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(qiáng)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(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以便把強(qiáng)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(qiáng)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(jìn)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(jìn)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(dá)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(dá)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(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)的先進(jìn)技術(shù)的同時,根據(jù)實際需要，取長補(bǔ)短對定柱式旋臂起重機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，并運用PRO/E軟件進(jìn)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(jī)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(bǔ)短，利用現(xiàn)有各種關(guān)于起重機(jī)械技術(shù)的優(yōu)點，對定柱式旋臂起重機(jī)的整體結(jié)構(gòu)布局進(jìn)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(jī)滿足要求，又節(jié)約成本，進(jìn)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。
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