船塢壁行式直臂液壓升降機仰俯及回轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計

張　鑫　尹超利　馬彥杰　段其瑛　呂紅征

紐科倫(新鄉(xiāng)) 起重機有限公司

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船塢壁行式直臂液壓升降機仰俯及回轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計

張鑫尹超利馬彥杰段其瑛呂紅征

紐科倫(新鄉(xiāng)) 起重機有限公司

船塢壁行式直臂液壓升降機是以液壓為動力可沿船塢側(cè)壁的軌道行駛的載人維修升降機。以一臺載重0.5 t的維修升降機為例，利用MathCAD軟件對仰俯機構(gòu)和回轉(zhuǎn)機構(gòu)進行了受力計算，完成了仰俯機構(gòu)和回轉(zhuǎn)機構(gòu)液壓缸的選型。

船塢； 液壓升降機； 仰俯機構(gòu)； 回轉(zhuǎn)機構(gòu)

1　前言

船塢壁行式直臂液壓升降機主要由動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、起升機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、運行機構(gòu)、安全裝置等組成。整機由柴油發(fā)動機提供動力，全液壓驅(qū)動，由載人平臺上的操控臺控制。起升機構(gòu)由起升液壓缸、臂架、載人平臺、拉桿等構(gòu)成。升降機通過臂架的俯仰實現(xiàn)載人平臺的豎直移動；回轉(zhuǎn)機構(gòu)由回轉(zhuǎn)液壓缸，端梁連接裝置等構(gòu)成，通過臂的回轉(zhuǎn)實現(xiàn)載人平臺的水平移動；端梁上設(shè)有液壓行走機構(gòu)，用于帶動整個升降機沿船塢側(cè)壁軌道的運行。由液壓泵驅(qū)動液壓缸和液壓馬達，實現(xiàn)回轉(zhuǎn)、起升、行走功能。外形如圖1所示。

1.載人平臺　2.拉桿3.臂架　4.運行機構(gòu)　5.起升液壓缸　6.回轉(zhuǎn)臂　7.動力系統(tǒng)　8.安裝平臺　9.回轉(zhuǎn)液壓缸　10.端梁　11.立柱總成圖1　船塢壁行式直臂液壓升降機外形圖

以0.5 t升降機的設(shè)計為例，說明其設(shè)計過程。主要技術(shù)性能參數(shù)見表1。

表1　船塢維修平臺主要技術(shù)參數(shù)

2　仰俯機構(gòu)

仰俯機構(gòu)通過仰俯液壓缸的伸縮，推動臂架上下移動，拉桿與臂架形成平面四連桿機構(gòu)，帶動載人平臺上下移動，并保持平臺臺面始終處于水平狀態(tài)。仰俯液壓缸的作用力主要受載重量、工作平臺自重、臂架自重等因素影響。建立受力幾何模型確定俯仰角度，暫定油缸前后支點位置，計算出臂架頭部(截人平臺)的最大、最小高度。

最大仰角：θmax=57°;

最大俯角：θmin=-52.7°;

油缸后支點與臂架支點垂直距離：a=1 000 mm；

油缸后支點與臂架支點水平距離：b=100 mm；

油缸前支點距臂架支點長度：l=3 200 mm。

臂架頭部高度：Hq(θ)=Lbsinθ+0.940m

(1)

式中, θ為臂架的仰角或俯角。

根據(jù)式(1)得出：最大仰高Hθ(max)=11 m，最大俯高Hθ(min)=-8.6 m，仰俯液壓缸的長度R(θ)：

(2)

采用MathCAD軟件計算并畫出R(θ)及H(θ)在[θmin，θmax]區(qū)間的曲線[1]，可得出所需液壓缸最大長度為4.0335 m，所需液壓缸最小長度為2.4023 m。

仰俯油缸的受力簡圖如圖2所示。

圖2　仰俯液壓缸受力簡圖

仰俯液壓缸向?qū)τ贏點的力臂長度：

(3)

式中，mb為臂架自重，取mb=3 360 kg。

仰俯液壓缸的受力：

(4)

式中，mh為平臺及載重總重，取mh=mpt+m=1 000 kg。

采用MathCAD軟件計算并畫出F(θ)在[θmin，θmax]區(qū)間的推力曲線圖，可得：

仰俯液壓缸最大推力時的臂架仰角θh=max(F,0)=48.75°；

仰俯液壓缸的最大推力Ftmax=F(θh)=368 kN；

仰俯液壓缸最小推力時的臂架俯角θl=min(F,0)=-48.47°

仰俯液壓缸的最小推力Ftmin=F(θl)=287 kN。

3　回轉(zhuǎn)機構(gòu)計算

在臂架回轉(zhuǎn)過程中主要受回轉(zhuǎn)支承的回轉(zhuǎn)阻力矩、坡道阻力矩、風阻力矩、慣性阻力矩等的影響[2]。

3.1回轉(zhuǎn)支承回轉(zhuǎn)阻力矩

(1)臂架最大傾覆力矩：

(5)

式中，Mx為臂架最大傾覆力矩，kNm。

根據(jù)式(5)可得Mx=326.2 kNm。

(2)回轉(zhuǎn)支撐裝置所受的總垂直力：

(6)

根據(jù)式(6)可得Fa=42.75 7 kN。

(3)回轉(zhuǎn)支撐裝置所受的總水平力：

(7)

根據(jù)式(7)可得Fr=4.2757 kN。

(4)回轉(zhuǎn)支撐裝置全部滾球或滾珠所受的總壓力：

(8)

根據(jù)式(8)可得∑N=926.18kN。

(5)回轉(zhuǎn)支承阻力矩：

(9)

式中，ω為回轉(zhuǎn)支承回轉(zhuǎn)阻力系數(shù)，ω=0.01。

根據(jù)式(9)可得Tm=7.41 kNm。

3.2坡道阻力矩

(10)

式中,θ1為回轉(zhuǎn)平面與水平面的夾角，θ1=5°；φp為起重機回轉(zhuǎn)角度，φp=90°。

根據(jù)式(10)可得Tp=11.20 kNm。

臂架回轉(zhuǎn)時，坡道阻力矩隨回轉(zhuǎn)角度變化而變化，等效坡道阻力矩：

Tpe=0.7Tp=7.84kNm

(11)

式中，qw為工作時最大風壓，qw=150 Pa；Aw1為載重物迎風面積，Aw1=1 m2；Aw2為回轉(zhuǎn)部件迎風面積，Aw2=6.39 m2。

根據(jù)式(11)可得Tw=7.56 kNm。

3.4慣性阻力矩

起重機回轉(zhuǎn)時的慣性阻力矩，由繞起重機回轉(zhuǎn)中心線回轉(zhuǎn)的物品慣性阻力矩TgQ和起重機回轉(zhuǎn)部分的慣性阻力矩TgG組成。

(1)物品對起重機回轉(zhuǎn)中心線的轉(zhuǎn)動慣量：

(12)

根據(jù)式(12)可得JQ=4.8×104kgm2。

(2)臂架對起重機回轉(zhuǎn)中心線的轉(zhuǎn)動慣量：

(13)

根據(jù)式(13)可得Jb=2.32×105kgm2。

4.2.2 分析：UE側(cè)打開了eDRX，所以UE會在hfn:970，sfn:256到hfn:971，sfn:256這段時間內(nèi)接收paging，但是在基站側(cè)卻在hfn:971，sfn:449這個點上給UE發(fā)射paging。核查參數(shù)發(fā)現(xiàn)核心網(wǎng)側(cè)打開了eDRX，基站側(cè)未打開eDRX，配置不一致，導致Paging幀不對齊丟失。

(3)物品繞起重機回轉(zhuǎn)中心線回轉(zhuǎn)的慣性阻力矩：

(14)

式中,n為回轉(zhuǎn)速度，n=1 r/min；t為起、制動時間，t=3 s。

根據(jù)式(14)可得：TgQ=0.2667 kNm。

(4)起重機回轉(zhuǎn)部分的慣性阻力矩：

(15)

根據(jù)式(15)可得TgG=1.2902 kNm。

(5)慣性阻力矩：

(16)

根據(jù)式(16)可得Tg=1.5569 kNm。

3.5起重機回轉(zhuǎn)時需要克服的最大回轉(zhuǎn)總阻力矩

(17)

根據(jù)式(17)可得T=27.72 kNm。

等效總阻力矩Te：

(18)

根據(jù)式(18)可得Te=22.10 kNm。

3.6回轉(zhuǎn)液壓缸拉力計算

回轉(zhuǎn)液壓缸的位置圖如圖3所示

圖3　回轉(zhuǎn)液壓缸位置圖

已知：S1=550 mm，S2=850 mm，S3=3 050 mm，S4=200 mm，最小擺動角度θsmin=0°，最大擺動角度θsmax=120°。

3.7回轉(zhuǎn)油缸的支反力計算

根據(jù)回轉(zhuǎn)油缸的受力分析得出，油缸拉力、推力都做工，根據(jù)油缸特性，當油缸受拉時的壓力最大。采用MathCAD軟件計算并畫出F(θs)在[θsmin， θsmax]區(qū)間的拉力曲線圖，計算可得：

所需最大拉力Fstmax=max(F(θs) )=58.75kN;

所需最小拉力Fstmin=min(F(θs) )=27.38kN。

3.8回轉(zhuǎn)油缸行程計算

所需水平液壓缸的長度按下式計算：

(18)

根據(jù)式(18)用MathCAD軟件計算并畫出回轉(zhuǎn)油缸長度的變化曲線[3]，計算可得：

所需油缸最大長度Rsmax=max(Rs(θs) )=3 915.7 mm。

所需油缸最小長度Rsmin=min(Rs(θs) )=2 164.5 mm。

3.9回轉(zhuǎn)油缸的選型及驗算

根據(jù)上述計算結(jié)果，選擇液壓缸的型號為：GGK1-90/50x1750。其缸徑Ds缸=90 mm，桿徑ds缸=50 mm，壓力等級p=25 MPa。液壓缸的最大推力為：

最大拉力為：

滿足上述設(shè)計要求。

該液壓缸的行程S缸=1 750 mm，油缸的基礎(chǔ)長度l缸=410 mm。

油缸的最小長度Ls缸min=l缸+S缸=2 160 mm；

油缸的最大長度Ls缸max=Ls缸min+S缸=3 910 mm。

考慮上述計算數(shù)據(jù)的圓整和實際使用情況，該缸滿足要求。

4　結(jié)語

通過浮船塢維修平臺的仰俯機構(gòu)和回轉(zhuǎn)機構(gòu)的液壓缸進行計算分析，按此設(shè)計并制造的樣機經(jīng)試驗檢驗，能滿足設(shè)計和要求，達到預(yù)期效果。

[1] 張鑫，吳海召，劉新生，等. 基于MathCAD的船用起重機吊鉤不水平位移計算[J].港口裝卸,2013(05):5-6.

[2]王金諾，張質(zhì)文，等. 起重機設(shè)計手冊[S]. 北京: 中國鐵道出版社, 2013.6.

[3]張鑫. 基于阿克曼原理的16輪起重機轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計[J]. 港口裝卸,2016(01):10-13.

張鑫: 453400,河南省長垣縣河南起重機械工業(yè)園區(qū)

Design of the Pitch and Rotary Mechanism for the Hydraulic Dock Walking-on-wall Straight Arm Lift

Zhang XinYin ChaoliMa YanjieDuan QiyingLu Hongzheng

Nuleon(Xin Xiang) Crane Limited Company

Dock Walking-on-wall Straight Arm Hydraulic lift is a manned maintenance elevator with hydraulic driving system that can translate along the rail on the dock lateral wall. With the 0.5t maintenance elevator being set as the example, the force that applied on the pitch and rotary mechanism was calculated by MathCAD software. Besides, the types of hydraulic cylinder of pitch mechanism and rotary mechanism were also determined.

dock; hydrualic lift; pitch mechanism; rotary mechanism

2016-04-11

10.3963/j.issn.1000-8969.2016.05.002