墙壁式旋臂起重机结构设计与分析【说明书+CAD】
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门式起重机设计I. Kh. Kaplan众所周知,当升降闸门的楔形槽的导轨是活动的,由于这两超载吊装设备和传输牵引力的增加,起重设备闸门、拦物栅、抓斗等。在门槽的导轨干扰降低是可能的。在这种情况下,吊装设备继续运行,然后从吊索,即松弛下垂的电缆发生突然的自发运动后(下降)的门时,动态负载(工件)大大超过设计负荷的情况也是时有发生的。限制超载的起重机在吊装和限制放松电缆在栅降低,负载继电器安装在起重机在起吊过程中,应提供不超过25%的额定负载的过载和下降时应提供最大松弛的电缆相当于吊索的张力。同时,同一个起重机操作不同的门架。在这种情况下,不同的牵引力提高门架要求。在楔形门或架在槽内的情况下,额定拉力的起重机加上超载25%发送到约束载荷(门架,等)。由于所需拉力操作不同的门的差异较大,在楔形约束加载工作的起重机的拉力可以导致其受到破坏。在这种情况下,在不同的约束荷载作用下,起重机的起升机构有不同的起升机构,从而导致起重机车架和起重机的整体尺寸增大。从上述两种装置中,可以清楚地表明,它所操作的起重机和受约束的负载是一个单一的系统和一个装置,该装置执行功能的保护,这两个起重机和约束的负载下的各种必要的拉力是必要的,这样的系统。为了不在起重机上安装不同容量的额外的机制,有必要创建一个特殊的装置,可以改变(或转移)所需的标称容量的起重机和起重机过载保护和约束载荷,减少电缆的各种能力。此外,长期以来一直有需要更换不可靠操作弹簧和偏心型载荷限制器。莫斯科式特别设计部钢液压结构(mosgidrostal”)开发一种用于对kambarata 2号水电站进水口和出口门式起重机起升机构控制的I。用于控制起重机起升机构装置位于起重机运输,这使得它有可能改变(在给定的情况下,对减少其容量从30100吨和保护起重机和约束载荷过载和放缓的电缆每能力。开发设计的控制装置起升机构液压缸的主要执行机构,液压装置,电气装置,这使得它可以容易地确定该起重机或slckening电缆的价值超载程度,以及黑客的控制系统(压力继电器和限开关)。此外,它成为可能选择(分配)的能力的起重机,它是由起重机操作员直接从操作舱。装置(图1):图一、水力机械图的控制装置起升机构:I)液压缸;2)起重机的车架;3)杆;4)平衡滑车;5)滑轮;6)起吊滚筒;7)限位开关;8)压力继电器;9)节流止回阀;I0)配电盘;11)配套阀门;12)压力计;13)安全阀;14)滤波器;15)止回阀;16)电动机;17)泵;18)油箱;19)尺液压活塞缸,上杆系平衡滑车。液压缸在横梁安装在滚动接触轴承体,这使得它可以安排液压油缸所需的角度,从而消除传递的水平力而产生的电缆张力在一个角度的平衡块的杆;提供工作流体压力的液压缸下为了创造必要的力油压系统。油压系统由一个焊接罐、一个齿轮泵抽油机、管道、面板、液压装置、加热系统、负温度、热继电器、检查油箱内的油温度组成;有保温和防水系统外罩。活塞试着下降,在这种情况下压力开始增加在较低的空腔。随着压力的增加变得相当于规定的过载的机制,压力继电器动作,起升机构和电机泵的关闭。在约束载荷的降低时,油压力系统也被打开,油从泵进入液压缸的上腔。活塞与平衡块和规则下。规则闭合限位开关触点。油流变化方向。油开始进入液压缸的下腔。在较低的腔压力开始增加,压力继电器工作,和起升机构被打开,以降低负载。活塞的上升不会发生,因为油在压力下相当于杆上的力,等于0.5的悬浮液,通过支护阀进入罐中。当杆上的负载减少(由于减少电缆发生),活塞开始上升,系统中的压力降。开触点的压力继电器,然后发生限位开关。该泵的起重机构和电动机被切断。装置中的油的加热装置。在低于5的空气温度下,设备的加热被打开。电热水器开始加热油,并在外壳下到达5的空气温度下,加热被关闭。罐中的油的温度制度是由一个热继电器调节。检查设备的性能,mosgidrostal的开发和制造的控制起升机构的装置。该装置是基于液压和电气设备产生的工业设计是类似的原型。试验证实该装置和业绩公布调整和规范设备的kambarata 2号水电站起重机绝缘后。设备的技术和经济指标改造(指派)的可能性,使起升机构的能力,使得有可能减少起重机的起升机构的数量,这反过来又使有可能减少起重机运输和起重机本身的尺寸和重量;限制超载起重机的增加,即准确性、起重机的超载降低由于使用代替机械部件采用弹簧或偏心型载荷限制器的电气和液压装置;在起重机的增加操作的安全性、自控制装置中备份设备;改变能力的可能性,使得它可以保护支架,箱盖,抓斗,等,因此,机械设备增加了操作可靠性和失效的概率降低;如果有必要,该设备可以作为一个独立的驱动器的能力增加一个小动力,以起升并与减少负载提升或降低速度。参 考 文 献1. I. Kh. Kaplan, Device for controlling the hoisting mechanism of cranes, Inventors Certificate No. 1428681 in Russian.2. S . N . Popchenko, Yu. N. Kasatkin, and G. V. Borisov, Asphaltic Concrete Facings of HYdraulic Structures in Russian, Energiya, Leningrad (1970).3. Recommendations on the Design of Reversed Filters of Hydraulic Structures: II-92-80/ VNIIG in Russian, Leningrad (1984).4. Yu. N. Kasatkin, Design of the composition of transition layers of asphalt concrete diaphragms in earth dams, Gidrotekh. Stroit., No. 6 (1981).5. V . F . Van Asbek, Use of Bitumens in Hydrotechnical Construction in Russian, Energiya, Leningrad (1975).任务书填写要求1毕业设计任务书由指导教师根据各课题的具体情况填写,经学生所在系的负责人审查、签字后生效。此任务书应在毕业设计开始前一周内填好并发给学生;2任务书内容必须用黑笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式(可从教务处网页上下载)打印,不得随便涂改或潦草书写,禁止打印在其它纸上后剪贴;3任务书内填写的内容,必须和学生毕业设计完成的情况相一致,若有变更,应当经过所在专业及系主管领导审批后方可重新填写;4任务书内有关“学院、系”、“专业”等名称的填写,应写中文全称,不能写数字代码。学生的“学号”要写全号(如02011401X02),不能只写最后2位或1位数字;5有关年月日等日期的填写,应当按照国标GB/T 740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求,一律用阿拉伯数字书写。如“2004年3月15日”或“2004-03-15”。毕 业 设 计 任 务 书1毕业设计课题的任务和要求: 设计任务为了解墙壁式旋臂起重机结构设计与分析的结构,要求完成墙壁式旋臂起重机的结构设计计算,并对关键件进行三维建模,分析其关键零部件的力学性能。 2毕业设计课题的具体工作内容(包括原始数据、技术要求、工作要求等):1 掌握三维设计软件及分析软件的使用技术; 2根据相关参数,熟悉墙壁式旋臂起重机的结构计算; 3根据相应计算结果对墙壁式旋臂起重机进行三维建模,绘出(或打印出)部分相关工程图;4 对所建模型进行分析; 5 撰写设计说明书: (1)设计合理,语句通顺,格式规范,图表正确,表述清晰; (2)打印成册。毕 业 设 计 任 务 书3对毕业设计课题成果的要求包括毕业设计、图纸、实物样品等):1 毕业设计开题报告一份;2 毕业设计说明书一本,要求思路清晰,语句通顺,无错别字;3 图纸一套,要求结构合理,表达正确、清晰。4毕业设计课题工作进度计划:起 迄 日 期工 作 内 容2016年2月29日 3月 20 日3月 21日 4月 20 日4月 20日 5月10日5月 11日 6月5日学习相关软件,查阅资料,撰写开题报告;熟悉开发环境,详细设计;撰写说明书;毕业答辩。学生所在系审查意见:同意下发任务书系主任: 2016 年 2月 29日 开题报告填写要求1开题报告作为毕业设计答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下,由学生在毕业设计工作前期内完成,经指导教师签署意见及所在系审查后生效;2开题报告内容必须用按教务处统一设计的电子文档标准格式(可从教务处网页上下载)打印,禁止打印在其它纸上后剪贴,完成后应及时交给指导教师签署意见;3学生写文献综述的参考文献应不少于15篇(不包括辞典、手册)。文中应用参考文献处应标出文献序号,文后“参考文献”的书写,应按照国标GB 771487文后参考文献著录规则的要求书写,不能有随意性;4学生的“学号”要写全号(如02011401X02),不能只写最后2位或1位数字;5. 有关年月日等日期的填写,应当按照国标GB/T 740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求,一律用阿拉伯数字书写。如“2016年3月15日”或“2016-03-15”;6. 指导教师意见和所在系意见用黑墨水笔工整书写,不得随便涂改或潦草书写。毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业设计情况,根据所查阅的文献资料,撰写2000字左右的文献综述:文 献 综 述1. 旋臂起重机的应用及结构旋臂起重机是一种中小型的起吊运输设备,起吊运输设备,起吊的重量范围是0-1250kg,有机械传动,液压传动和气动传动等几种型式。目前国内应用最广的是机械传动,机械起重机通常是用螺旋副驱动装置通过四连杆吊臂带动吊物升降。旋臂起重机按构造分,有立柱式旋臂起重机和壁式起重机。旋臂起重机具有结构新颖简单,操作使用方便,回转灵活,作业空间大等优点,是节能高效的物料吊运装备1可广泛使用于车间的生产线,装配线和机床的上下工件及仓库,码头等场合的重物吊运。本机由立柱,回转悬臂及环链电动葫芦等组成。立柱下端固定于混凝土地面上,悬臂可根据用户需求进行回转2。回转部分分为手动回转和电动回转(安装摆线针轮减速器与上托板配合或者下托板带动转管悬臂回转)。2. 旋臂起重机的研究进展与发展前景2.1研究进展随着我国国民经济建设进一步深入,商品流通大幅度增加,交通运输业快速发展,起重机运输机械的需求量越来越大其使用性能的要求也越来越高3。中国的起重机产业诞生于上世纪70年代,经过40余年的发展,经历了70年代引进苏联技术,80年代初引进日本技术和90年代初引进德国技术等三次主要技术改进,始终走着一条自主创新的道路。42000年以来,随着国内外技术交流的日益频繁和国产自主研发能力的显著增强,更多的国外先进技术被成功引进应用,如起重机电液比例控制技术,椭圆型截面吊臂设计和制造技术,多节臂单缸插销伸缩技术,全地面起重机油气悬挂和多模式多桥转向技术等进行了自主创新,获得自主知识产权,并将其应用在自主研发的系列大吨位轮式起重机产品上。随着国产起重机产业水品的全面提升,与国外先进技术的差距不断缩小,中国起重机产品开始在国际市场上体现出明显的竞争力,中国起重机产品开始在国际市场上体现出明显的竞争力。旋臂起重机设备属于通用机械,在二十多年高速发展过程中,已逐渐实现了规模化,集团化,机械化。在辅助加工生产中被机械行业广泛接受,能够起到实现各加工工序连续性和自动化的作用,大大提高了劳动生产效率,减轻工人劳动强度。具有工作平稳可靠,操作维护简单,方便等优点5。2.2发展前景 随着国民经济的增长,机械行业有很长一段时间处于旺盛发展阶段,整体机械行业以及未来发展过程中,旋臂起重机的使用处于不可替代,不可缺少的地位,在整体工业化过程中发挥着重要的辅助生产的作用。旋臂起重机具有以下特点:在其工作空间范围内,能够自由活动前提下保持重物自身在任意空间静止平衡。这本身就形成一个广大的市场和无数的客户群体。 旋臂起重机设备,非常适用一顿左右重量的工件定点频繁起吊运输。设计结构简单,操作灵活,特别适合于两人操作,一人控制,一人安装,效率高,制造,维护方便,在集团化,规模化生产中旋臂起重机得到肯定和普及推广。广泛用于工厂车间的机床上下料,各工序间,生产线的工件吊运,零部件装配及车间码头,仓库等场合的吊运作业,有效地减轻了工人劳动强度6。是车间里面电动葫芦和起重天车不可替代的简单实用的新设备,在机械加工领域,旋臂起重机有强大的购买力市场和广阔的发展前景。3. 旋臂起重机存在的问题与发展方向3.1存在的问题 旋臂起重机作为机械辅助加工的小型起重设备,经过20多年的发展,已形成具有一定规模的市场,在使用中发现存在诸多问题。(1) 目前,旋臂起重机产品综合性能比较差。对于旋转起重机而言,中国产品性能比日本产品强,但使用经济性,可维护性,操作便利性和可靠性相对要差7。中国产品虽然起重性能并不亚于国际品牌8,但自重偏重,使用成本高。(2) 旋臂起重机的几何结构和载荷情况比较复杂,传统的设计主要是根据经验确定其结构参数,没有精确的强度计算,为了满足可靠性要求,通常取较大的安全系数,从而造成材料浪费,成本提高9(3) 基础的技术应用水平和很多国外企业相比存在差距。国外品牌厂家重视技术应用和产品开发,如利勃海尔在吊臂设计,伸缩机设计,臂头结构设计,支腿设计,转向设计,配重自装配技术,发动机技术等方面进行了一轮又一轮的创新,大大提升了产品各方面的性能。其产品更像工艺品,有着完美的外形设计,产品设计力求均衡10.国内企业则技术研究较少,导致产品技术水平和可靠性存在差距。3.2结构优化设计软件发展历程及现行软件就优化软件发展历程而言,70年代的结构优化程序系统ACCESS是当时非线性规划的最好成就11。早期的结构优化软件是独立于商用有限元软件的,近年流行的方法是在已有商用有限元软件的基础上增加灵敏度分析和优化功能,发展成为商品化的结构优化软件 12。ANSYS是以有限元分析为基础的大型通用CAE软件,利用ANSYS将工程实际问题转化为优化模型,减少了优化设计中的编程部分,大大的减少了优化设计的时间与难度 13-14。ANSYS优化设计过程与传统过程相似,都要先确定好设计变量、约束函数和目标函数,不同的是,这些数学模型要用参数来表示。15鉴于ANSYS公司是世界上最大的CAE软件开发者,同时,用ANSYS做结构优化设计在国内十分流行,故本课题选用ANSYS进行结构优化设计。3.3发展方向及设计意义 随着现代计算机控制技术飞速发展,使得旋臂起重机的设计在综合考虑控制系统安全可靠性,操作的舒适性,机构及结构优化等方面有了更高的要求。旋臂起重机创新设计的发展方向是零部件集成化,机构简洁化,结构全面优化的整机设计;满足个性用户的特殊要求的个性化设计;满足市场多样性和低成本要求的具有新技术特征的起重机新系列产品的模块化设计;基于产品全寿命周期的方便维护维修的设计及免维护的设计;大型单台复杂产品的虚拟设计及动态仿真的实现。真正意义上的创新设计是上述诸多设计方法和技术的有机组合及综合利用。参考文献: 1 赵超凡.20t龙门起重机箱形梁力学分析及优化设计.兰州理工大学学报,2009,30(1):2125.2 陈玲.基于ANSYS的定柱式旋臂起重机的有限元分析.天津理工大学学报,2005,(2):12.3 杜波.塔式起重机计算机辅助设计软件的研究.重庆大学学报,2009,30(1):112158.4 罗欣.NS1601H型自动伸缩配重铁路起重机设计及动力学研究.大连:大连交通大学,2007.5 刘永.NS100G型100t伸缩臂式铁路起重机设计研究.大连:大连交通大学,2008.6 严正宏.起重机运动机构参数优化设计.杭州:浙江大学,2008.7 黄琳.起重机伸缩臂结构优化研究.大连:大连理工大学,2008.8 李静.工程起重机综合评价方法研究.大连:大连理工大学,2008.9 陶元芳,石小飞.基于改进微粒群算法的起重机主梁优化设计.中国工程机械学报,2012,(1):505310 蒋建平,李东旭.航天器挠性附件刚柔耦合动力学建模与仿真.宇航学报,2005,26(3):270274.11 李泉永.机械结构优化设计的回顾与展望.桂林电子工业学院学报,2000,20(4):11411912 程耿东,顾元宪,王健.我国机械优化研究与应用的综述和展望.机械强度,1995,17(2):687413 余联庆,梅顺齐,杜利珍等.ANSYS在结构优化设计中的应用.中国水运,2007,5(3):767714 张玉成.浅谈ANSYS软件在结构优化设计中的应用.科技信息,2012,12:25625715 杨周妮,吴作伟,雷铁安.ANSYS优化方法与遗传算法在结构优化方面的比较.自动化技术与应用,2004,23(7):412 毕 业 设 计 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段(途径):2.1结构方案及主要参数(1)墙壁式旋臂起重机的结构(见下图一) (图一)(2)墙壁式悬臂起重机的主要参数: 额定起重量:2t 最大回转半径:3.5m 起吊高度:3m22 设计内容(1) 确定起重机的型号和主要参数。(2) 计算相关的各项数据,确定结构尺寸参数,选择材料,并进行校核验算。(3) 进行三维建模设计(4) 对所设计结构进行力学性能分析2.3 设计方法(1) 对原零件进行材料力学计算。通过计算,以得出各种设计因素的相互关系及对强度、刚度的影响(2) 根据所确定设计结构参数,用SolidWorks画出三维模型。(3) 利用ANSYS对所设计结构进行分析。2.4进度安排2月17日-2月23日:查阅资料2月24日-3月2日 :确定毕业设计思路3月3日-3月10日 :撰写开题报告3月11日-3月26日:熟悉Solidworks环境,建立起重机三维模型3月27日-5月18日:熟悉ANSYS环境,对起重机进行结构分析5月19日-5月29日: 完成毕业论文初稿5月29日6月2日:根据指导老师意见,修改论文初稿,完成终稿,准备答辩 毕 业 设 计 开 题 报 告指导教师意见:该生设计题目为墙壁式悬臂起重机结构设计,开题之前,该生通过查阅资料,对自己要做的课题有了初步的了解。开题报告文献综述部分详细叙述了悬臂起重机的应用背景、研究现状和发展趋势,并明确了自己的设计任务。在第二部分首先明确了设计要求,确定了制定了课题研究方案,然后确定了研究的内容,并制定了设计进程。开题报告条理清晰,格式规范,内容详实,制定的研究方案合理可行。同意该生开题。 指导教师: 2016 年 3 月20 日所在系审查意见:同意开题 系主任: 2016 年 3 月 22 日墙壁式旋臂起重机结构设计与分析摘要:本次课题首先进行墙壁式旋臂起重机结构形式选择,然后将所选择结构转化为力学模型进行受力分析,并选择工件材料,确定工件尺寸。根据计算结果,在SolidWorks对所选墙壁式旋臂起重机结构进行三维建模,并运用ANSYS对所建三维模型进行静态有限元分析,分析内容包括起重机整体变形与其所受应力。墙壁式旋臂起重机是一种安装在墙壁上的起重设备,结构独特,安全可靠,具备高效、节能、省时省力、灵活等特点,在生产车间运用广泛。关键词:墙壁式旋臂起重机;三维建模;结构设计;有限元分析 Structure Design and Analysis of Wall Jib CraneAbstract This paper chose the structure of the wall jib crane first,and then translated the selected structure into mechanical model for stress analysis, and selected the parts material and designed the dimension of the parts. After the design calculation, used SolidWorks to 3D model the selected wall jib crane, and used ANSYS static finite element to analyse the 3D model. The analysis include the overall deformation of crane and its stress. The crane structure is finally obtained.The wall jib crane is a lifting equipment installed on the wall. It has many features:unique stuctures, safe, reliable, high efficiency, energy saving, time saving, labor saving, flexible and so on.So it is widely used in the production workship.Keywords: Wall jib crane;3D model;Structure design;Finite element analysisII目 录摘要Abstract目录1绪论11.1本课题研究背景及意义11.2墙壁式旋臂起重机简介21.3墙壁式旋臂起重机结构类型21.4本课题研究内容32 墙壁式旋臂起重机参数确定52.1墙壁式旋臂起重机型号与参数确定52.2 旋臂工字钢型号选择62.3 确定拉杆的材料和尺寸72.4 计算各螺栓连接72.5 确定各装配板的材料及尺寸83墙壁式旋臂起重机三维建模123.1墙壁式旋臂起重机建模方案123.2 主梁建模123.3 拉杆建模143.4装配板建模 143.5螺栓螺母调用163.6装配体建模步骤174静力分析204.1有限元分析概述204.2有限元结构分析205总结26参考文献 27致谢 291 绪论1.1 本课题研究背景及意义墙壁式旋臂起重机是一种中小型的起吊运输设备,其按结构可分为:桥架式、轻小型起重设备、臂架式,其中墙壁式旋臂起重机就是属于其中的臂架式起重机设备 。伴随着我国整体经济建设进一步提高,大幅度增加的商品流通,快速发展的运输交通业,起重机运输机械的需求量也越发突显出来,对其使用性能的要求也日益提高,在这些设备的生产过程中都必须要使用轻便快捷的起重设备。墙壁式旋臂起重机设备属于通用机械,在高速发展的20多年中,渐渐的向着规模化,集团化,机械化方向发展。在机械行业的辅助加工生产广泛接受,能够起到实现各加工工序连续性和自动化的作用,极大地提高了劳动生产率,减轻劳动强度。具有平稳可靠的工作,简单便捷的操作维护等优点。伴随着我国整体经济建设进一步提高,大幅度增加的商品流通,快速发展的运输交通业,起重机运输机械的需求量也越发突显出来,对其使用性能的要求也日益提高,虽然如此,但是随着我国制造业的发展,目前,旋臂起重机产品综合性能比较差。对于旋转起重机而言,中国产品性能比日本产品强,但使用经济性,可维护性,操作便利性和可靠性相对要差。中国产品虽然起重性能并不亚于国际品牌,但旋臂起重机的几何结构和载荷情况比较复杂,传统的设计主要是根据经验确定其结构参数,没有精确的强度计算,为了满足可靠性要求,通常取较大的安全系数,从而造成材料浪费,成本提高需要继续进行更好的研发。随着现代计算机控制技术飞速发展,使得旋臂起重机的设计在综合考虑控制系统安全可靠性,操作的舒适性,机构及结构优化等方面有了更高的要求。旋臂起重机创新设计的发展方向是零部件集成化,机构简洁化,结构全面优化的整机设计;满足个性用户的特殊要求的个性化设计;满足市场多样性和低成本要求的具有新技术特征的起重机新系列产品的模块化设计;基于产品全寿命周期的方便维护维修的设计及免维护的设计;大型单台复杂产品的虚拟设计及动态仿真的实现。真正意义上的创新设计是上述诸多设计方法和技术的有机组合及综合利用。1.2 墙壁式旋臂起重机简介起重机根据结构类型可分为:轻小型起重设备、桥架式、臂架式、缆索式 ,而墙壁式旋臂起重机属于其中的臂架式起重机,工作情况如图1-1所示。 图1-1 墙壁式旋臂起重机墙壁式旋臂起重机也可以叫做墙壁吊。墙壁式旋臂起重机自身拥有的特点就是:结构简单,使用操作过程方便,工作范围灵活,作业空间广等优点,在吊运装备中属于是节能高效的一类,在日常生产中广泛使用于车间的装配线,生产线和生产中的上下工件及仓库,货场等场合的重物吊运。墙壁式旋臂起重机又称墙壁吊,在靠近墙壁处服务于一个半圆形空间,是一种往复的,间歇动作的,短距离搬运机械,它旋转工作范围通常为180。壁式旋臂起重机用于吊起轻小型重物,它的起重范围一半为0.5t 5t,可沿着墙壁,大大的提高电动葫芦使用的工作范围,是一种非常经济的起重设备。1.3 墙壁式旋臂起重机结构类型墙壁式旋臂起重机结构类型大概分为两种,一种为带斜拉杆的结构如图1-2(2),一种为不带斜拉杆的结构如图1-2(1)。依照其实际工作需求和环境要求,灵活的选用墙壁式旋臂起重机,才能够使其发挥最大化的用途。图1-2 墙壁式旋臂起重机结构形式(带拉杆)图1-3 墙壁式旋臂起重机结构形式(不带拉杆)1.4本课题研究内容1.4.1确定起重机参数本课题为墙壁式旋臂起重机结构设计与分析,主要对所选起重机金属结构部分进行设计、建模与分析,使所设计起重机金属结构满足强度使用要求。所选起重机参数如下: 起重量:2t;回转半径:3.5m;起升高度:;旋转角度:1801.4.2 确定起重机结构与设计计算结果(1) 起重机结构确定前面提到墙壁式旋臂起重机总共有两种主要形式,本次设计由于起重机跨度大,悬臂长度过长,为了增加起重机的稳定性,则选择带有斜向拉杆形式的结构。 (2) 相关设计计算 第一步:选取各零件和组件的材料,选定主梁和拉杆的截面形状; 第二步:计算所选择各零件的受力,并对结构受力分析; 第三步:对零件进行校核,根据要求的刚度强度计算部件结构尺寸。(3)建模与分析第一步是把各个部分部件依据前期运算所确定的尺寸,在SolidWorks三维建模软件进行零件的建模,每个零件的三维模型建立完毕后,第二步依据装配关系,完成起重机的装配,在使用ANSYS软件打开装配体,加入零件材料,正确的建立零件相互间的连接关系,依照实际受力对起重机添加载荷,完成起重机的静态有限元分析。2 墙壁式旋臂起重机参数确定2.1墙壁式旋臂起重机的参数确定(1) 起重机受力 根据起重机起重量为2吨,查河北真牛起重设备有限公司电动葫芦产品手册,选取自重的电动葫芦。选择截面梁为工字钢的主梁,型号是32a,查阅钢型手册可知,理论质量。 (2) 计算主梁受力a) 对主梁作分离分析,解出受力状况如下图2-1所示:图2-1 主梁受力b) 根据结构力学知识,分析主梁的受力,及主梁为二次超静定结构,撤去B处与拉杆连接的力,以代替,如下图2-2所示:图2-2 分解受力图c) 根据三角形原理算得, ;所以,斜拉杆施加给主梁的拉力。d) 根据以上计算可得主梁受力图示如下图2-3(a),主梁所受弯矩,弯矩图如下图2-3(b)所示。(a) 主梁受力图(b) 主梁弯矩图图2-3 主梁受力、弯矩图2.2旋臂工字钢型号选择查机械设计手册,选择工字钢材料为Q235,得到Q235的性质如下:抗拉强度;屈服强度;取安全系数为S=2;许用应力,结合前面的计算结果,所以危险截面是主梁与拉杆连接的B处。这时抗弯截面系数计算得出查材料力学型钢表选择18号工字钢进行校核,此时,截面积。同时考虑轴力及弯矩M的影响,进行校核。工字钢危险截面B的下边缘各点上压应力为结果表明,18号工字钢可以满足强度要求,所以选择工字钢梁的型号为18a。2.3 确定拉杆的材料和尺寸选择强度高的材料设计拉杆,本次设计拉杆的材料选为45#圆钢。45#钢是在机械设备中常用的一种材料,其参数为:抗拉强度;屈服强度;设计中拉杆安全系数;拉杆的许用应力。综上所述,拉杆选为直径为30mm的45#圆钢。2.4 计算各螺栓连接本次起重机设计所有连接处均选用螺栓连接,将所有螺栓连接。均为铰制孔用螺栓,查机械设计螺纹表选取螺栓性能等级为4.6,螺母性能等级为4级。由选择的螺栓连接的性能等级,可得到螺栓的性能:公称抗拉强度,屈服强度。选取螺栓连接的安全系数,抗剪安全系数,。得出螺栓抗拉许用应力;抗剪许用应力;挤压许用应力2.5确定各装配板的材料及尺寸作为起重机中重要的零件,选择装配板的材料为Q235。根据之前螺栓直径及拉杆直径的计算,可以确定在各装配板上螺栓孔的直径和个数。装配板1尺寸设计 图2-6 装配板1基本尺寸 1) 装配板2尺寸设计。 图2-7 装配板2基本尺寸 2) 装配板3上尺寸设计 图2-8 装配板3上基本尺寸3) 装配板3下尺寸设计 图2-9 装配板3下基本尺寸4) 主梁安装孔尺寸设计起重机主梁选取18#工字钢。其余具体尺寸见图2-18(a)和2-18(b)(单位:mm)。 (a) 主梁根部 (b) 主梁端部图2-10 主梁安装孔3 墙壁式旋臂起重机三维建模3.1 墙壁式旋臂起重机建模方案根据前面计算所得起重机金属结构部分根据设计尺寸建出相应零件模型,然后将零件按照装配要求组装成完整的装配体用于分析,再将装配体和零件转化为工程图。对于墙壁式旋臂起重机的设计,为保证其形象性,准确性,我采用SolidWorks软件进行三维建模,SolidWorks是一款参数化,基于特征的实体造型系统,具有单一,集成的数据库功能。SolidWorks的用户可以运用智能的,基于特征的建模方法生成各种特征和实体模型及各类工艺特征,如体、腔、壳、孔、筋、槽、倒圆角及倒角等,这些功能使设计者的操作更加快捷和灵活零件建模完成后按照安装要求组装成壁式起重机,并能符合相应运动要求。3.2主梁建模1) 工字钢拉伸利用SolidWorks软件,新建零件,首先选定基准面,根据18#工字钢的截面形状和尺寸在草图中绘制工字钢截面,绘制完成后退出草图,使用拉伸命令,输入工字钢长度3500,点击完成拉伸。这样得到标准18#工字钢如图3-1。 图3-1工字钢建模2) 主梁安装孔建模得到18#工字钢的建模后,要在工字钢梁上对安装板1、安装板2及限位角钢的安装孔进行建模。首先对安装板1和限位角钢的安装孔进行建模,选定绘制草图的前视基准面,在相应的尺寸位置绘制草图如图3-2(a),草图绘制完成后退出草图,选择拉伸切除命令,即在主梁的对应位置上完成安装孔的建模如图3-2(b)。 (a) 安装孔草图 (b) 安装孔特征图3-2 主梁安装孔建模3.3斜拉杆建模图3-3 斜拉杆建模3.4装配板建模介绍装配板的建模过程时,由于装配板1、装配板2和上下装配板3结构形式相同,建模过程也类似,只是尺寸上的不同,所以只以装配板2作为示例进行介绍其建模过程。1) 装配板2建模装配板2建模的首先也是建立空心圆柱模型,该步建模过程同装配板1,只是绘制同心圆的尺寸不同,所以该步过程参考安装板1的过程。空心圆柱建模完成后,选择上视基准面绘制侧板的草图如图3-4(a),将草图两侧对称拉伸,可得到侧板如图3-4(b)。 (a) 侧板草图 (b) 侧板模型图3-4 侧板拉伸初始模型建好后,要对侧板的安装孔进行拉伸切除,选定右视基准面,按照定位尺寸与加工尺寸绘制安装孔的草图如图3-5(a),利用草图对侧板进行拉伸切除,再对安装板3的相应边线进行倒角和倒圆角,就能得到图3-5(b)所示的安装板3。 (a) 侧板草图 (b) 安装板3图3-5 安装板3建模3.5螺栓螺母调用1) 螺栓调用螺栓是标准件可以在SolidWorks中的Toolbox插件中直接调取标准件使用,减少建模时间。下面以螺栓的调用过程:a) 在SolidWorks初始界面点击右侧的“设计库”图标,在弹出的工具栏中,双击选择toolbox。b) Toolbox插入下点击现在插入,然后在弹出的各文件夹下选择“Gb”即“国标”文件夹。c) 在弹出的子文件夹中选择“bolts and studs”即螺栓文件夹,再选择六角头螺栓子文件夹下的“六角头铰制孔用螺栓 A和B级 GB/T27-1988”一项,右键点击“生成零件”选项。d) 在弹出生成螺栓属性的命令栏中,选择的螺栓,长度选择如图3-6(1),点击确定即能得到满足使用要求的简化螺栓如图3-6(2)。 (1) 螺栓属性 (2) 螺栓图3-6 螺栓调用2) 螺母调用螺母标准件的调用过程与螺栓类似,以的螺母为例介绍调用过程。前两步的打开过程和螺栓一样,只是从第三步中“Gb”下的子文件夹中要打开“螺母”文件夹,在螺母文件夹内选择“六角螺母”文件夹,选择“六角螺母 C级 GB/T 41-2000”型螺母。在弹出的螺母属性栏中选择的螺母如图3-7(1),选择完属性点击确定,就能得到符合要求的螺母如图3-7(2)。 (1) 螺母属性 (2) 螺母图3-7螺母调用3.5装配体建模步骤1) 零件导入在SolidWorks中新建装配体后,首先要插入零部件,本例中首先导入工字钢主梁,接着导入其它零件,为了装配过程中不产生混淆,相同或类似的零件最好等上一个相似零件装配完成后再导入另一个。2) 配合配合的过程就是将导入的零件按照装配关系装配的过程,介绍配合过程时,类似的配合及所用命令相同的配合只选取单例介绍。a. 装配板1与主梁配合装配板1与主梁的配合首先选定装配板1的某个安装孔,让其与主梁上与之对应的安装孔以同轴方式配合;第一步配合完成后选择选择主梁腹板的某个面和装配板侧板的面重合;该步完成后就能得到配合完成的装配板1与主梁如图3-8。图3-8 安装板1配合b. 下装配板2装配装配板1与下装配板2配合首先选定装配板2侧板安装孔与装配板1的圆柱孔配合,然后选择装配板2相应平面与装配板1侧板面平行,就可配合完成装配板1与下装配板2图3-9。图3-9 安装板2装配c. 拉杆装配将拉杆一端侧板安装孔与主梁上对应的安装孔以同轴的方式配合,再选择拉杆一端装配板上某个面与主梁的某个面重合,之后就能得到正切的配合,拉杆即装配完成如图3-10。图3-10 安装板装配将所有零件依照前面所述装配方法,按照装配关系装配完成即可得到图3-11所示完整的起重机金属结构。图3-11 起重机装配体4 静力分析4.1 有限元分析概述为了保证所设计的起重机符合使用要求,在实际生产前要对设计的结构运用分析软件进行强度及变形等静态分析。此次分析过程中,运用ANSYS软件进行起重机整体变形和起重机金属结构所受应力的分析。根据第2章介绍,起重机应用材料除了拉杆应用45#钢外,各安装板、螺栓、螺母和主梁材料都为Q235钢。在分析过程中需要添加材料性能,现查得两种材料的性能如表4-1所示:表4-1 材料性能表 性能材料 材料密度( )弹性模量( )泊松比Q23545#钢起重机结构的分析过程要明确起重机的受力大小和类型,以及起重机的约束形式,本次课题分析中,要加载的力为起重机的起升重量和电动葫芦自重,总载荷,上下安装板5为固定端,其安装面为固定约束。起重机自重在分析中添加为“地心引力”类型。起重机具体受力形式可以参考图2-1。4.2 有限元结构分析在Workbench中新建静态分析,弹出图4-1所示对话框,在第二栏“Engineering Data”双击,打开添加材料的窗口。按照表4-1给出的材料性能依次将Q235和45#钢添加进来。返回新建静态分析界面,在第三栏“Geometry”中导入在SolidWorks中建好的装配体模型,然后双击第四栏“Model”进入分析界面。下面部分介绍分析的具体过程。图4-1 静态分析对话框1) 选择零件材料在分析界面左侧工具栏如图4-2(a)中,选中零件模型,在界面左下角会出现零件属性表如图4-2(b),在“Material”下的“Assignment”栏中选择零件材料,拉杆为45#钢其余零件为Q235。 (a) 分析工具栏 (b) 零件属性表图4-2 零件材料设置2) 建立零件连接方式在图4-2(a)中的“Connection”中设置零件的连接方式,Workbench分析导入的装配体,软件默认设置相接触的零件表面为焊接,因为默认连接方式和实际连接差别不大,所以本次分析中选择软件默认添加的连接方式,对连接部分没有做修改。3) 划分网格在图4-2(a)的工具栏中选择“Mesh”划分网格,选中“Mesh”右键中选择“Generate Mesh”就能自动划分出如图4-3所示网格。图4-3 网格划分4) 添加载荷与约束在图4-2(a)的工具栏中,选中“Static Structural (A5)”右键“Insert”会弹出图4-4所示的命令栏,在弹出的命令栏中选择要加载荷、约束的类型。图4-4 载荷类型图a) 添加固定约束:选择图4-4中的“Fixed Support”为固定约束,选择后界面左下角弹出图4-5所示对话框,在“Geometry”中选择上下安装板5的安装面点击“Apply”,即可添加该固定约束。图4-5 固定约束属性栏b) 添加载荷:选择图4-4中的“Force”为载荷项,选择后界面左下角弹出图4-6(a)所示对话框,在“Geometry”中选择主梁下翼板的受力面点击“Apply”,即可添加图4-6(b)所示载荷。 (a) 载荷属性栏 (b) 加载示意图图4-6 加载过程图c) 添加重力:选择图4-4(a)中的“Standard Earth Gravity”添加标准地心引力即重力,在界面左下角弹出的图4-7所示的属性栏中选择正确的重力方向(本例为-Y方向),重力就添加完毕。图4-7 重力属性栏5) 添加求解内容在图4-2(a)的工具栏中,选中“Solution (A6)”,在图4-8所示的界面上方工具栏中选择“Deformation”下的“total”,添加起重机结构的整体变形为求解结果;再选择“Stress”下的“Equivalent (von-Mises)”添加应力求解项。图4-8 求解内容图6) 分析求解结果完成上面步骤后,点击图4-8工具栏上的“Solve”,软件就会求解出起重机结构在所加载荷与约束下的变形和应力。a) 求解出的应力结果如图4-9所示。 图4-9 应力图从求解出的结果看,最大应力,出现在拉杆上如图4-9所示,拉杆选用材料为45#钢,其最大许用应力,因此,该设计结构零件强度符合强度要求。b) 求解出的起重机变形量如图4-10所示。图4-10 变形图从从分析结果图看出,最大变形量查起重机设计手册的跨度为,起升高度为的壁式起重机允许最大变形量。,因此,该设计起重机变形没有超过允许值,符合挠度要求。综上,最终的起重机能够满足强度和挠度要求,所以最终的设计能达到课题设计要求。5 总结通过这次对墙壁式旋臂起重机的结构设计与分析,重新学习了大学四年所学的课程,了解了各学科之间的关系,进一步加强了自己所学的知识,重新学习了自己先前没有学会的知识,不仅把知识融会贯通,而且丰富了大脑,同时在查找资料的过程中也了解了许多课外知识,开拓了视野,认识了将来机械设计的发展方向。同时完善提高了自己的设计水平,为以后走向工作岗位打下良好的基础。通过阅读大量的文献资料,对墙壁式旋臂起重机结构和工作原理等技术进行了深入的了解和研究,并对该种设备的国内外技术现状进行了综述。本次设计通过学习使用SolidWorks软件进行零件绘制,零件之间的组装和零件及装配图的三维绘制等,发现了SolidWorks软件在机械制造业所发挥的重要作用。它在绘制零件方便快捷,装配起来灵活自如,转化三维视图直截了当;它把零件以三维的形式展现在设计者的眼前,很形象的突出零件各个部分的结构,便于设计者发现零件的现实性,合理性和可用性,这样就减少了因为设计而带来的不合理经济损失。而且它的二次开发也做的非常好,像一些粗糙度、形位公差、公差等用起来非常的方便。参 考 文 献1 电动葫芦产品手册Z.河北真牛起重设备有限公司.2014.2 郑荣跃.结构力学M. 北京:科学出版社.2012.06.3 吴宗泽,罗胜国,高志,李威.机械设计课程设计手册. 第四版.北京:高等教育出版社.2012.4 刘鸿文.材料力学M. 第五版.北京:高等教育出版社.2011.5 濮良贵.纪名刚.机械设计M.第八版.北京:高等教育出版社.2006. 6 王守岗.刘云峰.壁式悬臂起重机.中国专利:200920303201.3. 2010-07-21.7 杨文柱.起重吊装简易计算M.北京:机械工业出版社.2007.8 张青.张瑞军.工程起重机结构与设计M.北京:化学工业出版社.2008.9 张质文等.起重机设计手册M.北京:中国铁道出版社.1997.10 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Du ,M. KLim,KM. Liew A Nonlinear Finite Element Model for Dynamics of Flexible ManipulatorsJMechanism and Machine Theory,1996,31(8):11091119 19 Peng, Ran , Qin, Xiao Yu. Modal analysis of crane girder based on ANSYS WorkbenchJ. School of Mechanical Engineering and Automation, Xihua University, Chengdu, Sichuan.2014.致 谢就本次毕业设计,首先得感谢我的指导教师吴淑芳老师的悉心指导,在毕业设 计这短短的三个月来,为我创造了良好的学习环境,提供了很多发展机会,不仅教会我很多的专业技能,也在工作方式、治学态度上言传身教。同时感谢所有曾经教导过我、帮助过我的老师,正是因为他们多年来孜孜不倦的教诲才使得我的专业技能有很大的提高。在本文所涉及的利用SolidWorks软件对零件进行三维造型设计,墙壁式旋臂起重机的结构设计和分析,加工工艺内容,吴淑芳老师都给予了我耐心指导。她严谨的治学作风、渊博的学术造诣及热情诚恳的待人态度使我受益非浅。在此,对吴淑芳老师长期以来在专业以及生活上给我提供的指导和帮助表示衷心的感谢。同时,我感谢和我一起做毕业设计的同学们,感谢他们的鼓励与支持,感谢他们在各方面给我提供了很大的帮助。再次一并感谢所有关心、帮助过我的人们!谢谢!29
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