定柱式懸臂起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析含proe三維及16張CAD圖
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定柱式懸臂起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析
摘要：
定柱式懸臂起重機(jī)是由立柱、回轉(zhuǎn)臂、懸臂驅(qū)動(dòng)裝置和電動(dòng)葫蘆組成。立柱下端底座通過地腳螺栓固定在混凝土基礎(chǔ)上，由電機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置使懸臂回轉(zhuǎn)，電動(dòng)葫蘆在懸臂工字鋼上作往返運(yùn)行作業(yè)。它的特點(diǎn)有：自重輕，懸臂長，起重量大，安裝、操作、維修簡單。它們完全獨(dú)立，是一種理想的工作崗位起重機(jī)，并適用于室外的貨場和裝卸平臺(tái)。定柱占地面積小。對(duì)于起升凈空非常小的情況下也能獲得最大的起升高度。
本設(shè)計(jì)從整體設(shè)計(jì)出發(fā)，依次設(shè)計(jì)計(jì)算了2t定柱式懸臂起重機(jī)的懸臂和立柱的主要機(jī)構(gòu)部件。選取了螺栓，開式齒輪等主要零部件。設(shè)計(jì)了符合要求的懸臂結(jié)構(gòu)，并校核了軸承，焊縫強(qiáng)度和轉(zhuǎn)動(dòng)軸鍵的強(qiáng)度和剛度等力學(xué)性能參數(shù)。在設(shè)計(jì)過程中，運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，使各個(gè)結(jié)構(gòu)盡量達(dá)到最合理的布置和選擇。
關(guān)鍵詞:定柱式；懸臂起重機(jī)；電機(jī)；驅(qū)動(dòng)裝置；立柱
column cantilever crane’s structure design and analysis
Abstract:
The fixed-pillar cantilever crane is composed of a pillar, a swivel arm, a cantilever drive device and an electric hoist.The base of the lower end of the column is fixed on the concrete foundation by the anchor bolts, the drive device of the reducer is driven by the motor to turn the cantilever, and the electric hoist runs back and forth on the cantilever I-shaped steel.Its features are: light weight, long cantilever, large lifting weight, simple installation, operation and maintenance.They are completely independent and are ideal job cranes for outdoor yards and loading and unloading platforms.Fixed pillar covers a small area.Maximum lifting height can also be obtained with very small lifting clearance.
Based on the overall design, the main mechanism components of cantilever and pillar of 2T fixed-pillar cantilever crane are designed and calculated in turn.Main components such as bolts and open gear are selected.The cantilever structure was designed to meet the requirements, and mechanical properties such as bearing, weld strength and rotating shaft key strength and stiffness were checked.During the design process, the optimum design method is used to achieve the most reasonable arrangement and selection of each structure.
Key words: fixed pillar type; cantilever crane; motor; driving device; pillar
目錄
1 緒論 1
1.1 課題的背景 1
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 2
1.2.1 國內(nèi)起重機(jī)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 2
1.2.1 國外起重機(jī)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 2
1.3 本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容、目標(biāo)和方法 3
1.3.1主要內(nèi)容 3
1.3.2目標(biāo) 3
1.3.3方法 3
1.4定柱式旋臂起重機(jī)設(shè)計(jì)制造中應(yīng)注意的問題 4
1.4.1 撓度設(shè)計(jì) 4
1.4.2 導(dǎo)繩器的設(shè)計(jì) 4
2 懸臂起重機(jī)基本參數(shù)確定 5
2.1起重機(jī)結(jié)構(gòu)方案的擬定 5
2.2起重機(jī)主要目標(biāo)設(shè)計(jì)參數(shù)的確定 6
2.2.1 基本參數(shù)的選擇 7
2.2.2 電動(dòng)葫蘆的選擇 8
3 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì) 11
3.1懸臂工字鋼尺寸確定 11
3.2緩沖器的選擇 11
3.2.1緩沖器型號(hào)的選擇 11
3.2.2緩沖器參數(shù)的選擇 12
3.2.3緩沖器強(qiáng)度校核 12
3.3橫梁結(jié)構(gòu)尺寸的確定及校核 12
3.3.1橫梁簡化模型 12
3.3.2橫梁結(jié)構(gòu)尺寸的確定 13
3.3.3橫梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析及強(qiáng)度校核 14
3.4立柱尺寸及強(qiáng)度校核 15
3.4.1立柱相關(guān)尺寸確定 15
3.4.2立柱強(qiáng)度校核 17
3.7定柱式旋臂起重機(jī)撓度計(jì)算 17
3.8立柱外形尺寸設(shè)計(jì) 19
3.9法蘭盤尺寸的計(jì)算 20
3.10地腳螺栓強(qiáng)度校核 21
3.11 定柱式旋臂起重機(jī)確定參數(shù) 21
4 懸臂起重機(jī)三維實(shí)體建模及二維圖 22
4.1 起重機(jī)的三維實(shí)體建模 22
4.1.1 橫梁的建模 22
4.1.2 立柱的建模 22
4.1.3立柱與軸承室連接 23
4.1.4軸承室主要零部件的建模 23
4.1.5 斜臂支撐部分建模 24
4.1.6 球面墊圈、錐面墊圈 24
4.1.7 整體裝配 25
4.2 懸臂起重機(jī)二維圖 25
4.2.1起重機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖 25
4.2.2橫梁 26
4.2.3軸承室 27
4.2.4立柱 27
4.2.5法蘭盤 28
4.2.6立柱外筋板 28
4.2.7滾道 29
4.2.8滾輪及其支架 30
4.2.9懸臂支架 30
4.2.10立軸 31
5 關(guān)鍵零部件有限元分析 32
5．1 工程有限元分析的基本步驟 32
5．2 主梁建立實(shí)體模型分析 33
5．3 主梁分析報(bào)告 35
5.3.1 主梁應(yīng)力結(jié)果 35
5.3.2 主梁應(yīng)變結(jié)果 36
5.3.3 主梁位移結(jié)果 37
5.3.4 主梁設(shè)計(jì)檢查結(jié)果 39
5．4 立柱建立實(shí)體模型分析 39
5．5 立柱分析報(bào)告 42
5.5.1 立柱應(yīng)力結(jié)果 43
5.5.2 立柱應(yīng)變結(jié)果 43
5.5.3 位移結(jié)果 44
5．6 設(shè)計(jì)改進(jìn) 45
6 軸承的選用與裝配體 48
7 總結(jié) 49
參 考 文 獻(xiàn) 50
致謝 51
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(dú)特，安全可靠，具備高效、節(jié)能、省時(shí)省力、靈活等特點(diǎn)，三維空間內(nèi)隨意操作，在短距、密集性調(diào)運(yùn)的場合，比其它常規(guī)性吊運(yùn)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(dòng)裝置及電動(dòng)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(dòng)旋臂回轉(zhuǎn)，電動(dòng)葫蘆在旋臂工字鋼上作左右直線運(yùn)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(diǎn)，是節(jié)能高效的物料吊運(yùn)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(yùn)。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(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，許多起重機(jī)制造商從應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)（CAD），提高到應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行起重機(jī)的模塊化設(shè)計(jì)。根據(jù)市場調(diào)查預(yù)測的統(tǒng)計(jì)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(jì)，不僅是一種設(shè)計(jì)方法的改革，而且將影響整個(gè)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(duì)起重機(jī)的改進(jìn)，只需針對(duì)幾個(gè)需要修改的模塊；設(shè)計(jì)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(duì)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(yùn)輸業(yè)快速發(fā)展，起重運(yùn)輸機(jī)械的需求量越來越大，其實(shí)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(diǎn)頻繁起吊運(yùn)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(shì)
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(shí)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(shí)現(xiàn)了規(guī)模化、集團(tuán)化、機(jī)械化。在輔助加工生產(chǎn)中和自動(dòng)化的作用，大大提高了勞動(dòng)生產(chǎn)效率，減輕工人勞動(dòng)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(diǎn)。根據(jù)當(dāng)前我國情況來看，機(jī)械工業(yè)處于上升勢(shì)頭，汽車工業(yè)、機(jī)動(dòng)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(shí)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?cè)谠O(shè)計(jì)中應(yīng)大膽采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，充分利用計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃、計(jì)算機(jī)輔助制造、柔性自動(dòng)化系統(tǒng)等新技術(shù)、新工藝，縮短設(shè)計(jì)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(shì)
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(jí)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(shì)。
1.3 本設(shè)計(jì)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(jì)為主要內(nèi)容的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)，課題涉及機(jī)械結(jié)構(gòu)與傳動(dòng)、機(jī)械加工與裝配等。其中，分析了該起重機(jī)所要求實(shí)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(huì)運(yùn)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(dòng)葫蘆）、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、電氣系統(tǒng)、爬梯及檢修平臺(tái)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(duì)該起重機(jī)的懸臂梁設(shè)計(jì)及旋轉(zhuǎn)功能部分的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)。最終使其能很好地實(shí)現(xiàn)起重機(jī)的運(yùn)行，而且互不干涉且配合良好。并且通過此次設(shè)計(jì)，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(yùn)用到實(shí)際的工作中，提高自己的實(shí)踐能力。此次設(shè)計(jì)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(diǎn)，結(jié)合實(shí)際對(duì)定柱式旋臂起重機(jī)做出更合理的設(shè)計(jì)。
1.3.2目標(biāo)
本次設(shè)計(jì)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(jì)驗(yàn)算。功能實(shí)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(dòng)裝置及電動(dòng)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(dòng)懸臂回轉(zhuǎn)，電動(dòng)葫蘆在懸臂工字鋼上作左右直線運(yùn)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(jì)采用規(guī)范的設(shè)計(jì)計(jì)算對(duì)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(shí)，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(jì)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(jì)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(shí)和參考文獻(xiàn)信息，設(shè)計(jì)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(duì)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(yàn)結(jié)構(gòu)的靜剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性。本文還對(duì)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(yùn)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(jì)制造中應(yīng)注意的問題
1.4.1 撓度設(shè)計(jì)
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(yùn)行的小車在正常作業(yè)時(shí)不會(huì)失控；(2)臂架不能自行回轉(zhuǎn)；起重機(jī)設(shè)計(jì)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(jì)
采用單層纏繞的電動(dòng)葫蘆應(yīng)設(shè)置導(dǎo)繩器；當(dāng)采用導(dǎo)繩器時(shí)，應(yīng)能保證當(dāng)?shù)蹉^下降，鋼絲繩沒有其他外力作用時(shí)，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(duì)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(jì)的目標(biāo)是設(shè)計(jì)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(dòng)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(jí)工作制，起重量在5噸和5噸以下的中小型號(hào)。
（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(dòng)靈活和工作范圍大的特點(diǎn)。
（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(duì)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(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)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(dòng)裝置獨(dú)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(huì)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(shí)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(yùn)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(duì)于外懸掛式，內(nèi)懸掛式的軌面在懸臂內(nèi)，這樣的設(shè)計(jì)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(dòng)平穩(wěn)，精度較高。由于本次設(shè)計(jì)的懸臂起重機(jī)主要用在倉庫及車間等場所，對(duì)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(jì)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(shí)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(duì)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(gè)時(shí)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(jì)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(jí)別：
表1 起重機(jī)工作級(jí)別
根據(jù)市場調(diào)查，此型起重機(jī)在工作中，有時(shí)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(jí)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(jí)別為A4。
2.2.2 電動(dòng)葫蘆的選擇
環(huán)鏈電動(dòng)葫蘆是一種新型小型起重設(shè)備；是起吊、運(yùn)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(dòng)葫蘆是一種新型產(chǎn)品，具有提升速度快、運(yùn)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(diǎn)?？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(yùn)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(dòng)葫蘆。最終選擇定為PK10N-2F型。
圖2-6 PK型電動(dòng)葫蘆
表2 PK型環(huán)鏈電動(dòng)葫蘆技術(shù)參數(shù)
所選電動(dòng)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(dòng)葫蘆匹配的電動(dòng)運(yùn)行小車參數(shù)：
1）型號(hào)：EU10PK
2）運(yùn)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(hào)：GB706 18~56c
6）最小轉(zhuǎn)彎半徑：1.4m
該型電動(dòng)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(jì)
3.1懸臂工字鋼尺寸確定
由電動(dòng)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(hào)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(shí)t=3s,則有公式：
Ft=mv 則F=2000Kg×(14/60)m/s/3s=0.1556KN
由計(jì)算數(shù)據(jù)可知選擇的緩沖器型號(hào)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(shí)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(hào)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(diǎn)水平反力;ND為D點(diǎn)水平反力;R為A點(diǎn)垂直反力;g為重力加速度。
由選取的橫梁鋼材型號(hào)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(dòng)葫蘆小車的尺寸，即：
1）型號(hào)：EU10PK
2）運(yùn)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(hào)：GB706 18~56c
6）最小轉(zhuǎn)彎半徑：1.4m
該型電動(dòng)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(jì)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(diǎn)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(diǎn)B的彎矩圖如圖4-3：
圖4-3 節(jié)點(diǎn)B彎矩圖
比較橫梁B點(diǎn)最大彎矩:取={，}，則
滿足強(qiáng)度要求
:旋臂B 點(diǎn)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(jì)算
與計(jì)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(jì)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(jì)
立柱的最小截面通過以上的計(jì)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(duì)其他工具鋼價(jià)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(gè)軸承如圖3-9：
圖3-9 軸承室三維刨面圖
第一個(gè)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(hào)為51212（GB/T301-1995）。
第二個(gè)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(hào)22312C/W33（GB 288-1987）。
立柱底端為增加強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(diǎn)。
3.9法蘭盤尺寸的計(jì)算
在鑄造立柱的同時(shí)可以將法蘭盤同時(shí)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(duì)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(jì)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(gè)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(duì)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(gè)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(shí)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(jí)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(jì)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(hào)
懸臂長度
立柱直徑
立柱高度
地腳螺栓直徑
螺栓個(gè)數(shù)
34a
4500mm
400mm
3840mm
28mm
8
4 懸臂起重機(jī)三維實(shí)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(shí)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(jì)提供了契機(jī)，在一定程度上滿足了設(shè)計(jì)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(duì)形體的各個(gè)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(jì)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(jì)的圖樣也更容易修改。
4.1 起重機(jī)的三維實(shí)體建模
4.1.1 橫梁的建模
橫梁型號(hào)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(shí)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(shí)對(duì)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(gè)肋板，對(duì)立柱起支承作用，并有8個(gè)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(jì)的鏈接部分用了兩個(gè)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(dòng)軸承的優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)轉(zhuǎn)輕便靈活，回轉(zhuǎn)阻力??；結(jié)構(gòu)緊湊，外形尺寸（主要是高度）小；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(gè)螺栓固定在斜臂上的相應(yīng)地方，滾輪支座為一個(gè)組焊件，在相應(yīng)的地方裝配上兩個(gè)滾輪。滾輪由滾輪殼，兩個(gè)角接觸軸承和滾輪擋蓋組成，兩個(gè)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(dòng)。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(dòng)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(jì)要求，符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)，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(jì)理念。總體裝配效果如圖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(shí)，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(shí)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(gè)或多個(gè)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(diǎn)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(yùn)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(shí)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?qǐng)D4-24。
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(jià)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(jì)；
在進(jìn)行機(jī)械和汽車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)， 可以通過對(duì)可能的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行有限元法計(jì)算。根據(jù)對(duì)方案計(jì)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(duì)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(jì)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(shí)，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(xiǎn)區(qū)域和部位，提出改進(jìn)設(shè)計(jì)的方案，并
進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)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(duì)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(diǎn)并對(duì)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(duì)整個(gè)計(jì)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(shí)、
專業(yè)知識(shí)和有限元基礎(chǔ)知識(shí)，并隨分析者經(jīng)驗(yàn)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(diǎn)，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(duì)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(jì)算精度和計(jì)算效率。
3）施加邊界條件
根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(shí)體模型如下圖所示。
圖6—1 主梁實(shí)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(shí)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(gè)整體材料來分析。
首先在Simulation中建立一個(gè)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(duì)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(gè)地方如圖6—3所示，軸套內(nèi)圈在起升載荷時(shí)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(jì)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(yùn)行 命令來執(zhí)行分析，生成報(bào)告。
5．3 主梁分析報(bào)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(diǎn)，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(jì)算精度和計(jì)算效率。
表 6網(wǎng)格信息
網(wǎng)格類型:
實(shí)體網(wǎng)格
所用網(wǎng)格器:
標(biāo)準(zhǔn)
自動(dòng)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?cái)?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(gè)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(huì)影響此處的設(shè)計(jì)壽命，以及疲勞強(qiáng)度。所以可以考慮修改為一個(gè)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(duì)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(yùn)行的小車在正常作業(yè)時(shí)不會(huì)失控；
B） 臂架不能自行回轉(zhuǎn)。
起重機(jī)設(shè)計(jì)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(jí)別為A5，按照表中允許下?lián)隙扔?jì)算，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(jì)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(jì)算時(shí)，基本條件是保證零部件或構(gòu)建危險(xiǎn)截面或所選計(jì)算截面上的危險(xiǎn)點(diǎn)的計(jì)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(jì)算的精確性等因素有關(guān)。
我國《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 3811—83）對(duì)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)零件和結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度和疲勞計(jì)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(jì)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(fèi)。
5．4 立柱建立實(shí)體模型分析
立柱的實(shí)體模型如圖6—10所示。主要結(jié)構(gòu)由兩個(gè)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(gè)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(gè)整體。首先在COSMOSWORKS中建立一個(gè)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(gè)地方如圖5—12所示，分別是底面法蘭盤上的四個(gè)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(gè)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(duì)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(jì)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(duì)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(dú)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(dú)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(duì)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(diǎn)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(yùn)行命令來執(zhí)行分析，生成報(bào)告。
5．5 立柱分析報(bào)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(shí)計(jì)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(duì)等應(yīng)變
5.00081e-009
要素: 7773
(815.574 mm,
12.5 mm,
335.196 mm)
3.67259e-005
要素:
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