一種起重機(jī)的結(jié)構(gòu)及裝置機(jī)械原理計(jì)算與分析

張佳宇

摘 要：起重機(jī)是從傳統(tǒng)工業(yè)逐漸發(fā)展起來，并在現(xiàn)代工業(yè)繼續(xù)得到發(fā)展的大型機(jī)械裝置，其作業(yè)范圍廣，作業(yè)條件要求寬松，隨著核電行業(yè)的重啟復(fù)蘇，西部基建投資的加大，以及鐵路網(wǎng)路軌的建設(shè)按照計(jì)劃展開，起重機(jī)作為相關(guān)上下游產(chǎn)業(yè)，將獲得較大的市場機(jī)會(huì)，因此分析目前的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，對起重機(jī)進(jìn)行適應(yīng)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，將為該行業(yè)開拓更廣闊的市場。

關(guān)鍵詞：起重機(jī)；轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)；力矩；力的分布；穩(wěn)定性

在日常生活中，大型機(jī)械設(shè)備已經(jīng)出現(xiàn)在各個(gè)行業(yè)，其形態(tài)令我們眼花繚亂，比如起重機(jī)、潛水鉆孔機(jī)、壓路機(jī)、混凝土攪拌機(jī)等等。常見的起重設(shè)備有根據(jù)行走方式的區(qū)別可以分為履帶式吊車與輪胎式起重機(jī)兩種；輪胎式起重機(jī)一般用于碼頭或倉庫應(yīng)用，它一般用于吊裝大型的集裝箱。還有一種常見的起重機(jī)稱為汽車起重機(jī)，其特點(diǎn)是不展開其中裝置時(shí)其與汽車無異，而在展開時(shí)有需要有支撐裝置保證其平穩(wěn)而不會(huì)被吊起的重物失去平衡。

汽車起重機(jī)一般用于工程上，這種大型的機(jī)械設(shè)備自然而然就會(huì)存在一些隱患。比如汽車起重機(jī)，在日常生活中，這種機(jī)械設(shè)備當(dāng)然不難見到，但是因?yàn)椴僮鲗?dǎo)致汽車起重機(jī)側(cè)翻而造成財(cái)產(chǎn)損失或人員傷亡的事件屢見不鮮。出現(xiàn)這種事故的主要原因就是吊的重物超過了汽車起重機(jī)所規(guī)定的重量，其力矩超過了起重機(jī)的自重力矩導(dǎo)致起重臂損壞而使起重機(jī)側(cè)翻。

按照上圖所示結(jié)構(gòu)，起重機(jī)由以下幾個(gè)主要組成部分構(gòu)成：

支腿主要負(fù)責(zé)起重的穩(wěn)定性、起重臂負(fù)責(zé)具體實(shí)施吊裝、轉(zhuǎn)動(dòng)卷筒負(fù)責(zé)力臂長短的調(diào)節(jié)、鋼絲繩則相當(dāng)于柔性受力機(jī)構(gòu)，以上是起重機(jī)的主要結(jié)構(gòu)。運(yùn)行結(jié)構(gòu)是通過起重機(jī)吊起后，通過底部支撐平臺水平運(yùn)行來實(shí)現(xiàn)水平搬運(yùn)物料的結(jié)構(gòu)。而變幅結(jié)構(gòu)為臂架起重機(jī)特有的工作結(jié)構(gòu)，它類似于人的手臂可以伸展握緊等動(dòng)作，起重手臂則通過操縱變幅結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)臂架的長度和仰角的變化，即力臂的變化，在許多特殊的情形中，由于力臂太大，將起重機(jī)的自重拔起，而導(dǎo)致了起重機(jī)側(cè)翻。旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)是臂架繞著起重機(jī)的垂直軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)所采取的機(jī)械組成部分。起升結(jié)構(gòu)類似于電梯的升降原理，是用來實(shí)現(xiàn)的垂直升降的結(jié)構(gòu)，通過其實(shí)現(xiàn)在環(huán)形空間運(yùn)移動(dòng)物料，配合之前其他結(jié)構(gòu)組成部分，起重臂可以實(shí)現(xiàn)3D空間的自由運(yùn)轉(zhuǎn)。

平常生活當(dāng)中我們見到不少汽車起重機(jī)，不管是大型的或者稍微小型的起重機(jī)，它們在起吊貨物之間都會(huì)將汽車兩邊的像支架的東西升起來，這是因?yàn)樵谄鸬踔匦拓浳飼r(shí)，為了防止起重機(jī)在提重物時(shí)容易爆胎，或者把地面壓爛，這些支腿可以分散壓力，降低壓強(qiáng)，加大與地面的接觸面積，有些時(shí)候我們也會(huì)看到支腿下面還要墊大枕木的，這也是為了降低壓強(qiáng)。

而汽車起重機(jī)的起重臂是其中最復(fù)雜最重要的部分，起重臂實(shí)際含多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，由于轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的互相串聯(lián)使用，可以像手一般靈巧。吊臂為了靈活性，在設(shè)計(jì)主臂的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了副臂，汽車起重機(jī)副臂的作用是補(bǔ)充主臂的不足，當(dāng)主臂的高度不能滿足作業(yè)實(shí)際需求時(shí)，可以在主臂末端臨時(shí)連接副臂，相當(dāng)于延展了臂的作用范圍，以達(dá)到在更高的高度提升重物的目的，如高層營救等特殊場合。但副臂一般只有一節(jié)臂，其橫截面較小，剛度相對有限，只能提升較輕的物體。

如圖為建筑工地上常見的塔式起重機(jī)示意圖，這種起重機(jī)主要用于房屋建筑施工中物料的豎直或水平輸送。

以下基于上圖對其工作原理進(jìn)行分析，分析將從靜力學(xué)穩(wěn)定性，力矩穩(wěn)定性，穩(wěn)定性改善措施以及起吊自由度等4個(gè)方面展開。

1 靜力學(xué)穩(wěn)定性

起重機(jī)在起吊的作業(yè)過程中其豎直方向上的力由起重機(jī)本身的自重，以及吊起物的質(zhì)量之和組成，因?yàn)檫@兩個(gè)力在過程之中不會(huì)改變，因此本文不研究在豎直方向上的靜力學(xué)穩(wěn)定性。

在水平方向，由于起吊時(shí)全重心在起重機(jī)自重重心之外，起重機(jī)本身對地之間的擠壓力較小，只能產(chǎn)生較小的靜摩擦力，而當(dāng)重物舉起過頂時(shí)，與地面有最大的擠壓力，此時(shí)的靜態(tài)穩(wěn)定性最好：

從以上的分析可以看出，在靜態(tài)二點(diǎn)穩(wěn)定性，當(dāng)起重機(jī)的設(shè)計(jì)重心確定后，其主要依靠在作業(yè)過程中的起吊幅度，如果轉(zhuǎn)運(yùn)幅度過大，則易引起起重機(jī)離地側(cè)翻，破壞靜態(tài)力學(xué)穩(wěn)定性。

2 力臂穩(wěn)定性

由于起重機(jī)的力臂由多根通過轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)連接而成，即力臂是一組受力集合體，其最脆弱的受剪力部分在于轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，其次，由于設(shè)計(jì)可伸縮，則遠(yuǎn)端的力臂的截面積要遠(yuǎn)小于近端的截面積，因此從受力的強(qiáng)度來說，最近的一支有著最好的剛度，而最遠(yuǎn)的一支相對最為脆弱。

由杠桿的平衡條件可知，通過自重的平衡，塔式起重機(jī)的起重重量隨起吊力臂的伸展幅度而變化，起吊幅度越大，起吊重量越小，然而，通過擴(kuò)大起重機(jī)的地面支撐有效面積，則有效的伸展幅度將減小，從而達(dá)到了提升起重重力的效果，因此，在準(zhǔn)備起吊重物時(shí)，通過起重機(jī)自身重心的就近調(diào)整，可以提高起吊的穩(wěn)定性。

典型的，若最大起吊幅度為10M，配重距支架4M，若配重質(zhì)量為3T，則該起重機(jī)最大起吊幅度時(shí)能吊起的重的估算過程為：

可知，當(dāng)動(dòng)力與動(dòng)力臂不變時(shí)，阻力與阻力臂成反比，即阻力臂越大，阻力越?。蛔枇Ρ墼叫?，阻力越大。

配重的重力為：G=mg=3000kg *10N/kg=300000（N）

根據(jù)杠桿平衡原理得：

起重機(jī)在最大起吊幅度時(shí)能吊起物體的重力

如圖是液壓起重機(jī)的示意圖，O為支點(diǎn)，F(xiàn)1為動(dòng)力，B為阻力作用點(diǎn)，已知B點(diǎn)懸掛了一個(gè)重量為4000KG的物體，OB為40米，已知?jiǎng)恿Ρ跲A為20米，根據(jù)杠桿的平衡原理估算F1動(dòng)力為：

以上通過靜力學(xué)平衡列出了力學(xué)方程，以及力矩方程，分析的前提是力學(xué)穩(wěn)定性。

3 穩(wěn)定性改善措施

隨著在大型機(jī)械施工的復(fù)雜性提高，就如何在復(fù)雜地貌條件下去保證大型機(jī)械操作的安全性以及實(shí)用性，需要我們深入研究機(jī)械裝置以及機(jī)械結(jié)構(gòu)，對將來怎樣改進(jìn)這些大型的機(jī)械設(shè)備至關(guān)重要。

對于力臂較長的起重裝置，在力臂上增設(shè)滑塊，可以有效配平不對稱重量，將穩(wěn)定性提高，其理由在于：

其中活動(dòng)滑塊作為調(diào)度因子，可以作為調(diào)節(jié)項(xiàng)，起到均衡作用。

4 起吊自由度

起重臂具有類似人的手臂的靈活性，在設(shè)計(jì)中，參考了人體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和組成結(jié)構(gòu)；考慮一個(gè)6自由度的機(jī)械手，其在作業(yè)過程中，機(jī)械手在從一個(gè)自由度構(gòu)型移動(dòng)到另一個(gè)自由度構(gòu)型的時(shí)候，無法保持末端機(jī)構(gòu)始終不動(dòng)，既發(fā)生了扭轉(zhuǎn)。由此可以證明，6自由度不滿足實(shí)際應(yīng)用條件，因此自由度必須不小于7個(gè)，但同時(shí)，大于7個(gè)的自由度，由產(chǎn)生了一個(gè)自由度的冗余，如果不考慮設(shè)計(jì)備份，則更多的自由度會(huì)帶來2的冪次的控制復(fù)雜度。

在此基礎(chǔ)上考慮的7個(gè)自由度，能保證在移動(dòng)末端機(jī)構(gòu)的朝向的過程中不會(huì)由側(cè)向的位移和轉(zhuǎn)動(dòng)過程，因此移動(dòng)的時(shí)候末端機(jī)構(gòu)的三維位置可以維持平動(dòng)?？v向又可以其余自由度通過調(diào)節(jié)高度來實(shí)現(xiàn)，因此7自由度實(shí)現(xiàn)了三維空間的自由移動(dòng)。正如人手時(shí)進(jìn)行類似打羽毛球的精細(xì)動(dòng)作，這個(gè)情況下是人胳膊的末端機(jī)構(gòu)即手的三維位置可以不變，而在扣球的瞬間通過扭動(dòng)手腕實(shí)現(xiàn)切向加速。人能夠?qū)崿F(xiàn)這個(gè)復(fù)雜的動(dòng)作，就是因?yàn)槲覀兊母觳睬『糜?個(gè)自由度。如果將自由度減小至6個(gè)自由度的話，則最后的扭臂動(dòng)作不能完成。同時(shí)因?yàn)樽杂啥忍帉?yīng)扭轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，即受剪力最弱部分，則自由度越多必然導(dǎo)致機(jī)械手剛性越差?？紤]機(jī)械手有8個(gè)自由度，那么其折斷的概率會(huì)更加很多。機(jī)器人學(xué)科中對機(jī)械手臂的研究已經(jīng)證明這個(gè)問題。

5 起重機(jī)未來發(fā)展趨勢

起重機(jī)未來的發(fā)展趨勢一方面是市場容量的擴(kuò)張，一方面時(shí)是細(xì)分類型的增長。隨車起重機(jī)市場規(guī)模高速增長，預(yù)計(jì)未來五年中國隨汽車市場規(guī)模達(dá) 150億元。考慮到起重機(jī)向高噸位和高端化發(fā)展，伴隨起重機(jī)市場設(shè)備單價(jià)上升，市場規(guī)模增速應(yīng)大于銷量增速，這就為其正常發(fā)展預(yù)留出了空間。在細(xì)分類型方面，大噸位汽車起重機(jī)加速滲透，作為起重機(jī)行業(yè)新的型號增長點(diǎn)。隨著對起重機(jī)力學(xué)研究的深入，未來滿足高空作業(yè)，以及惡劣條件作業(yè)的高穩(wěn)定性產(chǎn)品也即將面世，豐富起重機(jī)的產(chǎn)品目錄。

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