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    渣斗門式起重機(jī)翻渣機(jī)構(gòu)鉸點(diǎn)布局優(yōu)化分析

    2020-11-23 08:31:36姜婷婷
    建筑機(jī)械化 2020年10期
    關(guān)鍵詞:吊具渣土起重機(jī)

    李 靖,姜婷婷

    (1.山東豐匯設(shè)備技術(shù)有限公司,山東 濟(jì)南 250200;2.山東彼岸電力科技有限公司,山東 濟(jì)南 250200)

    近年來(lái)我國(guó)地鐵工程、地下管廊等地下隧道工程發(fā)展迅速,與之配套的渣土搬運(yùn)設(shè)備是關(guān)鍵裝備之一。根據(jù)起重機(jī)械作業(yè)特點(diǎn)以及市場(chǎng)需求,為配合地下隧道工程的修建,諸多起重機(jī)械廠家采用門式起重機(jī)進(jìn)行渣土的搬運(yùn)工作,即渣斗門式起重機(jī)。渣斗門式起重機(jī)除了具備普通門式起重機(jī)的功能外,最大的特點(diǎn)是具有翻渣功能,與起升機(jī)構(gòu)配合,實(shí)現(xiàn)地下隧道的渣土提升、搬運(yùn)工作。

    目前,國(guó)內(nèi)市場(chǎng)現(xiàn)有的渣斗門式起重機(jī),多為雙梁門式起重機(jī)。配置的翻渣機(jī)構(gòu)的工作方式一般有兩種:一種是將渣斗搬運(yùn)到特制的傾倒支架上,下放門式起重機(jī)吊鉤,利用渣斗自重實(shí)現(xiàn)渣土的傾翻,該方法效率低下、缺乏靈活性;另外一種是起重小車架配置傾倒渣土機(jī)構(gòu),通過動(dòng)力裝置,采用連桿機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)渣土的傾翻,該方法工作效率高,易于控制,本文主要針對(duì)液壓式翻渣機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析優(yōu)化。

    1 液壓式翻渣機(jī)構(gòu)工作原理

    液壓式翻渣機(jī)構(gòu)的組成如圖1所示,包括小車架、翻渣機(jī)構(gòu)、渣斗等部分。翻渣機(jī)構(gòu)工作原理如下。

    圖1 液壓式翻渣機(jī)構(gòu)

    1)首先下降起重機(jī)械的起升機(jī)構(gòu)吊裝工具,直至吊具能夠吊裝渣斗的吊耳位置處,吊具采取特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),方便渣斗翻轉(zhuǎn)的同時(shí),保證渣斗的吊耳不易脫落。

    2)伸縮翻渣機(jī)構(gòu)的油缸,使得翻渣掛鉤擺出空間,以便起升機(jī)構(gòu)動(dòng)作,吊具和渣斗上升時(shí),不與掛鉤干涉。

    3)起升機(jī)構(gòu)動(dòng)作,提升渣斗,為了實(shí)現(xiàn)渣斗的翻轉(zhuǎn),提升距離保證渣斗的底部超過翻渣掛鉤的中心線位置。

    4)翻渣機(jī)構(gòu)的伸縮油缸動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)翻渣掛鉤向渣斗靠近,使得掛鉤鉤頭中心面與渣斗下部鉤點(diǎn)中心面重合,此時(shí)起升機(jī)構(gòu)動(dòng)作,下降吊具,實(shí)現(xiàn)渣斗的下部鉤點(diǎn)與翻渣掛鉤的鉤點(diǎn)重合,鎖住伸縮油缸,防止翻渣過程中,油缸動(dòng)作。

    5)繼續(xù)降低起升高度,吊具下降,由于渣斗底部與翻渣掛鉤鉸接,渣斗將以鉤點(diǎn)為圓心,進(jìn)行翻轉(zhuǎn),達(dá)到渣土傾倒的目的。

    6)渣斗翻轉(zhuǎn)至170°時(shí),待渣土傾倒完畢,上升吊具,向反方向翻轉(zhuǎn)渣斗至傾翻前狀態(tài),此時(shí)翻渣機(jī)構(gòu)伸縮油缸動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)掛鉤與渣斗底部分離。

    7)將渣斗降至裝渣土的初始位置,繼續(xù)下一個(gè)循環(huán)動(dòng)作。

    2 翻渣機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型建立

    根據(jù)翻渣機(jī)構(gòu)工作原理,便于計(jì)算將翻渣簡(jiǎn)化,模型如圖2所示,實(shí)線為機(jī)構(gòu)初始狀態(tài);虛線為終止?fàn)顟B(tài)。

    圖2 翻渣機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

    以B點(diǎn)為中心,根據(jù)力矩平衡的原理,進(jìn)行受力分析計(jì)算。設(shè)定A點(diǎn)坐標(biāo)為(xA,yA)、B點(diǎn)坐標(biāo)為(xB,yB)、C點(diǎn)坐標(biāo)為(xC,yC),得:

    式中n——油缸數(shù)量;

    F0——油缸推力;

    G——吊物、吊具架及附屬件的重量;

    l0——油缸的力臂;

    l1——吊物、吊具架及附屬件的力臂。

    由式(1)、式(2)、式(3)可知

    3 翻渣機(jī)構(gòu)仿真模型建立

    為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)仿真,需要將翻渣機(jī)構(gòu)的OB部件與大地進(jìn)行固定,伸縮油缸與OB部件之間采用鉸接副,其他部件在A、B、C三點(diǎn)同樣采用鉸接連接副,推拉油缸的缸筒與缸桿之間采用直線運(yùn)行副的方式約束,翻轉(zhuǎn)掛鉤的底面添加始終與地面平行的約束。設(shè)定需要進(jìn)行優(yōu)化的點(diǎn)位置為A、B、C三點(diǎn),在伸縮油缸處施加動(dòng)力,對(duì)此機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真,仿真模型如圖3所示。

    圖3 翻渣機(jī)構(gòu)仿真模型

    根據(jù)已知條件,對(duì)各個(gè)零部件的特征參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整、修改,直到滿足工作要求(油缸峰值最小、壓力梯度變化?。?/p>

    4 翻渣機(jī)構(gòu)的優(yōu)化過程

    優(yōu)化開始前設(shè)定兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)為:伸縮油缸作用力最小和伸縮油缸壓力變化梯度最小。優(yōu)化流程如圖4所示??刂粕炜s油缸在仿真時(shí)的運(yùn)動(dòng),根據(jù)翻渣機(jī)構(gòu)的動(dòng)作原理,模擬仿真翻渣過程,翻渣角板由初始狀態(tài)移動(dòng)到終止?fàn)顟B(tài)停止。設(shè)定伸縮油缸的作用力最大值為最小值作為最優(yōu)目標(biāo)函數(shù),通過模擬仿真,計(jì)算出油缸作用力的變化趨勢(shì)線。因優(yōu)化的點(diǎn)位置為A、B、C三點(diǎn),所以確定設(shè)計(jì)變量為xA設(shè)為DV1,yA設(shè)為DV2,xB設(shè)為DV3,yB設(shè)為DV4,xC設(shè)為DV5,yC設(shè)為DV6。

    圖4 優(yōu)化流程圖

    優(yōu)化迭代過程如圖5所示,經(jīng)過多次的迭代計(jì)算,通過曲線可以找出最優(yōu)解。

    圖5 油缸作用力優(yōu)化迭代曲線

    5 優(yōu)化結(jié)果

    進(jìn)行優(yōu)化工作前,通過經(jīng)驗(yàn)給定初始值,設(shè)置變量的步長(zhǎng)為10mm,采用ADAMS自帶的梯度法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。通過曲線可知,伸縮油缸的壓力最大值下降了30.6%,壓力梯度變化值下降了27.4%,滿足工程設(shè)計(jì)要求。輸出優(yōu)化分析結(jié)果(表1)。根據(jù)工程實(shí)際設(shè)計(jì)需要,確定最終設(shè)計(jì)的A、B、C三點(diǎn)位置分別為(190,545)、(240,755)、(240,1655)。

    表1 優(yōu)化分析結(jié)果

    6 結(jié)語(yǔ)

    本文介紹了一種液壓動(dòng)力驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)渣土傾翻的翻渣機(jī)構(gòu),利用ADAMS軟件進(jìn)行機(jī)構(gòu)鉸點(diǎn)布置的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題,在ADAMSview里建立了翻渣機(jī)構(gòu)的多剛體動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,動(dòng)態(tài)仿真各種技術(shù)參數(shù),以油缸力最大值最小化、油缸壓力變化梯度小為優(yōu)化目標(biāo),對(duì)機(jī)構(gòu)中鉸點(diǎn)位置坐標(biāo)值參數(shù)化,仿真翻渣過程,最后進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。確保機(jī)構(gòu)正常的工作狀態(tài)下,微調(diào)機(jī)構(gòu)參數(shù)化的坐標(biāo),從而最大限度地使油缸力最大值最小化,壓力變化梯度小。本文為同類型翻渣門式起重機(jī)的翻渣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)思路。

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