基于懸臂式液壓起重機(jī)變幅機(jī)構(gòu)三鉸點(diǎn)設(shè)計(jì)的分析

劉合金（上海冠卓企業(yè)發(fā)展有限公司,上海 201508）

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基于懸臂式液壓起重機(jī)變幅機(jī)構(gòu)三鉸點(diǎn)設(shè)計(jì)的分析

劉合金
（上海冠卓企業(yè)發(fā)展有限公司,上海 201508）

摘 要：本文從變幅機(jī)構(gòu)的受力進(jìn)行分析，結(jié)合起重機(jī)的總體設(shè)計(jì)和起重機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)工作來優(yōu)化三鉸點(diǎn)的設(shè)計(jì)，對(duì)國(guó)內(nèi)外不同型號(hào)品牌的懸臂式液壓起重機(jī)的原理進(jìn)行深度的解讀分析，從變幅機(jī)構(gòu)受力分析、變幅機(jī)構(gòu)三鉸點(diǎn)合理幾何形狀的確定、變幅機(jī)構(gòu)三鉸點(diǎn)布置方案等幾方面進(jìn)行了討論，望與業(yè)內(nèi)人士溝通探討。

關(guān)鍵詞：懸臂式；液壓起重機(jī)；變幅機(jī)構(gòu)三鉸點(diǎn)設(shè)計(jì)

0 前言

懸臂式液壓起重機(jī)的設(shè)計(jì)中，最主要的硬件結(jié)構(gòu)就是變幅油缸、吊臂和轉(zhuǎn)臺(tái)。這三部分共同組成了變幅機(jī)構(gòu)，三部分的結(jié)構(gòu)關(guān)系就是本文所說的三鉸點(diǎn)關(guān)系，三鉸點(diǎn)的設(shè)計(jì)決定整個(gè)起重機(jī)的質(zhì)量好壞，并直接決定了吊臂與轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)關(guān)系，并決定了油缸參數(shù)。目前國(guó)內(nèi)外各型號(hào)的起重機(jī)的三鉸點(diǎn)布置詳情如表1所示。

表1 國(guó)內(nèi)外的部分型號(hào)鉸點(diǎn)的三角形結(jié)構(gòu)實(shí)例表

1 變幅機(jī)構(gòu)受力分析

如圖（圖1）所示，變幅機(jī)構(gòu)的三鉸點(diǎn)關(guān)系可以簡(jiǎn)化看成一個(gè)三角形關(guān)系，如圖△ABC，AB段是我們起重機(jī)的油缸，A點(diǎn)是油缸與轉(zhuǎn)臺(tái)之間的一個(gè)下鉸點(diǎn)，B點(diǎn)是油缸與吊臂的上鉸點(diǎn)，C點(diǎn)為吊臂下鉸點(diǎn)，OO’線是我們起重機(jī)當(dāng)中最核心的回轉(zhuǎn)中心線，在工作狀態(tài)下，起重機(jī)的吊臂幅度改變?yōu)镽，起重機(jī)的負(fù)載重量為Q，相對(duì)于吊臂的后鉸點(diǎn)C來說來看：

圖1

這個(gè)方程當(dāng)中，P為變幅油缸的推力值，h為油缸的推力作用在吊臂鉸點(diǎn)C上距離值，α是吊臂與地面的夾角角度，l是吊臂的長(zhǎng)度，GB是吊臂自身的重量，lB是吊臂的重心和鉸點(diǎn)C之間的距離，s是吊臂拉線的拉力值，e是隨著α角度的變化S與鉸點(diǎn)C之間動(dòng)態(tài)距離數(shù)值。因?yàn)镾·e＜＜Q（R+a）,式（1）可簡(jiǎn)化為：

式（2）表明,當(dāng)起重機(jī)的額定載荷Q確定后,油缸推力P是仰角α和力臂h的函數(shù)。仰角α和力臂h是由變幅機(jī)構(gòu)三鉸點(diǎn)的幾何形狀決定的,即△ABC的形狀決定油缸推力P。

從上述方程與結(jié)構(gòu)圖（見圖1）的關(guān)系可以看出，當(dāng)?shù)醣燮鹬貦C(jī)達(dá)到最大功率時(shí)，其額定載荷就能確定，固定的荷載用Q來表示，,油缸推力用P來表示，吊臂與地面的夾角α與吊臂高度H能用函數(shù)來解釋。夾角α與力臂的關(guān)系是由變幅機(jī)構(gòu)當(dāng)中三鉸點(diǎn)關(guān)系呈現(xiàn)的幾何形狀來決定的,這就是說△ABC的形狀能夠決定我們起重機(jī)的油缸推力P的力量大小。

2 變幅機(jī)構(gòu)三鉸點(diǎn)合理幾何形狀的確定

圖2

前支式變幅機(jī)構(gòu)的鉸點(diǎn)三角形中具體參數(shù)如圖2所示，假設(shè)鉸點(diǎn)C與A的距離為P，ρ為油缸與p的夾角，推力p與c點(diǎn)的力臂h的公式為h=p·sinρ。油缸的最大縮短長(zhǎng)度記作L0,而伸長(zhǎng)的最大長(zhǎng)度表示為L(zhǎng)’，這就能很明顯的看出L’=aL0這個(gè)關(guān)系,當(dāng)油缸達(dá)到完全縮短的程度，其吊臂與地面的角度為0度，當(dāng)油缸完全伸長(zhǎng)時(shí)，角度為A度，且當(dāng)A=90度時(shí),在△ABC中h=p。其函數(shù)圖曲線表示為圖3。

圖3

圖4

圖5

由表2和圖3、4、5函數(shù)曲線圖可以發(fā)現(xiàn),如果油缸的A鉸點(diǎn)是安置在軌跡A-A段上就會(huì)使得油缸的主推力P隨著吊臂與地面的夾角加大而大幅度增加,這種大幅度變化會(huì)使得油缸工作狀態(tài)壓力增大，會(huì)嚴(yán)重縮短油缸的使用壽命；而A-A段上，會(huì)導(dǎo)致在起臂的時(shí)候力臂的角度會(huì)大幅度縮小,這會(huì)導(dǎo)致起臂的同時(shí)油壓的指數(shù)飆升，總體壓力偏高；而布置在A2A1段就比布置在A2A3段上更合適，而具有α-P的曲線其平緩度，其鉸點(diǎn)合理布置讓結(jié)構(gòu)更加緊湊等優(yōu)點(diǎn)非常有競(jìng)爭(zhēng)力,所以A點(diǎn)通過理論計(jì)算來看設(shè)置在A2A1段比較合理的。

當(dāng)起重機(jī)油缸伸縮長(zhǎng)度是固定的時(shí)候，就已經(jīng)對(duì)其鉸點(diǎn)三角形進(jìn)行合理的計(jì)算和固定,在設(shè)計(jì)變幅機(jī)構(gòu)的部件位置安置時(shí),可以按照一定比例來改變模型三角形角度與大小,當(dāng)油缸的AB邊開始加長(zhǎng)的時(shí)候（即油缸加長(zhǎng)）,h的數(shù)值也會(huì)按照同等比例來增加,油缸的推力P這是就會(huì)隨之減小,反之，就會(huì)看到油缸開始縮短,而推力P卻在加大。并可以根據(jù)上述的α一P的曲線函數(shù)與油缸長(zhǎng)度變化函數(shù)來確定油缸的各項(xiàng)參數(shù)包括壓力、內(nèi)徑等。

3 變幅機(jī)構(gòu)三鉸點(diǎn)布置方案的討論

（1）變幅機(jī)構(gòu)三鉸點(diǎn)的布置對(duì)起重機(jī)總體布置的影響，懸臂式液壓起重機(jī)在總體布置有如下要求：

1）當(dāng)選擇起重機(jī)的時(shí)，若發(fā)現(xiàn)其起重性能一樣，應(yīng)該選擇整機(jī)的自重比較低的機(jī)型。

2）起重機(jī)進(jìn)行作業(yè)的時(shí)候，起重部分的重心位置通過設(shè)計(jì)后應(yīng)該在靠后區(qū)域,這才能增加我們?cè)谄鹬刈鳂I(yè)時(shí)的整體力矩的穩(wěn)定性；

3）轉(zhuǎn)臺(tái)、吊臂這些結(jié)構(gòu)部件的剛度與強(qiáng)度必須首先得到保證，但是其結(jié)構(gòu)要力求簡(jiǎn)單，降低機(jī)械制造的難度。

（2）從表1當(dāng)中的日本多田野產(chǎn)的1號(hào)起重機(jī)是最典型的使用前支式變幅形式的布置結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)中的A點(diǎn)保持在回轉(zhuǎn)支承的平面上方,而C點(diǎn)卻設(shè)置成了低鉸點(diǎn)。所以日產(chǎn)的起重機(jī)的基本臂的尾部形狀就比較的復(fù)雜，這需要讓起升機(jī)構(gòu)必須要設(shè)置在轉(zhuǎn)臺(tái)的平面上方,保證鋼絲繩須能經(jīng)過導(dǎo)向滑輪穿到吊臂滑輪組上。表1中2號(hào)法國(guó)產(chǎn)的品格萊牌的起重機(jī)采用了一種比較新也比較特別的布置方案。這就使我們起重機(jī)的變幅鉸點(diǎn)的三角形能夠確定,使起重機(jī)的作業(yè)部分的總重量增加,并減少一定的配重,讓重心的位置能夠靠后,所以這各型號(hào)的起重機(jī)將A點(diǎn)設(shè)置的比較靠后。為了能夠使吊臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單,C點(diǎn)就需要設(shè)置成高鉸點(diǎn),這各鉸點(diǎn)設(shè)在基本臂的尾部側(cè)面的上方。為了使起重作業(yè)部分的重心降低,這就應(yīng)盡量的把吊臂自身的布置不斷降低,這樣也就決定B點(diǎn)所在的高度。然而A點(diǎn)相應(yīng)布置也需要提高到結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)臺(tái)的腹部上面,這種布置必然會(huì)使轉(zhuǎn)臺(tái)的形狀得到相應(yīng)的改變,讓轉(zhuǎn)臺(tái)成為以板材為主的結(jié)構(gòu)。其他的型號(hào)起重機(jī)也大同小異。

4 結(jié)語(yǔ)

目前我國(guó)最常見的起重機(jī)中的變幅機(jī)構(gòu)中的單缸變幅大多采用了前支式，小型起重機(jī)到大型起重機(jī)都配置了雙缸裝置，雙缸布置的優(yōu)點(diǎn)非常的明顯，那就是副臂可以安置在主臂的下方,副臂也可采用到壓桿結(jié)構(gòu),所以重量比以往來看輕了很多,同時(shí)還可承受吊臂的側(cè)向彎矩和扭矩,增強(qiáng)了吊臂承受回轉(zhuǎn)制動(dòng)慣性力的能力,雙缸前支式尤為突出。

參考文獻(xiàn)：

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DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.037

作者簡(jiǎn)介：劉合金（1984-），男，大專，助理工程師，主要從事石油化工碼頭登船梯、液壓起重機(jī)以及庫(kù)區(qū)陸用液體裝卸臂機(jī)械設(shè)計(jì)方面工作。