液压起重机变幅系统设计学士学位论文 精品.docx
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液压起重机变幅系统设计学士学位论文精品
学士学位论文
液压起重机变幅系统设计
摘要
随着经济建设的飞速发展，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。
市场上液压起重机的需求也随之增加。
液压起重机是各种工程建设广泛运用的重要起重设备。
它是用来对物料进行起重、运输、装卸或安装等作业的机械设备。
作为主要施工机械在工业和民用建筑中得到广泛运用。
它对减轻劳动强度、节省人力、降低建设成本、提高施工质量、加快建设速度、实现工程施工机械化起着十分重要的作用。
本设计的主要任务是查阅相关的资料和文献，确定起重机变幅系统的方案以及变幅机构三铰点的位置。
根据已知数据，对起重机的变幅液压缸进行设计和计算。
根据计算的数据画CAD图纸。
最后对变幅系统的其他主要元件进行选取。
变幅系统中变幅液压缸的设计和计算是整个系统设计的重点。
变幅液压缸的设计与计算主要参照《新编液压工程手册》和《机械设计手册》中的公式。
关键词液压起重机；变幅机构；变幅液压缸
Hydrauliccraneluffingsystemdesign
Abstract
Withtherapideconomicdevelopment,China'sinfrastructureisenlarginggradually.Roadtraffic,airport,port,waterconservancyandhydropower,municipalconstructionandotherinfrastructureconstructionscaleismoreandmore.Marketdemandincreaseshydrauliccrane.Hydrauliccraneisanimportanthoistingequipmentwidelyusedinvariousengineeringconstruction.Itisusedforlifting,transportation,loadingandunloadingandinstallationworkonmaterialmechanicalequipment.Asthemainconstructionmachineryintheindustrialandcivilconstructionhasbeenwidelyused.Itistoreducelaborintensity,savemanpower,reducethecostofconstruction,improveconstructionquality,speeduptheconstruction,engineeringconstructionmechanizationplaysaveryimportantrole.
Thedesignofthemaintasksistoaccessrelevantinformationanddocuments,todeterminethethreehingeluffingsystemofcraneluffingmechanismschemeandtheposition.Accordingtoknowndata,luffinghydrauliccylindertothecranedesignandcalculation.AccordingtodrawingsandCADdatadrawingcalculation.Finally,othermajorcomponentsoftheluffingsystemselection.Designandcalculationofamplitudehydrauliccylinderluffingsystemistheemphasisofthewholesystemdesign.Designandcalculationofamplitudehydrauliccylinderisthemainreference"NewHydraulicEngineeringHandbook"and"MechanicalDesignManual"intheformula.Keywords:
Hydrauliccrane；Luffingmechanism；Luffingcylinder
目录
摘要
Abstract
第1章绪论1
1.1课题研究的意义1
1.2国内外发展现状与趋势1
第2章变幅系统方案和变幅机构三铰点的确定4
2.1变幅系统方案的确定4
2.1.1变幅机构布置形式的确定4
2.1.2变幅机构液压回路方案的确定5
2.2变幅机构三铰点的确定5
2.2.1三铰点的运动和受力要求6
2.2.2臂架油缸铰点位置确定6
2.3本章小结8
第3章变幅液压缸的设计与计算9
3.1液压缸的定义和组成9
3.2起重机变幅油缸推力计算9
3.3液压缸的基本机构设计10
3.3.1内径D的计算10
3.3.2活塞杆直径d的计算10
3.4液压缸缸筒11
3.4.1液压缸筒与端盖的连接11
3.4.2缸筒壁厚δ的计算12
3.4.3缸筒壁厚δ的验算12
3.4.4缸筒底部厚度δ的计算13
3.4.5缸底与缸筒的连接14
3.5活塞的设计14
3.6活塞杆的设计15
3.6.1活塞杆的结构15
3.6.2活塞杆的外端结构15
3.6.3活塞杆内端结构（活塞杆与活塞的连接）15
3.7活塞杆的导向、密封和防尘16
3.7.1活塞杆的导向16
3.7.2活塞杆的密封16
3.7.3活塞杆的防尘17
3.8缓冲装置17
3.9进、出油口尺寸18
3.10安装连接元件的确定18
3.11本章小结19
第4章变幅系统中其他元件的选择20
4.1液压泵的选择20
4.2液压阀的选择20
4.3滤油器的选择20
4.4液压油的选择20
4.5液压油管的选择21
4.6油箱的选择21
4.7本章小结22
结论23
致谢24
参考文献25
附录27
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绪论
课题研究的意义
工程起重机是各种工程建设广泛运用的重要起重设备，是用来对物料进行起重、运输、装卸或安装等作业的机械设备，在工业和民用建筑中作为主要施工机械而得到广泛运用。
它对减轻劳动强度、节省人力，降低建设成本，提高施工质量，加快建设速度，实现工程施工机械化起着十分重要的作用。
目前我国是世界上使用工程起重机最大的国家之一。
近年来，随着工程建设规模的扩大，起重安装工程量越来越大，吊装能力、作业半径和机动性能的更高要求促使起重机发展迅速，具有先进水平的塔式起重机和汽车起重机已成为机械化施工的主力。
相对于其他起重机，液压起重机不仅具有移动方便，操作灵活，易于实现不同位置的吊装等优点，而且对其进行驱动和控制的液压系统易于实现改进设计。
随着液压传动技术的不断发展，液压起重机已经成为各起重机生产厂家主要发展对象。
随着中国社会的发展，社会生活中对起重机的需求越来越大，所以起重机的研发越来越紧迫，由于液压式起重机转场灵活，从而方便快捷，所以进几年我国的液压式起重机发展很快。
但是，与国外液压式起重机相比，国外液压式起重机技术得到了飞速发展，为了降低整机成本，提高性能，整机质量越来越小，在起重性能相同的情况下，自重约比十年前降低了20％左右，由于车辆自重的减小，使车辆采用尽可能少的轴数（尤其是大吨位起重机）这样大大简化了车辆的结构，成本降低，同时提高了起重机的作业能力及使用经济性。
所以，同等吨位的销售价较前十年有大幅下降，对中国国内市场造成了很大冲击，因此，对我国的液压式起重机的生产者来说是一个严峻的考验。
液压起重机的变幅系统是起重机的最主要的部分，它的优劣直接关系到起重机的性能，所以加大对液压式起重机变幅系统的设计的研究，努力创新和借鉴外国经验是当务之急。
国内外发展现状与趋势
20世纪50年代，我国的起重机行业才开始起步，后来通过引进国外的先进技术，在学习改进的基础上积极的研发创新，很大程度上提升了自主技术水平，不管是外观还是使用性能各方面都很好的满足了国内大多数用户的要求。
但是，很多制造企业由于体制的问题不能很好的解决，再加上成本方面的制约，在这行业的发展还是显得比较迟缓。
直至21世纪初，整个工程机械行业才真正焕发出了蓬勃发展的趋势。
国内汽车起重机的主要生产厂家有徐州重型机械厂、长沙中联重工科技发展股份有限公司浦沅分公司和三一集团起重机公司等。
徐州重型机械厂作为工程机械行业专业的研发、制造工厂，其不仅生产全液压汽车起重机，而且生产销售消防车、泵车及其他工程机械机种。
目前已发展成为我国最大的汽车起重机生产制造厂家，形成年产最少8000余台汽车起重机的生产能力，国内市场占有率超过50%。
其主要产品有5t-80t全液压汽车起重机、25t-200t全路面汽车起重机、25t液压轮胎起重机等，并已研发出更高吨位的机型，图1-1为轮胎起重机。
图1-1轮胎起重机
长沙中联重工科技发展股份有限公司下的浦沉分厂主要研发生产履带起重机、汽车起重机以及特种工程机械车辆。
其拥有板材预处理、数控等离子切割、五免提加工中心、俄罗斯落地镗、焊接机器人等2000多套设备。
该公司产品采用流线型双开门驾驶室，应用高强钢提升了产品的稳定性。
在QY130H设计中采用了新型伸缩方式，降低油缸负载，解决超长油缸的稳定性问题；采用具有人性化设计的操纵室，可向上倾斜，免除司机高空作业长期仰视的疲劳；采用PLC计算机集成控制系统与双驱动回转系统，图1-2为QY130H图片。
图1-2QY130H起重机
三一集团汽车起重机公司从2003年起，在消化国内外汽车起重机先进技术的前提下，自主研发了QY16、QY25、QY50三个系列产品，在汽车起重机行业内独树一帜，代表着国内中小吨位汽车起重机的先进水平。
此后，其在完善生产线自制工艺装备的同时引进了一些国际先进的设备，极大地提高了产品的加工质量和生产效率，现在三一的汽车起重机产品己在国内初步形成较强的市场竞争力。
近二十年世界工程起重机行业发生了巨大的变化,不管是在产品还是市场分布都有很大不同,伴随着快速发展的世界经济和日益激烈的市场竞争,世界工程机械市场逐步走向统一化。
美洲、欧洲和亚洲已经成为最主要的生产基地和销售市场,欧美洲拥有包括以利勃海尔集团、马克托瓦克公司、格鲁夫公司等为代表的众多工程机械大集团,而亚洲主要以日本的多田野、加藤等公司为代表。
利勃海尔集团由汉斯-利勃海尔在1949年建立,其起重机具有该集团研发的装备涡轮增压器的六缸发动机和数据总线控制双项技术的驱动系统,采用LIAS驱动和ZF-AS-TRONIC12速全自动变速箱可以降低燃油消耗,而制动性能由于液力减速器也得到了很大的提高,不仅提高安全系数,而且有效地降低了发热带来的危险。
ABS防抱死系统和TCS牵引控制系统。
同时,利勃海尔起重机的转向技术非常智能,其由后轮独立转向,能够保证通过前桥控制行驶过程中后桥的转向角度,而且,后桥的转向角会在加速时自行变小,而速度小于一定值时车体始终保持直线状态且转向油缸自动锁定。
采用独立的后轮转向系统可以使转弯半径和轮胎的磨损均较小。
马尼托瓦克公司始创于1902年,主要生产重型履带吊和轮胎起重机。
该集团在世界拥有13家起重机专业生产厂,其中一家为中国张家港波坦公司。
该公司的产品由于具有先进的技术含量,其使用性能以及可靠度都很高,特别是其底盘和全路面等关键技术在欧洲处于领先地位,产品的主要用户分布在亚洲地区和美洲地区。
格鲁夫公司的强项是越野轮胎起重机和汽车起重机,其于1999年收购了德国的克虏伯轮式起重机公司,成为全路面起重机市场上三足鼎立的一支。
日本的起重机技术也比较成熟,其可以生产轮胎起重机、履带起重机和汽车起重机等多种机型,销量最好的是越野轮胎起重机,其次便是汽车起重机。
日本的汽车起重机技术注重适应性与经济性,在保证性能指标和基本功能的前提下大量采用通用配套件,自制部分也尽可能继承和简化。
上车液压系统采用中高压多联齿轮泵,下车的动力系统和传动系统几乎全应用汽车的通用配套件。
变幅系统方案和变幅机构三铰点的确定
变幅系统方案的确定
变幅机构布置形式的确定
全液压起重机的变幅机构使用液压缸来驱动动臂变幅。
液压缸的布置形式有三种，分别是前倾式、后倾式和后拉式三种。
前倾式缸对吊臂的作用力臂长，因此变幅推力小，可采用小直径液压缸；而且吊臂悬臂部分长度短，改善了吊臂的受力状况。
其缺点是：
变幅液压缸行程长，吊臂下方有效空间小，小幅度起吊大体积重物不方便。
后倾式变幅液压缸的特点和前倾式完全相反，它除了具有变幅行程短，吊臂下方有效空间大等优点外，由于重心后移，便于总体布置，并可减少平衡重量。
后拉式变幅液压缸布置在吊臂后方。
由于吊臂摆动铰点位置在前，吊臂长度可以设计得短一些，吊臂前方的有效工作空间也较大。
但后拉式在提升吊臂时，液压缸只能是小腔进油，推力小，所以只能用在小型轮胎式起重机上[7]。
前倾式变幅机构如图2-1所示。
图2-1前倾式变幅机构
前倾式变幅机构因液压缸前倾，其对动臂作用力臂较长，变幅缸的推力可以较小些，故缸径较小。
因臂的悬臂长度较短，对臂受力有利。
但也有液压缸行程较长，臂下方空间较小的缺点。
大多数全液压汽车起重机都采用此布置形式。
前倾式变幅机构可以采用一个油缸也可采用两个油缸。
本次变幅系统方案确定为前倾式变幅机构，采用两个变幅油缸。
液压缸采用双作用液压缸[7]。
变幅机构液压回路方案的确定
变幅机构在工作装置作业时，其液压缸处于闭锁状态，受负载较大，要求不能无控制自动回缩。
变幅缸的内漏和外漏会使工作幅度变大而造成重大事故。
另外，变幅机构落臂时，因载荷的重力作用，会产生重力超速现象，需要限速措施。
因此，在此机构中必须设置限速装置。
国内外大都采用使用平衡阀（限速阀）的限速回路。
平衡阀不仅能防止超速下行，也能保证整个下降过程为匀速过程[6]。
变幅机构液压回路如图2-2所示
图2-2使用平衡阀限速回路
从图2-2中可见，平衡阀的开度大小是由供油压力控制的，当落臂速度过大时，供油压力减小，从而平衡阀的开口减小落臂速度下降；反之，落臂速度过小时，供油压力增大平衡阀开口也随之增大，从而落臂速度上升，最终保证落臂速度恒定。
在变幅机构工作时，平衡阀又能具有良好的密封性[6]。
变幅机构三铰点的确定
起重机的三铰点是指臂架与转台相接的铰点、臂架与变幅液压缸相接的铰点、变幅液压缸与转台相连接的铰点。
三铰点布置是否合理，对总体设计影响较大。
理想的三铰点可使液压缸受力好，油压波动小，液压缸参数合理，整机重量轻，造型美观，桥荷分配合理，起重性能好[7]。
三铰点的运动和受力要求
三铰点可简化如图2-3所示的液压缸机构，其中OB为机架（起重机上的转台）、OA为摇杆（起重机上的臂架）、液压缸缸筒与机架铰接于B点、液压缸缸杆与连架杆铰接于A点、Φ为摇杆OA的摆角，Φ小于90°，一般在-2~80°，γ是机构运动的传动角。
当液压缸伸长是，A点由A1到A2绕O点作半径为摇杆OA长的圆周运动；AB为液压缸长，ABmax与ABmin之差为液压缸的行程，ABmax与ABmin之比应在1.6~1.8范围内，以便制造。
臂架尾铰点O至回转中心线之距E值的确定，对整机外形尺寸造型总重，起重性能以及变幅液压缸受力，各桥荷分配和主要性能参数等均有很大影响，E值大，可使上车重心后移，减小起重机行驶状态下的前桥轴荷，但同时降低工作时的幅度影响起重作业工作半径，E值取值范围为1.5~3.5m；臂架尾架铰点O至地面的距离受整机高度限制，其值大，整车重心提高，影响行驶稳定性，一般在2~3m。
图2-3液压缸机构
起重机变幅液压缸受力受载荷、臂长、幅度的影响，在工作过程中尽量是变幅液压缸推力随臂架仰角而变化的曲线平稳，也就是机构的传动角变化要小，只有这样变幅液压缸能够具有良好的工作环境和合理的机构铰点形状。
臂架油缸铰点位置确定
如图2-4变幅机构三铰点，把变幅机构三铰点的集合关系简化为三角形OAB，此三角形随着变幅油缸的伸长和缩短而变化。
图2-4变幅机构三铰点
如图2-5变幅机构运动轨迹所示，吊臂位于水平位置时，α=0°，此时三角形OAB为初始三角形，OA，OB夹角α0为初始角。
当吊臂绕铰点O转动到某一位置时，吊臂与水平线夹角为α，变幅油缸也随之伸长。
图2-5变幅机构运动轨迹
（1）铰点几何位置的计算
在三铰点中，A（XA，YA）点横坐标XA，绝对值在0.75~1.35m，可取1.2m；纵坐标YA，由吊臂结构尺寸、变幅液压缸缸杆铰点外边缘尺寸决定，根据实际安装形式可取YA=0.5m。
B（XB，YB）点纵坐标XB一般取1/3~1/2的基本臂长，由吊臂截面特性、载荷等决定，可取XB=3.8m，当臂杆处于水平时，YB=0m；
所以根据公式
将数据代入公式（2-1）（2-2）得OA=1300mm，OB=3800mm
因为吊臂仰角一般-2°~80°，可取仰角为最小角即可计算出油缸最小安装长度（初始安装长度）。
当吊臂角度最大为80°时，可计算出油缸最大安装长度（极限位置长度）。
（2）初始位置安装长度ABmin
α=αmin=20°
将数据代入公式（2-3）得ABmin=2617mm
（3）极限位置时变幅油缸长度ABmax
α=αmax=100°
将数据代入公式（2-3）得ABmax=4225mm
（4）变幅油缸行程H
本章小结
本章主要是确定变幅系统和变幅机构三铰点，然后对三铰点的受力进行分析，根据已知的数据，计算出液压缸的安装长度和最大变幅长度，从而算出变幅油缸的行程。
为下一章变幅液压缸的设计与计算打好基础。
变幅液压缸的设计与计算
液压缸的定义和组成
液压缸又称油缸，其作用类似液压马达，它将液压系统提供的液压能转变成机械能，与液压马达不同的是，液压缸用来实现直线运动或转角行程不超过360度的回转运动，产生预定的推（拉）力。
液压缸主要由缸筒、缸盖（缸底）、活塞（柱塞）、活塞杆、密封件和连接件组成，根据需要，有些液压缸上还设有缓冲和排气装置。
起重机变幅油缸推力计算
受力分析如图3-1所示
图3-1受力分析图
设O点为原点，则变幅油缸推力为
式中F为变幅油缸推力，e为油缸力矩的作用力臂，e1为臂杆重心力矩作用距离，e2为载荷有效作用力臂，G为最大载重量，Gb为臂杆自重。
其中
，根据最大起升高度为22m可以计算出e1=1.94m，e2=3.88m，然后再根据勾股定理可以计算出e=1.152m，将数据代入公式（3-1）得
。
由于此次采用两个液压缸，所以每个液压缸的推力
即
液压缸的基本机构设计
起重机工作负载高，为了使机械的结构紧凑、轻便，一般都采用高压或中压系统，所以在本次设计中根据实际工作的需求，液压系统的压力为16MPa。
臂杆变幅机构主要是通过变幅油缸的变化来实现臂杆的变幅，对其要求是能够在负载的情况下实现变幅，并且要求工作平稳，无冲击。
由于在变幅过程中，伸缩臂杆上的负载很大，所以威力是臂杆的变幅能够平稳的变化，，并较大的冲击，则要再变幅液压回路中装有平衡阀，时期能够保证在有负载的时候实现快速提升，缓慢下降。
本次主要对变幅机构液压系统的油缸进行设计计算。
内径D的计算
根据液压缸负载力F和工作压力P确定
式中
为一个变幅油缸的推力，P为变幅油缸工作压力，本次设计取16MPa，将数据代入公式中可得D=158mm。
查《机械设计手册》表如下：
表3-1液压缸内径尺寸系列单位（mm）
8
10
12
16
20
25
32
40
50
63
80
100
125
160
200
250
320
400
取整D=160mm。
活塞杆直径d的计算
活塞杆直径d一般按液压缸往复运动速度比φ计算，
式中D为液压缸直径160mm，φ往复运动比参见表3-2选取φ=1.46
表3-2速度比φ选择
压力MPa
≤10
12.5~20
≥20
速度比φ
1.33
1.46
2
将数据代入公式（3-3）中得d≥89.8mm，根据表4-3活塞杆直径尺寸系列选取d=90mm。
表3-3活塞杆直径尺寸系列单位（mm）
4
5
6
8
10
12
14
16
18
20
22
25
28
32
36
40
45
50
56
63
70
80
90
100
110
125
140
160
180
200
220
250
280
320
360
400
活塞杆工作时，一般主要受轴向拉压作用力，因此活塞杆的强度验算可直接按直杆拉压公式计算，即
式中σ为活塞杆内应力,
为液压缸最大推力，d为活塞杆的直径，将数据代入公式（3-4）得σ=50MPa。
再已知σb为材料的抗拉强度为600MPa，n为安全系数，一般取1.5~2.5之间，这里取n=2.5，代入公式（3-5）可得[σ]=240MPa。
因为σ<[σ]，所以满足强度要求。
液压缸缸筒
液压缸筒与端盖的连接
缸筒的结构和端盖的连接形式、液压缸的用途、工作压力、使用环境以及安装要求等因素有关。
端盖分前端盖和后端盖。
前端盖将液压缸的活塞杆腔密封并起着为活塞杆导向、防尘和密封的作用。
后端盖将缸筒另一端密封，并起着将液压缸和其他机件连接起来的作用。
常用的端盖与缸筒的连接形式有拉杆、法兰、焊接、外螺纹、外卡环、内螺纹、内卡环、和挡圈等八种连接方式。
其中焊接只用于后端盖的连接。
前端盖采用外螺纹连接形式，其体积小，重量轻，结构紧凑易于拆装，但缸筒端部结构较复杂。
后端盖采用焊接连接形式，该结构简单，外形尺寸小，不过焊后变形，清洗拆装有困难。
缸筒壁厚δ的计算
当δ/D≤0.08时（可按薄壁缸的缸筒的使用计算式）
当δ/D=0.08~0.3时
许用压力
机器人是人类的得力助手，能友好相处的可靠朋友，将来我们会看到人和机器人会存在一个空间里边，成为一个互相的助手和朋友。
机器人会不会产生饭碗的问题。
我们相信不会出现“机器人上岗，工人下岗”的局面，因为人们随着社会的发展，实际上把人们从繁重的体力和危险的环境中解放出来，使人们有更好的岗位去工作，去创造更好的精神财富和文化财富。
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