QY16U型汽车起重机吊臂及伸缩机构的设计.doc

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1、沈阳建筑大学毕业设计摘 要 在我国，汽车起重机发展已有六十多年的历史了，由于受到客观条件的限制，一度发展较慢，进入九十年代发展迅速，但与国际先进水平还相差很远，主要表现在产品质量的稳定性，自动化，智能化等方面。随着经济建设的迅速发展，我国的基础建设力度正逐渐加大，道路交通，机场，港口，水利水电，市政建设等基础设施的建设规模也越来越大，汽车起重机的市场需求也随之增加。本文是对QY16U型汽车起重机的吊臂伸缩机构进行设计，确定吊臂主要尺寸、质量参数，确定各部件、总成的相互位置关系，利用Solidworks完成QY16U汽车起重机吊臂伸缩机构的三维实体装配模型，利用Ansys对结构件进行强度校核，对

2、确定中、小型汽车起重机的设计方案具有很强的现实意义。关键词：汽车起重机 ；吊臂 ； 伸缩机构ABSTRACTThe design and production of the truck crane have more than 50 years history in our country. The development of truck crane, however,has slowed down for some objective reasons. Since 1990s, it was accelerated in our country, but the products stil

3、l could not reach the advanced international level in the quality stability, autnation, and intelligent. With the rapid development of economic construction, Chinas infrastructure is gradually improving the intensity. Road traffic, airports, ports, water conservancy and hydropower, municipal constru

4、ction of infrastructure such as the scale of construction is also rapidly growing. Crane truck crane market is also on demand with the increase.The thesis is the study of the type of truck crane QY16U design and the discourse upon choices of Telescopic crane agency. The overall layout and stability,

5、 the design of the lifting mechanism and calculation methods. It is also discussed chiefly concerns with how to determine the whole machine size , quality parameters, and how to determine the components, assembly location of the mutual relations. The using of Solidworks to complete the QY16U telesco

6、pic crane agency of three-dimensional solid model, and the using of Ansys to analyse the strength of structural, have a strong practical significance to identify the small and medium-sized truck crane design.Keywords: truck crane ； Telescopic ； crane agency目 录第一章 绪论11.1 概论11.2 汽车起重机的发展趋势11.2.1 广泛采用液

7、压技术11.2.2 通用与专用起重机21.2.3 重视“三化”逐步过渡采用国际化标准21.2.4发展一机多用产品21.2.5采用新技术、新材料、新结构、新工艺31.2.6国外汽车起重机发展过程及主要机种31.3 汽车起重机现代设计方法概述41.3.1 汽车起重机现代设计方法概述计算机辅助设计（CAD）51.3.2 模块化设计51.3.3 有限元设计51.3.4优化设计51.3.5动态仿真设计51.4 课题背景61.5 课题任务7第二章 吊臂技术参数的确定82.1 吊臂主要性能参数82.2 QY16U型汽车起重机吊臂主要参数82.3 各节吊臂尺寸的确定9第三章 臂架伸缩机构的设计123.1臂架伸

8、缩机构的设计123.1.1 臂架伸缩机构类型123.1.2 伸缩方式对起重机性能的影响123.1.3 伸缩臂截面形式的分析比较及选择133.1.4 吊臂截面尺寸的确定163.2 臂架计算163.2.1 载荷的确定和组合163.2.2 臂架强度验算183.2.3 臂架箱板的局部稳定性校核21第四章 Solidworks三维实体设计234.1 Solidworks软件的特点234.2 Solidworks在本设计中的作用23第五章 有限元分析265.1伸缩吊臂的结构组成及分析方法265.2伸缩吊臂有限元模型建立275.2.1实体建模275.2.2 单元选取及网格划分275.2.3 滑块接触处模型处

9、理285.2.4 加载及约束处理285.3 计算结果与分析295.4本章小结31第六章 结论与技术经济分析326.1结论326.2 计算结果与分析33第七章 汽车起重机发展34参考文献38致 谢40附录一 中文翻译附录二 外文资料原文前言 现今，随着工业建设和民用建设的飞速发展，汽车起重机已经成为水利、电力、冶金、化工、港口装卸、国防建设及房屋建设必不可少的工程机械。正确选用、维护和保养好汽车起重机，是保证施工进度、延长汽车起重机使用寿命、保障安全生产的必须举措。本文对QY16U型汽车起重机的吊臂伸缩机构的设计和计算方法做出阐述。确定吊臂主要尺寸、质量参数，确定各部件、总成的相互位置关系，通过

10、各部件、总成位置关系，利用Solidworks完成QY16U汽车起重机吊臂伸缩机构的三维实体装配模型，利用Ansys对结构件进行强度校核，对确定中、小型汽车起重机的设计方案具有很强的现实意义。本次设计中力求实用、新颖、有一定创新之处，由于本次采用计算机辅助设计并借鉴大量以往产品，因此，它具有美观、结构轻等特点，在完成设计要求的前提下力求完美。因能力有限，说明书中不妥或错误之处，敬请老师和各位同学批评指正。2012年6月40QY16U型汽车起重机吊臂及伸缩机构设计 第一章 绪论1.1 概论通常，习惯把安装在通用或专用载重汽车底盘上的起重机称为汽车起重机。汽车式起重机由于利用汽车底盘，所以具有汽车

11、的行驶通过性能，机动灵活，行驶速度高，可快速转移，转移到作业场地后能迅速投入工作，因此特别适用于流动性大、不固定的作业场所。由于汽车底盘通常是由专业厂生产的，因而在现成的汽车底盘上改装成起重机比较容易和经济。因此，随着汽车工业的迅速发展，近年来各国汽车起重机的品种和产量都有很大发展。但汽车起重机也有其弱点，主要是起重机总体布局布置受汽车底盘的限制，一般车身较长，转弯半径大，并且只能在起重机左右两侧和后方作业。1.2 汽车起重机的发展趋势近年来，随着建设工程规模的不断扩大，起重安装工程量越来越大，尤其是现代化大型石油、化工、冶炼、电力工程以及高层建筑的安装作业逐年增多，对工程起重机，特别是大功率

12、工程起重机的需要日益增加。随着现代科学的发展，各种新技术、新材料、新结构、新工艺在工程起重机上得到了广泛应用，有力地促进了工程起重机的发展，主要体现在以下几个方面：1.2.1广泛采用液压技术由于液压传动具有体积小、重量轻、结构紧凑、能实现无极调速、操纵轻便、运转平稳和工作安全可靠等优点，近年来在国外各种类型的工程起重机上得到了广泛应用。我国主要工程起重机生产厂的产品多是液压起重机，包括3t、5t、8t、12t、20t、65t、80t、125t等吨级的伸缩臂式液压起重机。国外液压起重机在品种和产量方面都有较大发展，特别是大吨级液压起重机发展非常迅速，100t以上大型伸缩臂式起重机已采用液压传动，

13、中，小吨位的起重机已普遍采用液压传动。随着液压技术的液压元件的发展，液压起重机将会获得进一步发展。1.2.2通用与专用起重机为了提高工程建设装卸作业的机械化程度，工程起重机的发展仍以轻便灵活的中小型起重机为主。目前国外普遍使用1040t级的工程起重机。从数量上来看，中小吨级的占多数，因此，国外很重视改进、提高中型（1640t级）液压起重机的性能。但为了满足大型石油、化工、冶炼设备和高层建筑大型板材、构件的安装，国内外也生产了一些100500t级的大型、特大型轮胎式起重机和各类型的履带式起重机。1.2.3重视“三化”，逐步过渡采用国际标准目前，各国在发展工程起重机新产品中都很重视“三化”（标准化

14、、系列化、通用化）。一些国家对工程起重机制订了国家标准，规定了起重量系列。有些国家对起重量虽然没有统一的规定，但各制造厂自成系列，注意采用通用零部件，为生产和使用提供有利条件。一些国家还按起重机的卷扬机构、回转机构、驱动桥、转向桥以及中心回转接头等，不分用于汽车起重机还是轮胎起重机，一律进行标准化、系列化、通用化，使一种不见可以用在两种不同类型的起重机上。产品标准化还可使一种部件用到起重量大小不同的起重机上。如设计系列化吊臂，小起重量起重机的主臂可作为大起重量起重机的副臂；小起重量液压起重机基本臂可作为打起重量起重机的二节臂等。有些国家要求相近吨级的起重机基本部件通用化，如1016t、2440

15、t、65100t的起重机主副卷扬机构、回转机构等完全通用。1.2.4发展一机多用产品为了充分发挥工程起重机的作用，扩大其使用范围，有的国家在设计起重机时重视产品的多用性。例如，在工作装置设计方面，除了使用吊钩外，还设计了配置有电磁吸盘、抓斗、拉铲和木料抓取器等取物装置。有的还设计成用于建筑基础工程中，如钻孔装置等。1.2.5采用新技术、新材料、新结构、新工艺为了减轻起重机的自重，提高起重性能，保证起重机高效可靠的工作，各国都非常重视采用新技术、新材料、新结构和新工艺。新技术的应用除广泛采用液压传动外，有的起重机还采用液力传动。由液力变矩器与发动机恰当匹配，使发动机扭矩自动适应行驶条件；采用动力

16、换挡变速箱、液压转向装置，以减轻司机的操作强度。为了防止起重机超载以致倾翻，近年来研制了电子式起重力矩限制器。这是一种较为完善的安全装置。当载荷接近额定起重量时，自动发出警报信号。当超载时，力矩限制器自动切断起重机的工作机构，以保证起重机整机稳定安全。1.2.6国外汽车起重机发展过程及主要机种汽车起重机最初是以诞生于1869年的蒸汽轨道式起重机发展而来的，经历了轨道式、实心轮胎式、充气轮胎式的发展变化过程。充气轮胎式起重机是20世纪30年代随着汽车工业的发展而出现的。由于汽车起重机具有机动灵活、操作方便、效率高等特点，在二战后修复战争创伤和经济建设中得到广泛应用。早期的汽车起重机大多采用机械传

17、动的析架式臂架。随着60年代中期液压技术的发展，液压伸缩臂轮式起重机得到迅速发展。到80年代末，中小吨位的轮式起重机已多数采用液压伸缩式臂架，仅有一部分大吨位汽车起重机仍采用析架式臂架。20世纪60年代末期，特别是从70年代开始，随着大型建筑、石油化工、水电站等大型工程的发展，对轮式起重机的性能、工作效率和安全性提出了更高的要求。由于当时液压技术、电子技术、汽车工业的发展及新型高强度钢材的不断出现，使轮式起重机开始向大型化发展，并且在普通轮胎式起重机的基础上开发出越野轮胎起重机，随后又开发出全路面起重机。全路面起重机综合了汽车起重机高速行驶和越野轮胎起重机吊重行走及高通过性的特点，在近20多年

18、得到很大发展。目前国外汽车起重机生产国主要有日本、美国、德国、法国、意大利等。生产厂商有100多个，最著名的仅有10来家。世界轮式起重机市场主要划分为以日本为主的亚洲市场、以美国为主的北美市场、以德国为主的欧洲市场。亚洲约占世界年销售台数的40%，北美和欧洲各占20%，世界其它地区占20%。日本市场 : 从年总产量上讲，日本生产的轮式起重机居世界首位。在1995年4月一1998年3月间，日本轮式起重机平均年销售量为8140台，其中越野轮胎式起重机约占日本市场的60%，其次为汽车起重机，全路面起重机占比重很小，但年销量在不断上升。美国市场 : 美国是轮式起重机的生产大国，在起重机制造能力及规模上

19、居世界首位。在美国市场上，越野轮胎起重机占主导地位，约占市场份额的65%，其次是工业轮胎起重机和汽车起重机，全路面起重机所占份额较小，不到10%.德国市场 : 德国是欧洲最大的轮式起重机生产国，也是全路面起重机的发源地，多年来他在开发大型、特大型轮式起重机方面一直处于领先地位。1.3 汽车起重机现代设计方法概述随着计算机技术的广泛应用和系统工程、优化工程、价值工程、人机工程等现代设计理论的不断发展，促使许多跨学科的现代设计方法出现，使起重机设计进入高质量、高效率的阶段。1.3.1计算机辅助设计(CAD)计算机辅助设计是随着计算机及其外围设备发展而迅速形成的一门新兴的现代设计方法。它的发展与应用

20、，对提高设计质量和效率、提高产品的市场生存和竞争力发挥十分明显的作用。电子技术和计算机技术的发展使计算机辅助设计硬件设备性能得以提高，各种硬件设备不仅已形成了产品，而且己成为CAD的一般配置。目前，计算机辅助设计方法已成为工程技术人员进行创造性设计活动不可缺少的手段。1.3.2模块化设计模块化设计是根据模块化原则，设计一些基本的模块单元，通过不同的组合形成不同的产品，以满足用户的多种需要。起重机模块化设计以功能分析为基础，将起重机上同一功能的基本部件、元件、零件设计成具有不同用途、不同功能的模块，这些模块具有相同的连接要素，可以互换，选用不同的模块进行组合可形成不同类型和规格的产品。1.3.3

21、有限元设计 有限元设计是根据变分原理求解数学、物理问题的一种数值计算方法。它能整体、全面、多功能随意组合，进行静力、动力、电场、磁场等分析。对完成结构复杂的系统分析十分有效，现己在起重机结构计算中应用。1.3.4优化设计优化设计方法可根据产品要求，合理的确定和计算各种参数，以其达到最佳的设计目的。1.3.5.动态仿真设计国外近年来在起重机设计中采用了动态仿真设计的新方法，即用计算机对机构与结构在各种工况下承受载荷进行运行状态随时间变化过程的仿真模拟，得到仿真输出参数和结果，以此来估计和推断实际运行的各种数据，并在对起重机进行动态分析计算时采用。1.4 课题背景在中国移动式起重机领域，汽车起重机

22、占有80%以上的市场份额。2000-2009年十年间中国汽车起重机取得了20%以上的复合增长率；2008年销量成功突破20000台；2009年在国家大规模工程项目投资的拉动下，汽车起重机不但抵制住了金融危机的不利影响，销量更是取得了大幅增长，在移动起重机中的份额进一步提升。 由于国情和所处发展阶段不同，欧洲、美国和日本的移动起重机市场结构与我国有很大区别，欧洲的移动式起重机市场以价格昂贵的全路面起重机和大吨位履带式起重机为主，美国以随车起重机、全路面起重机和越野轮胎起重机为主，而日本是以随车起重机和越野轮胎起重机为主，这些世界上最主要的移动式起重机生产地区都较少发展汽车起重机。我国对于汽车起重

23、机发展潜力相当看好。积极研发新型汽车起重机。目前起重机的特点主要体现在如下几方面: 吊臂采用易于定心、对腹板抗失稳能力、抗扭曲变形能力强的大圆角形截面; 转台采用立板加筋结构;这种结构在满足强度要求的同时减轻了重量，提高起重性能，使材料的机械性能得到进一步利用; 采用前悬下沉全景驾驶室专用汽车底盘。这种底盘车身长，适合较长吊臂的布置(吊臂的增长，使整机的起升高度增加)，且乘坐舒适、视野开阔; 液压系统增设回转制动阀、液压先导控制阀、液控操纵回路，使回转抗冲击能力增强、操纵更加方便: 液压辅件采用新型锥面密封与0型圈相结合的双重密封，提高管路密封寿命； 利用现代设计方法和手段，开发、编制相关的计

24、算软件，提高设计质量和效率，缩短产品研发周期。软件要有良好的通用型，己适应其他吨位产品的开发。1.5 课题任务QY16U汽车起重机吊臂伸缩机构三维实体及有限元设计该题目结合实际，对QY16U汽车起重机吊臂伸缩机构进行设计。主要内容包括： 吊臂伸缩载荷的确定； 吊臂结构型式的选择设计； 吊臂伸缩机构伸缩方式的选择设计； 吊臂结构的设计。第二章 吊臂技术参数的确定2.1 吊臂主要性能参数汽车起重机的主要性能参数是起重机工作性能指标，也是设计的依据，主要包括起重量、工作幅度、起重力矩、起升高度等。 额定起重量:汽车起重机额定起重量是在各种工况下安全作业所容许起吊重量的最大质量值，包括取物装置重量。

25、工作幅度:在额定起重量下，起重机回转中心的轴线距吊钩中心的距离。工作幅度决定起重机的工作范围。 起重力矩:起重机的工作幅度与相应起重量的乘积为起重力矩，它是综合起重量与幅度两个因数的参数，能比较全面和确切地反映起重机的起重能力。 起升高度:吊钩起升到最高位置时，钩口中心到支撑地面的距离。在标定起重机性能参数时，通常以额定起升高度表示。额定起升高度是指满载时吊钩上升到最高极限位置时从钩口中心至支撑地面的跟离。对于动臂式起重机，当吊臂长度一定时，起升高度随幅度的减小而增加。2.2 QY16U型汽车起重机吊臂主要参数最大额定起重量(kN) : 170最大起重量力矩(kN m): 706基本臂长度(m

26、) : 10全伸臂长度(m): 31主臂节数: 4 主臂最大起升高度(m) : 31.12.3吊臂各节尺寸的确定 主吊臂的最长长度是由基本臂结构长度和外伸长度所组成即，=其中 为各节伸缩臂的伸缩长度伸缩长度取同一数值，即为则外伸长度， 为二 三 四节臂缩回后外露部分的长度，在计算时取同一数值a=0.2若假设为臂头中心离基本臂端面的距离，则基本臂结构长度加上即为基本臂的工作长度而= = =10.15+=32.4m 10+=31解得L=7.42m L=7.0m从而得到外伸长度7.42+0.2=7.62m 7.0+0.2=7.2m在第i节臂退回后，除外露部分长度a外，在前节（i-1）节臂中的长度加上

27、伸出后仍在前节臂中的那部分搭接长度，第i节臂插在前节臂内的长度为（+），假设第i节臂的结构长度为，则=+a =+ 2-6 搭接长度应该短些，以减轻吊臂重量。但是，太短将搭接部分反力增大了，引起搭接部分吊臂的盖板或侧板局部失稳，同时，也是吊臂的间隙变形增大。因此，搭接部分要根据实际经验和优化设计而定，一般为伸缩臂外伸长度的1/41/5。 各节伸缩臂插入前一节都留有一段距离c，这是结构上的需要，在此距离内要设置伸缩油缸的铰支座和其它的结构构件，其大小视情况而定，在此次设计中选择c=0.5m。在第二节臂退回后，除外露部分长度a外，在前一节臂中的长度加上伸出后仍在前节臂中的那部分搭接长度。 因此前后两

28、节臂有这样的关系， 2-7由式2-6带入2-7可得，已知，从上式可知，后一节的搭接长度比前一节的搭接长度要小一些，因为一空情况下结构空间c比外露空间啊大一些，得出 2-8参考QY16吨汽车起重机设计各节臂尺寸的确定，最终长度为1009mm 9909mm 9685mm 9609m各节臂长度尺寸的验算31m a=0.2m c=0.5m =1.27.2 =10.1410+0.6=10.610.14故计算各节臂长度满足要求第三章 臂架伸缩机构的设计3.1臂架伸缩机构的设计3.1.1 臂架伸缩机构类型臂的伸缩机构种类很多，按各节臂伸缩次序关系不同可分为以下三种: 顺序伸缩:臂架在伸缩过程中，各节伸缩臂必

29、须按一定先后顺序完成伸缩动作。 同步伸缩:臂架在伸缩过程中，各节伸缩臂同时以相同的行程比率进行伸缩。 独立伸缩:各节臂均能独立进行伸缩。显然，独立伸缩机构可以完成顺序伸缩动作。3.1.2 伸缩方式对起重机性能的影响伸缩方式的选择，对臂架自重有一些影响。一般来说，独立伸缩机构最重，顺序伸缩机构最轻，若起重特性相同时，用顺序伸缩机构比较经济。但是除了伸缩的开始和终了，在其它位置上，当臂长相等时，同步伸缩的臂架重心距回转中心较近，所以相同的臂架，如果采用同步伸缩，在中长臂时，起重性能可以提高，如图3-1。图3-2是对某起重机臂架在不同伸缩方式下，各搭接处的支反力进行的定量分析。可以看到在中长臂时，顺

30、序伸缩支反力大于同步伸缩的支反力。1-同步伸缩提高的起重能力 2-顺序伸缩的折算起重量 3-同步伸缩的折算起重量 K-自重折算的起重量图3-1 不同伸缩方式重心位置对起重量的影响Aa-顺序伸缩 Ab-同步伸缩 图3-2 不同伸缩方式对搭接支反力的影响本起重机选择单液压缸带动四节臂的同步伸缩方式，其伸缩机构原理图3-3。图 3-3 四节臂的同步伸缩方式3.1.3 伸缩臂截面形式的分析比较及选择伸缩式吊臂多数制成矩形截面的箱形结构，箱形结构内装有伸缩油缸，吊臂根部与转台铰接，靠近吊臂根部装有变幅油缸，在吊臂的每个外节段内装有支承内节段的滚子或滑块支座。汽车起重机的伸缩式吊臂是一个双向压弯构件，除受

31、有整体强度、刚度、稳定性的约束外，主要受局部稳定性约束，因此把伸缩臂制成为箱形截面是合理的。过去在生产实践和科学研究中，为了减轻伸缩臂的重量，人们对它的截面形式曾作过许多讨论。归纳起来，伸缩臂可以制成下列几种典型箱形截面（图3-4 所示）： 矩形，矩形截面是由翼缘板和腹板焊接而成的，它是目前汽车起重机伸缩臂中用的最多的截面形式。与其他截面形式相比，矩形截面的制造工艺简单，具有较好的抗弯能力与抗扭刚度，因此，中、小吨位轮式起重机的伸缩臂通常都采用这一形式，但是这种截面没有充分发挥材料的承载能力，以及为了使伸缩臂各节间能很好地传递扭矩和横向力，需设附加支承。 梯形截面，梯形截面地上翼缘板窄，下翼缘

32、板宽，截面中型层靠下能发挥上翼缘板的机械性能，提高腹板的稳定性，前步滑块可接近腹板布置，后部滑块传递给上翼缘板的集中力因上翼缘板窄，产生的弯曲力矩减小。梯形截面的扭转刚度和横向刚度均较矩形截面大，但是，这种截面的下翼缘板宽，对局部稳定不利，材料性能得不到充分发挥，且需设侧向支撑装置，这是梯形截面的缺点。 倒置梯形截面的下翼缘板窄，上翼缘板宽，对提高下翼缘板的局部稳定性很有好处，材料能得到充分利用，且和梯形截面一样，具有较大的横向刚度与扭转刚度，倒置梯形伸缩臂对安装变幅油缸较为有利，但是这种截面对上翼缘板的局部弯曲和腹板的稳定性并不是很有利，亦需设侧向支承。梯形和倒置梯形截面的伸缩臂通常用于大吨

33、位的轮式起重机。 八边形和大圆角矩形截面的下翼缘板和腹板的实际计算宽度较小，有利于提高抗失稳的能力。前后滑块均支承在四角处，伸缩臂各板不产生局部弯曲，且能较好地传递扭矩与横向力，因此这两种截面形式的伸缩臂能够较好地发挥材料机械性能，减轻自重。对大吨位轮式起重机，采用这种截面形式是最合适的。制造这两种截面形式的吊臂，需要大型压床，但是随着工业的发展，这两种形式吊臂的应用会逐渐增多。 椭圆形截面是大圆角矩形截面的进一步发展，是一种受力较理想的吊臂截面形式，它能充分的发挥材料的机械性能，抗屈曲能力强，但椭圆形截面也需要设立侧向支承，且制造工艺更为复杂，这是椭圆截面至今很少用来作为伸缩臂的原因。 两种

34、五边形截面都具有下翼缘板窄的特点，对提高下翼缘板的局部稳定性很有好处，材料能得到充分利用。 六边形截面侧板薄，压成折弯形，受力合理；下盖板较上盖板宽度小，具有较高的抗屈曲能力。 U型截面所具备的性能与椭圆形截面相似，承压能力仅次于椭圆形，但其制造工艺要比前者简单许多，而且经济造价也低于前者。结合以上几种截面的特点，根据实际情况本次设计选择U形截面，U型截面相对于其他界面承压较高，仅次于椭圆形截面，但是由于椭圆形造价较高，制作工艺繁琐，考虑到经济性，故选用U型。(a)矩形截面 （b）梯形截面 （c）倒置梯形截面 （d）五边行截面1 （e）八边形截面 （f）大圆角矩形截面 （g）五边形截面2 (h

35、)椭圆形截面 （i）六边形截面图3-5 伸缩臂的几种典型截面形式3.1.4 吊臂截面尺寸的确定图3-5 吊臂截面尺寸示意图表3-1 QY16U汽车起重机截面尺寸 单位（mm）Lh12基本臂端59067067一伸臂端49662367二伸臂端45458256三伸臂端340537553.2 臂架计算3.2.1 载荷的确定和组合臂架的支撑情况:根部与回转平台由水平销轴联接，可以在垂直平面(变幅平面)内自由转动。变幅液压缸位于吊臂中线平面内，支撑处可做成双向球铰，使其在横向对臂架无约束，因此臂架在变幅平面内可视为一外伸梁，而在臂架横向平面内(即回转平面)可视为悬臂梁，在根部固接。作用在臂架上的载荷:自重

36、、吊重、惯性力、风力等。由于伸缩臂式起重机的工作级别属A3-A6，可不验算疲劳。因吊臂可伸缩，可不验算非工作状态下的强度。因此，只要按工作状态下的最大载荷来作强度计算即可。载荷组合情况:自重+考虑动载系数的吊重+吊臂切向水平惯性力+吊重偏载引起的水平力(包括风力)。将吊臂在变幅平面内和回转平面内的载荷，包括考虑动载的吊重重量、起升绳拉力、分布在臂架上的自重载荷，转化到吊臂端部(如图3-5)，分别为:图3-6 臂架在变幅平面内、回转切向平面内手力情况变幅平面内： 回转切向平面内： 其中:e1, e2:起升绳导向滑轮轴心和吊钩定滑轮轴心到吊臂中性轴线的距离z:吊钩滑轮组倍率:滑轮组效率p:惯性力的

37、转化系数，以0.02R代入b:均布载荷的转化系数:动载系数(根据起重机设计规范=1+0.35v:起升速度m/s)3.2.2 臂架强度验算设臂架任一截面上的弯矩为、扭矩为轴向压力为N横向剪力为、吊臂截面净面积为A抗弯模量为、截面的最大压应力最大拉应力为。则该截面上的压、拉应力及剪应力: 式中:为截面上的轴向压力，在吊臂仰角4560时取0.7:在吊臂仰角大于60时取0.45+:吊臂各节的侧向间隙所造成的端部挠度 :每节臂搭接处的侧向间隙， =0.003m:吊臂在变幅平面内，各臂节的底部间隙所造成的端部挠度，因吊臂伸出后由于滑块的负间隙造成吊臂上翘可消除间隙变形，故可取0k:吊臂节数 k4Li:i十

38、1节臂插入i节臂的长度i:吊臂长度系数见图3-6Si:截面处的剪力截面位于吊臂各节两端的搭接部分时Si =H (L1+ L1+1+ Lk )/ Li*;截面在吊臂各节中部时为Si =H)、:分别为上盖板、下盖板、腹板剪应力H:臂架端部的横向力Li:各节臂外伸长度Li*:该截面处搭接长度:臂架截面板中心线所包容的面积图3-6 吊臂长度系数计算图在臂架的导向滑块处和上下盖板的边棱附近产生附加的局部弯曲纵向应力(图3-7 )可用半经验公式计算。图 3-7 滑块上集中力对下盖板引起的局部弯曲式中:材料泊桑比 a:导向滑块中心离侧板中心的距离 P:导向滑块传递的集中力 因为是局部的，一般a较小，故可忽略

39、不计。按第四强度理论，吊臂截面上的最大拉、压应力组合（忽略局部应力时）3.2.3 臂架箱板的局部稳定性校核臂架腹板和下盖板都存在局部失稳的可能。腹板存在拉、压及剪切应力;下盖板承受线性分布的压应力及剪切应力。下盖板和腹板之间的支承即不是铰接支承(简支)，也不是固接支承，而是介于两者之间的弹性嵌固支承。校核受有正应力和剪应力同时作用的薄板的局部稳定公式为:式中：最小应力与最大应力之比，在下盖板中2/1，01。在腹板中4/1，-10，由于压缩应力大于拉伸应力那一侧腹板比拉伸力大于压缩应力的一侧容易失稳，所以校核压缩应力大的一侧。：正应力单独作用时的板局部失稳的临界应力。：板厚 b：板宽：剪应力单独

40、作用时的板局部失稳的临界应力。：支撑边系数，弹性嵌固支撑取1.20。：薄板稳定系数：01时： -10时：:支撑边系数，弹性嵌固支撑取1.25。n:安全系数，取1.33。为了减轻吊臂自重，通常将翼缘板和腹板的厚度取得很薄。有可能在承载时，吊臂的某个板件丧失稳定而发生局部翘曲变形，退出工作所以需要对翼缘板与腹板的局部稳定性进行校核。由于本设计是采用类比方法进行设计，所以这里仅对应力最大的第三节臂的腹板为例做局部稳定校核。临界应力：使用应力：复合临界应力：局部稳定性许用应力：局部稳定性验算：计算结果表明截面处稳定性通过其他伸缩臂腹板及翼缘板均通过稳定性的校核。 第四章Solidworks三维实体设计

41、4.1 Solidworks软件的特点 Solidworks软件功能强大，组件繁多。功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks 的三大特点，使得SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。 对于熟悉微软的Windows系统的用户，基本上就可以用SolidWorks 来搞设计了。SolidWorks独有的拖拽功能使用户在比较短的时间内完成大型装配设计。SolidWorks资源管理器是同Win

42、dows资源管理器一样的CAD文件管理器，用它可以方便地管理CAD文件。使用SolidWorks ，用户能在比较短的时间内完成更多的工作，能够更快地将高质量的产品投放市场。 在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中，SolidWorks是设计过程比较简便而方便的软件之一。美国著名咨询公司Daratech所评论：“在基于Windows平台的三维CAD软件中，SolidWorks是最著名的品牌，是市场快速增长的领导者。” 在强大的设计功能和易学易用的操作（包括Windows风格的拖/放、点/击、剪切/粘贴）协同下，使用SolidWorks ，整个产品设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工

43、程图之间的是全相关的。4.2 Solidworks在本设计中的作用运用Solidworks软件进行三维实体设计，主要是分析吊臂设计过程中的配合问题，防止各臂之间出现装配冲突，或者空隙过大造成应力不均。而且运用Solidworks的模型模拟运动功能，防止吊臂在回转过程中与车架之间发生碰撞，及时的解决这些装配问题，能为实际生产带来很大的便利，利用Solidworks软件的全参数化设计，对修改设计过程中的数据非常方便，一改具改，防止了因图量过大而产生的遗漏。图4-1，图4-2，图4-3分别为基本臂前臂箍、基本臂臂体，调整滑块实体截图，基本达到Solidworks软件设计的目的，有效防止了装配冲突及运

44、行冲突。图4-1 基本臂前臂箍图 4-2 基本臂臂体图 4-2调整滑块第五章 有限元分析5.1伸缩吊臂的结构组成及分析方法QY16U汽车起重机采用四节伸缩式U型吊臂，如图5-1所示。各节臂之间可以相对滑动，靠它们搭接的上下滑块来传递作用力。基本臂1根部与转台通过水平销轴铰接，且其中部还与变幅液压缸5铰接，可实现吊臂在变幅平面内自由转动。吊臂伸缩采用一级伸缩液压缸、双绳排滑轮机构（两伸、两缩）以实现二、三、四节吊臂同步伸缩。1.基本臂 2.二节臂 3.三节臂 4.四节臂 5.变幅液压缸 6.滑块图5-1 QY16U汽车起重机伸缩吊臂结构简图吊臂截面形状为两块成型钢板对焊而成。其上半部为大圆角过渡形，下半部为压折U板形。吊臂的设计计算通常的力一般是将吊臂结构视为梁模型进行强度及刚度等力一面的分析。但实际上，吊臂是由薄板对焊起来的箱形结构，应该视为板壳模型。解决这样一个变截面板壳模型受力问题，比较行之有效的方法是有限元法。故我们应用此法，并采用功能强大、技术上非常成熟的商用有限元软件ANSYS为工具来进行分析。基于吊臂的实际工况较多，限于篇幅，本文仅以基本臂仰角30度，吊重10.8t工况为例，介绍QY16U汽车起重机伸缩吊臂结构有限元的分析过程。5.2伸缩吊臂有限元模型建立5.2.1实体建模考虑到吊臂的重量，在计算时由ANSYS自动计算。为确保其重心