自動(dòng)控制液壓板料剪切生產(chǎn)線-成品接料架設(shè)計(jì)【液壓剪板機(jī)】,液壓剪板機(jī),自動(dòng)控制液壓板料剪切生產(chǎn)線-成品接料架設(shè)計(jì)【液壓剪板機(jī)】,自動(dòng)控制,液壓,板料,剪切,生產(chǎn)線,成品,架設(shè),板機(jī) 說(shuō)明書(shū) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 題目名稱(chēng)：自動(dòng)控制液壓板料剪切生產(chǎn)線——成品接料架設(shè)計(jì) 院系名稱(chēng)： 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 2011年 05月 摘要 我這次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是自動(dòng)化板料剪切生產(chǎn)線——成品接料架的設(shè)計(jì)，我設(shè)計(jì)的接料架包括三個(gè)部分，輸送機(jī)構(gòu)、接料機(jī)構(gòu)、盛料機(jī)構(gòu)。整個(gè)板料剪切生產(chǎn)線包括開(kāi)卷機(jī)構(gòu)、展平機(jī)構(gòu)、剪板機(jī)和成品接料架，整個(gè)生產(chǎn)線要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，我認(rèn)為主要是接料架的設(shè)計(jì)。接料機(jī)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)幾個(gè)主要的功能，第一要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的升降，這要靠plc控制液壓缸的上升和下降；第二是要對(duì)板材進(jìn)行裝整，實(shí)現(xiàn)板材的整齊；第三是要把整理后的板材輸送出去。整個(gè)生產(chǎn)線最難實(shí)現(xiàn)的是如何實(shí)現(xiàn)幾個(gè)機(jī)構(gòu)的同時(shí)性和協(xié)調(diào)性，以及對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線的自動(dòng)控制。 板料的剪切從開(kāi)卷、展平、剪切，到接料、打包等是一個(gè)專(zhuān)業(yè)化得流程，需要綜合的考慮整個(gè)加工生產(chǎn)過(guò)程和各種裝備的布置和諧問(wèn)題，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)控制生產(chǎn)線。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的另一個(gè)任務(wù)是通過(guò)實(shí)習(xí)調(diào)研、綜合考慮各方面因素選擇合適的剪板機(jī)。 關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制 剪板機(jī) 接料架 Abstract I graduated from the main content of this design is automatic sheet shear line - finished the design of pick feeder, I designed to answer the feeder consists of three parts, transportation agency, answer the institution, cheng institution. The whole sheet shear line including open-book institutions, flattening institutions, plate shears and finished products meet feeder, the whole production line to realize automation production, I think is mainly connect feeder design. Connect institution to achieve several major function, the first to realize automation fluctuation, this must depend on the PLC control hydraulic cylinder of rising and falling; The second is to install the whole, to material and realize plank; The third is to put finishing the plank after conveying out. The whole production line of the most difficult realization is how to realize several institutions at the same time sex and coordination of the whole production line, as well as the automatic control. The shear sheet from open-book, flattening, shear, to meet materials, packaging, is a specialized must flow, require comprehensive considering the whole processing production process and various equipment arrangement harmonious problem, so it need to design an automatic production line. The graduation design another task is through the practice research, comprehensive account of various factors choose appropriate plate shears. Keywords: automatic control plate shears meet rack 目錄 摘要 1 目錄 3 1 課題調(diào)研 4 2 方案論證 5 3 剪板機(jī)的選型 6 4 輸送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 7 4.1 輸送機(jī)構(gòu)的總述 8 4.2 電機(jī)的選擇 8 4.3 減速器的選擇 9 4.4 平帶的選取 9 4.5 滾子鏈的選取和鏈輪的設(shè)計(jì) 9 4.6 V 帶的選取帶輪的設(shè)計(jì) 11 5 升降架的設(shè)計(jì) 15 5.1 升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 15 5.2 液壓缸的設(shè)計(jì) 16 5.2.3 主軸上鍵的連接強(qiáng)度計(jì)算 17 6 總結(jié) 20 7 參考文獻(xiàn) 21 8 致 謝 22 引 言 隨著現(xiàn)在科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在加工制造設(shè)備、加工制造技術(shù)越來(lái)越向智能化、自動(dòng)化方向發(fā)展，傳統(tǒng)的傳動(dòng)、加工方式已不能適應(yīng)現(xiàn)在技術(shù)的要求，而液壓、氣動(dòng)傳動(dòng)方式具有很大的優(yōu)點(diǎn)，因此現(xiàn)在的設(shè)備多采用液壓傳動(dòng)?，F(xiàn)在加工設(shè)備要求加工效率高、操作方便、減小工人的勞動(dòng)強(qiáng)度以及改善工作環(huán)境。如，傳統(tǒng)的板料剪切基本都是手動(dòng)操作，要求工人技術(shù)水平高，不但工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境惡劣，而且危險(xiǎn)性高，因此需要設(shè)計(jì)自動(dòng)控制液壓板料剪切生產(chǎn)線，這是提出本課題的原因和目的，目前市場(chǎng)上已經(jīng)有了相關(guān)的生產(chǎn)設(shè)備，但大都是拼接組裝而成，沒(méi)有整套的設(shè)備，且有些仍然是半自動(dòng)化、半手工的操作方式。尤其是成品接料方面大都是手工接料，要求工人自己去做，且不具備自動(dòng)計(jì)數(shù)功能，有些雖然才用一些自動(dòng)接料裝置，但其設(shè)計(jì)裝置多少多有些不合理的地方，仍然有改進(jìn)的空間，這就是我這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)——成品接料架設(shè)計(jì)。 板料的剪切從開(kāi)卷、展平、剪切，到接料、打包等是一個(gè)專(zhuān)業(yè)化得流程，需要綜合的考慮整個(gè)加工生產(chǎn)過(guò)程和各種裝備的布置和諧問(wèn)題，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)控制生產(chǎn)線。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的另一個(gè)任務(wù)是通過(guò)實(shí)習(xí)調(diào)研、綜合考慮各方面因素選擇合適的剪板機(jī)。 1 課題調(diào)研 在老師的帶領(lǐng)下我們整個(gè)課題設(shè)計(jì)小組到鄭州的鋼材市場(chǎng)進(jìn)行了金屬板材的加工和銷(xiāo)售情況的調(diào)研，通過(guò)這次調(diào)研使我對(duì)我所要做的課題有了更深的了解和認(rèn)識(shí)，為我今后的設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)。金屬板材的應(yīng)用十分廣泛，涉及到工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)方面，金屬板材型號(hào)、種類(lèi)繁多，用途也各不相同。關(guān)于金屬板材的剪切加工，目前市場(chǎng)上大都仍然是手工操作，自動(dòng)化、半自動(dòng)化剪切生產(chǎn)線則很少，且所用機(jī)器陳舊，大都是十幾年的產(chǎn)品，年久失修存在很大的安全隱患。我在鋼材市場(chǎng)也見(jiàn)到了幾家自動(dòng)化的板材剪切生產(chǎn)線，但他們的生產(chǎn)線都是設(shè)備組裝而成，在整體以一體化方面存在缺陷，如剪板機(jī)和開(kāi)卷機(jī)、展平機(jī)并不配套。 根據(jù)這次調(diào)研，目前市場(chǎng)上最常用的金屬板材的厚度為0.25—1.2mm，而最常用的板材為優(yōu)質(zhì)鋼，我在市場(chǎng)上也見(jiàn)到了一些比較厚的鋼板，最厚的大約有5mm，但是這種鋼板用的并不多，因此在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中不予考慮。據(jù)我了解，目前市場(chǎng)上所使用的鋼板大都長(zhǎng)超不過(guò)5m，寬超不過(guò)3m，因此我決定本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的板材規(guī)格為厚0.25—1.2mm，寬0—2m，長(zhǎng)0—5m，剪板機(jī)的選型及開(kāi)卷、展平機(jī)構(gòu)將據(jù)此設(shè)計(jì)。 2 方案論證 要實(shí)現(xiàn)整條生產(chǎn)線的自動(dòng)化生產(chǎn)，包括展平、開(kāi)卷、剪切部分都很容易實(shí)現(xiàn)，只有在其接料方面則不容實(shí)現(xiàn)，這也是為什么市場(chǎng)上大都是半自動(dòng)化生產(chǎn)的原因。其他部分裝置都有專(zhuān)門(mén)的廠家設(shè)計(jì)生產(chǎn)，只有接料架沒(méi)有形成固定的模式，用戶(hù)只有根據(jù)自己的實(shí)際情況自己來(lái)解決接料問(wèn)題。這也是我這次畢業(yè)設(shè)計(jì)所要解決的問(wèn)題，在如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)接料，據(jù)我了解目前市場(chǎng)上主要有兩種方案。 l 剪板機(jī)把板材剪掉后落在一個(gè)特制床身上，通過(guò)一個(gè)皮帶的傳動(dòng)從而板材傳輸出去后落在一個(gè)接料斗里，同時(shí)完成板料的整理和計(jì)數(shù)，通過(guò)一個(gè)液壓缸控制接料斗的升降，然后在完成剪切生產(chǎn)后再通過(guò)鏈條傳動(dòng)從而把板料傳導(dǎo)出去，最后用鏟車(chē)把板料產(chǎn)走。 l 2.剪板機(jī)把板材剪掉后直接落在接料架上，同時(shí)完成板料的整理和計(jì)數(shù)，接料架安裝在導(dǎo)軌上實(shí)現(xiàn)接料架的前后移動(dòng)，從而調(diào)節(jié)所剪板料的長(zhǎng)度，等板料剪到所需時(shí)停止剪切，通過(guò)一個(gè)塔吊把板料吊出。 l 分析這兩種方案各有各的優(yōu)缺點(diǎn)，第一種方案的優(yōu)點(diǎn)是:能夠?qū)崿F(xiàn)完全的自動(dòng)化生產(chǎn)，整個(gè)接料系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且接料架能夠升降從而能夠?qū)崿F(xiàn)接料的平穩(wěn)和一次接受更多的板料；缺點(diǎn)是：整條接料線有點(diǎn)復(fù)雜，且對(duì)板料的長(zhǎng)寬都有一定限制，畢竟接料架的尺寸不可能很大。第二種方案的優(yōu)點(diǎn)是：整個(gè)接料結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，可以調(diào)節(jié)所剪板料的長(zhǎng)度，從而可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)板料的接收；缺點(diǎn)是：不能調(diào)節(jié)接料架的升降，且板料不能直接移出需要塔吊吊出。 綜合考慮以上兩種方案。第一種方案比第二種方案結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、更容易實(shí)現(xiàn)、工作效率更高，因此選擇第一種方案。 3 剪板機(jī)的選型 據(jù)我對(duì)市場(chǎng)上剪板機(jī)的了解，目前廠家生產(chǎn)的剪板機(jī)主要是液壓自動(dòng)控制剪板機(jī)，而傳統(tǒng)的電動(dòng)剪板機(jī)則已經(jīng)很少。液壓傳動(dòng)具有傳動(dòng)功率大、傳動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)效率高等很多優(yōu)點(diǎn)，且有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制等。 根據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求，板材的厚度在0-0.4mm之間，板材的最大寬度不超過(guò)兩米，因此選擇泰安聯(lián)大鍛壓設(shè)備制造有限公司的產(chǎn)品。 剪板機(jī)的型號(hào)為:QC11-4×2000 可剪板厚 可剪板寬 剪切角 主電機(jī)功率 滿(mǎn)載行程次數(shù) 重量 4mm 2000mm 0.5°—2° 5.5KW ≤12次/min 3500kg 圖3.1 所選剪板機(jī)樣品 詳細(xì)介紹： 本機(jī)采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，液壓傳動(dòng)，蓄能器回程，工作平穩(wěn)可靠，體積 小、重量輕、剛性好、噪音低。 調(diào)整刃口間隙迅速方便，機(jī)器設(shè)有前托料及后擋料。后擋料采用錐齒輪機(jī)械傳動(dòng)，調(diào)節(jié)方便可靠。前托料采用標(biāo)尺計(jì)數(shù)擋塊定位，另外設(shè)有燈光對(duì)線、便于劃線及板料的剪切。本機(jī)可無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)上刀架的行程量（時(shí)間繼電器），以提高剪切板料的效率。剪切角可調(diào)可適應(yīng)不同的板厚。機(jī)器還裝有防護(hù)柵，保證了操作安全。 4 輸送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 圖4.1輸送機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)圖 1.電機(jī) 2.滾子鏈輪 3.減速器 4.v帶輪 5.平帶 6.滾動(dòng)軸 4.1 輸送機(jī)構(gòu)的總述 板材從剪板機(jī)上剪下厚落在如上圖所示的輸送板上，通過(guò)平帶的運(yùn)動(dòng)把板料輸送到接料架上，所選剪板機(jī)的最大剪板寬度為2m，設(shè)計(jì)所剪板材的最大長(zhǎng)度為3m。 因?yàn)樵O(shè)計(jì)剪切板材的最大長(zhǎng)度為3m、寬為2m，屬于長(zhǎng)距離傳動(dòng)，考慮采用帶傳動(dòng)，板材被切下來(lái)后直接落在傳動(dòng)帶上，利用帶與板材之間的摩擦力把板材傳到接料架上。電機(jī)的選擇，因?yàn)閭鲃?dòng)力很小，因此選擇小功率的電機(jī)，因傳動(dòng)速度不大，因此需要用減速器減速。 4.2 電機(jī)的選擇 電動(dòng)機(jī)的容量選擇的是否合適,對(duì)電動(dòng)機(jī)的正常工作和經(jīng)濟(jì)性都有影響。容量選的過(guò)小,不能保證工作機(jī)的正常的工作或使電動(dòng)機(jī)因過(guò)載而過(guò)早的損壞;而容量選的過(guò)大,則電動(dòng)機(jī)的價(jià)格較高,能力又不能充分利用,而且由于電動(dòng)機(jī)經(jīng)常不滿(mǎn)載運(yùn)行,其效率和功率因數(shù)都較低,增加電能消耗而造成能源的浪費(fèi)。因?yàn)樗桦姍C(jī)的功率不大，工作評(píng)穩(wěn)，工作環(huán)境不惡劣，因此可以選取普通的三相異步電動(dòng)機(jī)，查機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)第21章有關(guān)三相異步電動(dòng)機(jī)介紹。Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)是按照國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，具有國(guó)際互換性的特點(diǎn)。起中Y系列（IP44）電動(dòng)機(jī)為一般用途全封閉自扇冷式籠型三相異步電動(dòng)機(jī)，具有防止灰塵、貼鐵屑或其他雜物侵入電機(jī)內(nèi)部之特點(diǎn)，B級(jí)絕緣，工作環(huán)境溫度不炒股+40℃，相對(duì)濕度不超過(guò)95%，海拔高度不超過(guò)1000m，額定電壓380V，頻率50Hz。適用于無(wú)特殊要求的機(jī)械上，如機(jī)床、泵、風(fēng)機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、攪拌機(jī)、農(nóng)業(yè)機(jī)械等。 因?yàn)殡姍C(jī)需要帶動(dòng)減速器，而減速器需要帶動(dòng)滾動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，有功率損耗，因此電機(jī)的功率不應(yīng)過(guò)小，要選擇合適的功率，也可以起到保護(hù)電機(jī)的作用。 選取電機(jī)的型號(hào)為Y112M-4,額定功率4kw，額定轉(zhuǎn)速1440r/min，同步轉(zhuǎn)速1500r/min，質(zhì)量68kg。 4.3 減速器的選擇 減速器應(yīng)選擇傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小的減速器。因?yàn)樾枰淖児β蕚鲃?dòng)的方向，因此初步選擇渦輪蝸桿減速器。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本第五版減（變）速器·電機(jī)與電器，CW型圓弧圓柱蝸桿減速器減速器。該減速器具有整體機(jī)體、模塊化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，用于傳遞兩交錯(cuò)軸間的運(yùn)動(dòng)和功率的機(jī)械傳動(dòng)，如冶金、礦山、起重、化工、建筑、建材、能源及輕工等行業(yè)的機(jī)械設(shè)備。適用范圍為：減速器輸入軸轉(zhuǎn)速不大于1500r/min；減速器工作環(huán)境溫度-40-40℃，當(dāng)工作環(huán)境溫度低于0℃，啟動(dòng)前潤(rùn)滑油必須加熱到0℃以上，或采用低凝固點(diǎn)的潤(rùn)滑油，當(dāng)工作環(huán)境溫度高于40℃時(shí)，必須采取冷卻措施；減速器輸入軸可正方兩方向旋轉(zhuǎn)。選用減速器型號(hào)為CW型圓弧圓柱蝸桿減速器，型號(hào)為CW80-25-IF JB/T7935-1999 中心距80mm，高H280mm，輸入功率4.06kw，傳動(dòng)比12.5。 4.4 平帶的選取 因?yàn)槠綆У氖芰Σ淮?，但有較大的接觸，磨摩擦力很到，因此平帶應(yīng)當(dāng)選擇耐磨型號(hào)的。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 單行本 機(jī)械傳動(dòng)。 平帶的選取為普通的平帶，帶寬b160mm，所需環(huán)形帶長(zhǎng)因超過(guò)平帶最大環(huán)形帶內(nèi)軸長(zhǎng)度，因此需要接取，所需長(zhǎng)度根據(jù)具體使用時(shí)來(lái)定。 4.5 滾子鏈的選取和鏈輪的設(shè)計(jì) 鏈傳動(dòng)是一種繞性傳動(dòng)，它是有鏈條和鏈輪組成，通過(guò)鏈輪輪齒與鏈條鏈接的嚙合來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。與摩擦型的帶傳動(dòng)相比，鏈傳動(dòng)無(wú)彈性滑動(dòng)和整體打滑現(xiàn)象，因而能保持準(zhǔn)確的平均傳動(dòng)比，傳動(dòng)效率較高；又因鏈條不要像帶那樣張的很緊，所以作用與軸上的徑向壓力較小。 滾子鏈的選取和鏈輪的設(shè)計(jì)。滾子鏈的規(guī)格和主要參數(shù)。ISO鏈號(hào)08B. 節(jié)距p12.7. 滾子直徑d18.51. 排距17.8. 抗拉載荷單排13.8KN/min，雙排27.6KN/min。 滾子鏈鏈輪的設(shè)計(jì)：滾子鏈輪的連接軸dk=50mm. 圖4.2滾子鏈的結(jié)構(gòu)示意圖 分度圓直徑 = （4-1） 齒頂圓直經(jīng)（4-2） 齒根圓直徑 （4-3） 齒高 （4-4） 確定的最大軸凸緣直徑： （4-5） 滾子鏈鏈輪軸向齒廓： 齒寬 單排 =0..93=0.93×7.75=7.21 （4-6） 齒側(cè)倒角 公稱(chēng)=0.13p=0.13×12.7=1.65 齒側(cè)半徑 4.6 V 帶的選取帶輪的設(shè)計(jì) 4.6.1 確定計(jì)算功率 = (4-7) =kW 式中 ——傳動(dòng)的額定功率（） ——工作情況系數(shù) 查表8-6[4]，載荷變動(dòng)較大，軟啟動(dòng)每天工作時(shí)間小于10小時(shí)，取=1.2。 4.6.2 選擇帶型 根據(jù)=4.8kW和主動(dòng)帶輪（小帶輪）轉(zhuǎn)速= r/min，查圖8-8[4]中選定A型V帶。 4.6.3 確定帶輪的基準(zhǔn)直徑 查參考文獻(xiàn)[4]取主動(dòng)輪基準(zhǔn)直徑=mm。 4.6.4 驗(yàn)算帶的速度 = = =m/s 由于過(guò)小，表示所選的過(guò)小，這將使所需要的有效拉力過(guò)大，即所需要的跟數(shù)過(guò)多，于是帶輪的寬度，軸徑及軸承的尺寸都要隨之增大。 取=mm = =m/s =m/s 由于過(guò)小，表示所選的過(guò)小，這將使所需要的有效拉力過(guò)大，即所需要的跟數(shù)過(guò)多，于是帶輪的寬度，軸徑及軸承的尺寸都要隨之增大。 取=mm = =m/s =m/s ===640mm 并按照V帶輪的基準(zhǔn)直徑系列進(jìn)行圓整,圓整后 =640mm 4.6.5 確定中心距和帶輪的基準(zhǔn)長(zhǎng)度 由于中心距未給出,可根據(jù)傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)需要初步中心距取 代入=mm , =mm mm 取=mm =mm,根據(jù)帶傳動(dòng)的幾何關(guān)系,按下式計(jì)算所需帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度 ≈++ + (4.8) ≈mm =mm 由參考文獻(xiàn)[7]表33.1－9取=mm，由于V帶的中心距一般是可以調(diào)整的,故采用下式進(jìn)行近似計(jì)算 ≈ =mm =mm 考慮安裝調(diào)整和補(bǔ)償預(yù)緊力(如帶伸長(zhǎng)而松弛后的緊張)的需要，中心距的變化范圍為 ==mm＝mm ==mm=mm。 4.6.6 確定帶的根數(shù) （4-9） 式中 ——包角系數(shù)，查得0.91 ——長(zhǎng)度系數(shù)，查得1.13 ——單根V帶的基本額定功率，查得0.94kW ——單根V帶額定功率的增量,查得0.5kW[4] 代入數(shù)據(jù)得 ==2根 圖4.3 V輪示意圖 V帶輪有輪緣、輪輻和輪轂組成。根據(jù)輪輻結(jié)構(gòu)的不同，v帶輪可以分為實(shí)心式、腹板式、孔板式、橢圓輪輻式。 帶輪選實(shí)心式帶輪。帶輪的參數(shù)：d1=2d=2×28=56. 寬B=15+9×2=33 L=2d=56 dd=160 ψ=38 o [4] 驗(yàn)算平帶的傳動(dòng)速度:設(shè)計(jì)剪板機(jī)每分鐘剪十快板，即傳動(dòng)帶最多用六秒把板材傳出去。有電機(jī)轉(zhuǎn)速為1440r/min,v帶的傳動(dòng)比i=1，減速器的傳動(dòng)比i=12.5， 因此平帶的傳動(dòng)速度v=/s=0.6m/s＞0.5m/s，因此符合設(shè)計(jì)要求。 軸是組成機(jī)器的主要零件之一。一切做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)零件，都必須安裝在軸上才能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力的傳遞，軸主要是支撐回轉(zhuǎn)零件及傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。 軸按照承受載荷的不同，可分為以下三類(lèi)： l 轉(zhuǎn)軸 既承受彎矩又承受扭矩。 l 心軸 只承受彎矩不承受扭矩。 l 傳動(dòng)軸 只承受扭矩不承受彎矩。 按軸線形狀的不同，可分為兩種： l 曲軸 通過(guò)連桿可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)改變?yōu)橥鶑?fù)直線運(yùn)動(dòng)，或作相反的運(yùn)動(dòng)變換。 l 直軸 直軸又可按外形分為光軸和階梯軸[4]。 本次設(shè)計(jì)的剪板機(jī)采用的是直軸。滾動(dòng)軸因?yàn)橹饕惺艿氖桥ぞ?，且承受的扭矩不大，因此滾動(dòng)軸的設(shè)計(jì)采用空心軸，既省材料，又減輕重量，且根據(jù)理論力學(xué)的知識(shí)同等直徑、同等材料的空心軸和實(shí)心軸所能承受的扭矩相差不大，空心軸能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求。 5 升降架的設(shè)計(jì) 機(jī)構(gòu)的整題框架采用角鋼焊接的方式連接，這樣設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單輕便，且制造容易。 接料架主題的設(shè)計(jì)是本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，接料架的設(shè)計(jì)要滿(mǎn)足幾個(gè)方面的要求，第一能夠升降，且能夠逐步下降；第二要能夠成一定數(shù)量的板材，并把板材輸送出去;第三在接板材的同時(shí)要能夠?qū)Π宀倪M(jìn)行裝整。因此整個(gè)接料架可以分成三個(gè)機(jī)構(gòu)，即升降機(jī)構(gòu)，接料、輸送機(jī)構(gòu)和裝板機(jī)構(gòu)。 5.1 升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 要實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的升降主要是有兩種方法：一種是采用機(jī)械動(dòng)的方法，如利用齒輪 動(dòng)或是絲杠螺母升降的方法，機(jī)械傳動(dòng)使降架升降的方法具有傳動(dòng)功率大、傳動(dòng)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但是很難滿(mǎn)足隨著板材的增加而逐漸下降的設(shè)計(jì)要求，且機(jī)械傳動(dòng)功率損耗大、效率低、機(jī)構(gòu)復(fù)雜、不利于維修等，采用機(jī)械傳動(dòng)式的方法不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。另一種方法是，才有液壓傳動(dòng)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)升降架的上升和下降，采用液傳動(dòng)的方式具有傳遞功率大、傳效率高、噪音小、傳動(dòng)平穩(wěn)且有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制及實(shí)現(xiàn)升降架的逐步下降等優(yōu)點(diǎn)。 升降架采用了類(lèi)似曲柄滑塊的結(jié)構(gòu)升降架采用的是導(dǎo)桿在一定位置滑動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)升降架的上升和下降，該機(jī)構(gòu)有一個(gè)缺點(diǎn)是當(dāng)導(dǎo)桿的受力方向和導(dǎo)桿的滑動(dòng)方向之間的夾角小于摩擦角時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)死點(diǎn)，導(dǎo)致導(dǎo)桿卡死而無(wú)法滑動(dòng)，因此在設(shè)計(jì)是應(yīng)該避免導(dǎo)桿被卡死，但是本此設(shè)計(jì)因?yàn)樯导艿某叽缱銐虼?，及?dǎo)桿足夠長(zhǎng)，因此升降架無(wú)論是在最高位置還是在最低位置，導(dǎo)桿的運(yùn)動(dòng)方向和受力方向之間的夾角都要大于摩擦角，因此不會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)桿被卡死的現(xiàn)象。 3.4升降架的示意圖 5.2 液壓缸的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)升降架最大承重量為10t，驗(yàn)算所需液壓缸的壓力 5.2.1 缸體設(shè)計(jì) 主液壓缸位于主軸的正上方，當(dāng)機(jī)床需要換刀時(shí)液壓缸負(fù)責(zé)將刀具拉丁從錐孔內(nèi)頂松，其主要負(fù)載是克服蝶形彈簧變形產(chǎn)生的壓力。有第4.5節(jié)碟形彈簧的校核可知液壓缸的工作壓力至少為280000N。查手冊(cè)可確定液壓缸的最大工作壓力為6.5MPa。 缸體強(qiáng)度校核 按照材料力學(xué)中厚壁筒有關(guān)公式，液壓缸外徑及壁厚由下式計(jì)算： 或 （5-1） 式中 D——液壓缸內(nèi)徑，m； ——試驗(yàn)壓力，使其比液壓缸最大工作壓力p大20%~30%，即 =（1.2~1.3）P，Pa；此處取1.2。 ——缸體材料的許用拉應(yīng)力，Pa； =，其中是缸體材料的抗拉強(qiáng)度，Pa；可以從有關(guān)手冊(cè)中查到，n為安全系數(shù)，建議取n不小于5，此處取6。HT200的抗拉強(qiáng)度為120~175MPa，此處取130MPa代入數(shù)據(jù)解得m=17.87mm。圓整后取20mm，即液壓缸外徑為120mm。 5.2.2 螺釘強(qiáng)度校核 液壓缸與缸蓋的連接方法有螺紋連接，焊接和螺紋連接等幾種方式。其中以螺釘連接方式應(yīng)用最廣，為保證鏈接螺釘工作的可靠性，對(duì)壓力較高的液壓缸，應(yīng)該校核鏈接螺釘?shù)膹?qiáng)度。 缸蓋鏈接螺釘?shù)膹?qiáng)度計(jì)算，螺紋處的拉應(yīng)力： （5-2） 式中 ——螺釘預(yù)緊力系數(shù)，=1.25~1.5，此處取1.3； ——螺栓的個(gè)數(shù)，此處使用4個(gè)； F——缸蓋受到的最大推力，N； ——螺栓螺紋（M8）內(nèi)徑0.0068m； 螺紋處的剪應(yīng)力： （5-3） 式中 ——螺栓螺紋的內(nèi)摩擦系數(shù)，一般取=0.12； 合成應(yīng)力： 式中 ——螺栓材料的許用應(yīng)力，螺釘材料為20鋼 410Mpa。 其中F為28064N，=4，=0.0068m，=410 代入數(shù)據(jù)解得： ，又=1.1=1.1251.27=276.4<所以液壓缸端蓋螺釘?shù)膹?qiáng)度足以滿(mǎn)足液壓缸的使用強(qiáng)度。 5.2.3 主軸上鍵的連接強(qiáng)度計(jì)算 主軸上面裝配有三個(gè)齒輪，他們與主軸均采用平鍵連接且鍵的規(guī)格除工作長(zhǎng)度之外均相同。所以只需校核工作長(zhǎng)度最短的鍵，即最上端齒輪與主軸的連接鍵。 l 選擇鍵的類(lèi)型 軸徑d=78mm，查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》手冊(cè)選普通A型平鍵 GB1096-79，鍵長(zhǎng)為36mm，工作長(zhǎng)度為14mm。 l 強(qiáng)度校核 鍵的材料用45鋼，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》（第八版）表6-2查得得許用應(yīng)力[ ]=100～120MPa，鍵的工作長(zhǎng)度取k，假定載荷在鍵的工作表面上均勻分布，普通平鍵鏈接的強(qiáng)度條件為 式中：T ——傳遞的轉(zhuǎn)矩,單位為N.m K ——鍵與輪彀鍵槽的接觸高度，此處為5mm； l ——鍵的工作長(zhǎng)度，mm； d ——軸的直徑，主軸直徑為78mm； ——鍵，軸，輪彀三者中最弱材料的許用擠壓應(yīng)力，單位為MPa； 將已知數(shù)據(jù)代入擠壓強(qiáng)度公式，解得：，滿(mǎn)足工作要求。 5.2.4 輸入軸上鍵的連接強(qiáng)度計(jì)算 l 選擇鍵的類(lèi)型 軸頸d=48mm，查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》手冊(cè)選普通A型平鍵14x9，GB1096-79，鍵長(zhǎng)為36mm，工作長(zhǎng)度為22mm。 l 強(qiáng)度校核 鍵的材料用45鋼，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》（第八版）表6-2查得得許用應(yīng)力[ ]=100～120MPa，鍵的工作長(zhǎng)度取k，假定載荷在鍵的工作表面上均勻分布，普通平鍵鏈接的強(qiáng)度條件為 （5-4） 式中：T ——傳遞的轉(zhuǎn)矩（T=Fy），單位為N.m K ——鍵與輪彀鍵槽的接觸高度，此處為3mm； l ——鍵的工作長(zhǎng)度，mm； d ——軸的直徑，主軸直徑為48mm； ——鍵，軸，輪彀三者中最弱材料的許用擠壓應(yīng)力，單位為MPa； 將已知數(shù)據(jù)代入擠壓強(qiáng)度公式，解得：，滿(mǎn)足工作要求。 6 總結(jié) 畢業(yè)設(shè)計(jì)作為畢業(yè)前夕的一次綜合性的訓(xùn)練，是對(duì)我們整個(gè)大學(xué)四年中學(xué)習(xí)到的知識(shí)進(jìn)行一次總結(jié)、完善和檢驗(yàn)。通過(guò)這次的設(shè)計(jì)，對(duì)我們?cè)诶碚摵蛯?shí)踐相結(jié)合方面產(chǎn)生了很大的幫助，對(duì)于培養(yǎng)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力以及融會(huì)貫通和鞏固發(fā)展所學(xué)知識(shí)方面也受益非潛。在畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中我深入的體會(huì)到機(jī)械設(shè)計(jì)的規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化，并通過(guò)這次設(shè)計(jì)開(kāi)闊了思維，豐富了知識(shí)，為即將走上工作崗位的我們打下了良好的基礎(chǔ)，可以說(shuō)，畢業(yè)設(shè)計(jì)是一次難得的鍛煉機(jī)會(huì)。 在畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)成了我最好的朋友。在我們機(jī)械行業(yè)，所有的設(shè)計(jì)都是建立在標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化的基礎(chǔ)上的創(chuàng)新。所有的零部件的設(shè)計(jì)我們都在滿(mǎn)足其機(jī)械性能的基礎(chǔ)上優(yōu)先選用標(biāo)準(zhǔn)件，在大量的翻閱手冊(cè)的過(guò)程中，我認(rèn)識(shí)到手冊(cè)在機(jī)械的重要性，離開(kāi)手冊(cè)，任何設(shè)計(jì)都是空洞，沒(méi)有依據(jù)的。 在這幾個(gè)月的設(shè)計(jì)中，我對(duì)大學(xué)階段所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)又有了一次全面而深入的學(xué)習(xí)，在機(jī)械制造、機(jī)械設(shè)計(jì)、液壓的課本中本來(lái)生疏的的知識(shí)在這一段時(shí)間里又有了新的的認(rèn)識(shí)。同時(shí)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我們大學(xué)所學(xué)到的所有課程都被聯(lián)系到了一起，特別是后期設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的書(shū)寫(xiě)，那是對(duì)我大學(xué)所學(xué)知識(shí)的一次大總結(jié)。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，我深深體會(huì)到了理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中的難度，我明白了要將所學(xué)的知識(shí)運(yùn)用到實(shí)處還需要付出很多努力與汗水。 總之，在這次設(shè)計(jì)中，我學(xué)到的知識(shí)是我這一生寶貴的財(cái)富，我會(huì)在以后的學(xué)習(xí)工作中學(xué)以致用。 7 參考文獻(xiàn) [1].黃大宇 梅瑛主編. 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì).吉林大學(xué)出版社,2007 [2]. 濮良貴.紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì) [M].北京：高等教育出版社，2001 [3].申永勝.機(jī)械原理教程.北京：清華大學(xué)出版社，2001.12 [4].成大先.主編. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第五版）.單行本.減（變）速器?電機(jī)與電器 .化學(xué)工業(yè)出版社，2010.1 [5].大連理工大學(xué)工程畫(huà)教研室編.機(jī)械制圖（第五版） .高等教育出版社，2007.5.8 [6].王愛(ài)珍.主編.工程材料及成型技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社，2003.3 [7].成大先.主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).單行本.液壓傳動(dòng).化學(xué)工業(yè)出版社，2004.1 [8].成大先.主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).單行本.氣壓傳動(dòng).化學(xué)工業(yè)出版社.，2004.1 [9].劉鴻文.主編.材料力學(xué)（第四版）.高等教育出版社，2005.4 [10].牛永生 吳隆 李利.主編.機(jī)械制造技術(shù).陜西科技出版社，2001.12 8 致 謝 在此次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，樊瑞老師給我大力的幫助，在這，我衷心地向表示感謝。設(shè)計(jì)中遇到的每個(gè)問(wèn)題，老師都細(xì)心的給了我詳細(xì)的指導(dǎo)，雖然老師公務(wù)繁重，但仍然定期給我們輔導(dǎo)。他不僅傳授給我們解決問(wèn)題的方法，而且廣征博引，開(kāi)闊我們的思路，使我們對(duì)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)有了新的認(rèn)識(shí)，新的發(fā)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，有許多問(wèn)題都是通過(guò)和同學(xué)們討論解決的，我對(duì)這些同學(xué)也要衷心的感謝。同時(shí)我對(duì)圖書(shū)館的老師也要表示感謝，他們?yōu)槲也殚嗁Y料時(shí)提供了很大的方便。 22 柔性臂架自行式起重機(jī)傾翻載荷 柔性臂架自行式起重機(jī)傾翻載荷 S. KILICASLAN, T. BALKAN AND S. K. IDER 土耳其安卡拉 中東科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 16531 摘 要 在這一項(xiàng)研究中，自行式起重機(jī)的特性是利用基于柔性多體動(dòng)力學(xué)理論建模分析得到的，用以確定起重機(jī)不產(chǎn)生傾翻危險(xiǎn)的起重量。只有起重機(jī)的臂架被假設(shè)成柔性的，因?yàn)楸奂苁俏ㄒ灰粋€(gè)在吊載過(guò)程中撓度較大的部件。用數(shù)學(xué)方程描述起重機(jī)的剛性部件與柔性部件之間的相互作用與耦合，并且開(kāi)發(fā)了用于進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析的應(yīng)用軟件。變幅油缸的推力因臂架的仰角不同而不同，臂架運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，變幅油缸的推力被計(jì)算出來(lái)，同時(shí)繪制出載荷曲線，并且將結(jié)果與用一臺(tái)10噸的自行式工程起重機(jī)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。 1.緒論 作為機(jī)械系統(tǒng)的起重機(jī)一般被看成包含柔性部件的閉環(huán)的機(jī)械裝置。在以臂架的角度位置作為自變量來(lái)確定起重機(jī)額定起重量的時(shí)候，就需要用到動(dòng)力學(xué)的解決方法。 目前只有極少數(shù)關(guān)于自行式起重機(jī)的動(dòng)力學(xué)分析控制的研究，并且這些研究中的大部分都沒(méi)有考慮部件的撓性。Sato和Sakawa建立了一個(gè)動(dòng)力學(xué)模型，用于控制一個(gè)同時(shí)進(jìn)行三種運(yùn)動(dòng)（回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、起升運(yùn)動(dòng)、變幅運(yùn)動(dòng)）的柔性回轉(zhuǎn)起重機(jī)[1]。只有主臂與副臂間的連接被假設(shè)成為柔性的，這樣假設(shè)的目的是能夠使載荷得到恰當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)化，這樣在轉(zhuǎn)化結(jié)束時(shí)，載荷幅值的擺動(dòng)能夠以最快的速度衰減。這個(gè)能夠?qū)ζ鹬貦C(jī)進(jìn)行實(shí)際載荷和額定載荷對(duì)比顯示并加以限制的系統(tǒng)在巴爾干半島上得到應(yīng)用，這個(gè)基于微型計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)是通過(guò)油壓和臂架仰角來(lái)確定當(dāng)前吊鉤的實(shí)際載荷的。 在這篇文章中，起重機(jī)的特性是通過(guò)柔性多體動(dòng)力學(xué)來(lái)分析得到的。給出了柔性多體動(dòng)力學(xué)的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，同時(shí)開(kāi)發(fā)了對(duì)起重機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析的應(yīng)用軟件。在多體動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，系統(tǒng)的剛性聯(lián)接和柔性運(yùn)動(dòng)通過(guò)運(yùn)用絕對(duì)的耦合和形參變量用公式來(lái)表達(dá)[3, 4]。然后，部件間的連接和指定的運(yùn)動(dòng)用約束方程來(lái)描述。柔性體是通過(guò)有限元方法來(lái)模擬的，形參變量是通過(guò)模型轉(zhuǎn)化得到的，用以代替彈性變量。 變幅油缸的推力因臂架的角度位置不同而不同，臂架運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，變幅油缸的推力被計(jì)算出來(lái)，通過(guò)開(kāi)發(fā)的應(yīng)用軟件來(lái)圖示彈性效果。同時(shí)繪制出臂架不同仰角的載荷曲線，并且將結(jié)果與起重機(jī)制造廠家提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。 2.起重機(jī)建模 我們用一臺(tái)930型自行式起重機(jī)的傾翻載荷控制的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用于開(kāi)發(fā)的軟件的計(jì)算，并且用了這臺(tái)起重機(jī)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)[5]。但這個(gè)分析方法只要經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的修改就可以用于類(lèi)似的起重機(jī)的分析。 重物吊在吊鉤上，臂架起升，因?yàn)橹匚锲鹕^(guò)高非常危險(xiǎn)，重物的高度是通過(guò)測(cè)量起升繩的長(zhǎng)度來(lái)控制的。在重物起升、下降和運(yùn)輸時(shí)，起重機(jī)是不能回轉(zhuǎn)的，這是由于一些限制條件，比如重物非常大或非常重、空間問(wèn)題等。 在臂架的每一個(gè)角度位置都對(duì)應(yīng)著一個(gè)最大載荷，超過(guò)這個(gè)載荷后起重機(jī)很有可能傾翻。因?yàn)楸奂艿难鼋侵挥性谥匚锲鹕蛳陆禃r(shí)才會(huì)發(fā)生改變，而且恰巧這又是個(gè)平面運(yùn)動(dòng)，所以建模和分析計(jì)算都是在二維空間進(jìn)行的。 圖1.試驗(yàn)用起重機(jī)示意圖 圖2.試驗(yàn)用起重機(jī)動(dòng)力學(xué)模型 單位：mm；A0G 2000;GC 17500;A0A 5823;A0D 5850;AD 565;BD 3455;OB0 2350;OA0 805 圖1表示實(shí)驗(yàn)用起重機(jī)的示意圖，圖2表示它的動(dòng)力學(xué)模型，模型共分成五部分。 橫截面、材料特性及各部分的尺寸是通過(guò)技術(shù)數(shù)據(jù)文件和直接對(duì)實(shí)驗(yàn)起重機(jī)進(jìn)行測(cè)量得到的。部件1（臂架）的橫截面是個(gè)空心的多邊形，壁厚為t，如圖3所示。這個(gè)橫截面的尺寸線性地從A0增大到G，又線性地從G減小到C，截面A0、G和C的尺寸如圖3所示。部件2是個(gè)圓柱形的桿，直徑25mm。部件3是個(gè)液壓活塞桿，直徑180mm壁厚20mm。部件4是變幅油缸筒，內(nèi)徑230mm，外徑246mm， 長(zhǎng)3440mm。部件1的彈性模量和密度分別為200GPa和5750kg/m3。其它部件的密度均認(rèn)為是7850kg/m3。 圖3.部件1（臂架）橫截面.（單位：mm） 當(dāng)考慮了各部件的尺寸（長(zhǎng)度和橫截面）和彈性模量，就可以只認(rèn)為部件1（臂架）是彈性的，這樣的話(huà)其他部件均被假設(shè)成是剛性的。 在對(duì)起重機(jī)進(jìn)行分析時(shí)要考慮以下假設(shè)： 1.液壓油的質(zhì)量包含在液壓缸（部件4）的質(zhì)量中，液壓缸質(zhì)量的改變是由于考慮了缸內(nèi)的液壓油質(zhì)量的改變； 2.液壓油被認(rèn)為是不可壓縮的； 3.吊重被看成是集中質(zhì)量，并且通過(guò)一根被看成是剛性桿的繩子連接到臂架頭部。這根繩子在平面內(nèi)可以繞C點(diǎn)自由旋轉(zhuǎn)。只要這個(gè)桿相對(duì)于垂直位置的擺動(dòng)很小并且這個(gè)桿仍然處于張緊狀態(tài)時(shí)這個(gè)假設(shè)就是正確的。在正常操作速度和吊重下這些條件都符合； 4.臂架結(jié)構(gòu)的阻尼比用Rayleigh衰減法來(lái)計(jì)算確定； 5.吊重與地面間的距離假設(shè)保持不變，這是通過(guò)在起重機(jī)臂架升降過(guò)程中改變繩長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 3.動(dòng)力學(xué)方程 令表示一個(gè)部件的結(jié)構(gòu)，部件k的變形通過(guò)這個(gè)系數(shù)來(lái)定義，表示一個(gè)確定的結(jié)構(gòu)。令表示結(jié)構(gòu)的原點(diǎn)的位置，表示部件k的角速度。 利用有限單元法，部件k的i單元上的任一點(diǎn)P的變形位移向量為： （1） 其中是變形的單元形函數(shù)矩陣，是單元間聯(lián)系的坐標(biāo)變換矩陣，單元節(jié)點(diǎn)位移向量。 點(diǎn)P的速度可表示為： （2） 其中是中點(diǎn)Q到P的變形后的位置向量，是的變形協(xié)調(diào)矩陣，Tk是從到的坐標(biāo)變換矩陣，，是用于減小彈性變形的模型轉(zhuǎn)換變量，是模型形變向量。方程（2）可寫(xiě)成： （3） 其中是影響系數(shù)矩陣，是部件k的速度向量。 連接各個(gè)部件的系統(tǒng)N的連接處和角度指示在速度水平上用運(yùn)動(dòng)學(xué)約束方程表示為： Cy=g （4） 其中C是雅客比約束矩陣，y是系統(tǒng)的速度向量，由下式確定： yT=[y(1)T…y(N)T] （5） Kane方程用于確定系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程： My+CTλ=Q+Fs+Fd+F （6） 其中λ是約束反力向量，M是質(zhì)量矩陣，Q、Fs、Fd及F分別是Coriolis力向量、彈性力向量、阻尼力向量和實(shí)際力向量，分別為： ，,, , （7） 質(zhì)量矩陣Mk和部件k的Coriolis向量Qk為 （8） （9） 其中Ek是部件k中的有限單元的數(shù)量，Vki是單元的體積，是它的密度。 Fsk和Fdk可按下式給出： ， （10） 其中Kk是部件k的結(jié)構(gòu)剛度矩陣，Dk是阻尼矩陣。在仿真時(shí)，結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和用于組成Dk的結(jié)構(gòu)的剛度復(fù)數(shù)有2%的衰減。 在平面系統(tǒng)中，減小到，其中是個(gè)標(biāo)量。變成，其中是根據(jù)變換而來(lái)的。 當(dāng)公式（8）和（9）中由空間決定的變量分離后，就能獲得[3,4]不隨時(shí)間改變的矩陣。 （11） ，，，，， （12） （13） （14） （15） ， （16，17） （18） （19） 臂架是靠駕駛員控制的液壓缸來(lái)驅(qū)動(dòng)的，一般來(lái)說(shuō)，運(yùn)動(dòng)的整個(gè)過(guò)程中液壓缸以恒定的速度運(yùn)動(dòng)，所以臂架和活塞的振動(dòng)都能控制在一個(gè)很小的水平上。為了避免沖擊載荷的產(chǎn)生，活塞的開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)速度從0增大到以及最終停止時(shí)從減小到0，速度的變化假設(shè)成隨時(shí)間呈擺線形變化。這個(gè)理想的速度曲線如圖4所示，并可用下列方程描述： （20） 如果部件1和2的絞點(diǎn)在不同的位置，這個(gè)系統(tǒng)將變成一個(gè)不能動(dòng)的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)之所以能夠運(yùn)動(dòng)是因?yàn)槎呓g點(diǎn)位置相同。所以，部件1和2的約束方程是線性相關(guān)的。由于這個(gè)原因，其中的一個(gè)約束方程可以分解以減少線性損耗。 圖4.擺線形加速度的速度曲線 臂架仰角（度） 活塞反力（kN） 圖5.不同臂架仰角的活塞反力（吊重32.4kN，起升時(shí)間30s） 臂架仰角（度） 活塞反力（kN） 圖6.不同臂架仰角的活塞反力（吊重32.4kN，起升時(shí)間10s） 臂架仰角（度） 橫向位移（m） 圖7.不同臂架仰角的節(jié)點(diǎn)3、8、13的橫向位移（載荷32.4kN，起升時(shí)間30s） 橫向位移（m） 臂架仰角（度） 圖8.不同臂架仰角的節(jié)點(diǎn)3、8、13的橫向位移（載荷32.4kN，起升時(shí)間30s） 圖9.（a）節(jié)點(diǎn)13的橫向位移的時(shí)間響應(yīng) （b）節(jié)點(diǎn)13的橫向位移的快速傅氏變換算法 4.起重機(jī)特性的計(jì)算機(jī)仿真及與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比 用于分析實(shí)驗(yàn)用起重機(jī)的應(yīng)用軟件已經(jīng)開(kāi)發(fā)完畢。在這個(gè)軟件中，部件1（臂架）的其中任一個(gè)有限單元的形函數(shù)可以代換其他任何一個(gè)。 Balkan已經(jīng)對(duì)臂架的工作范圍內(nèi)，臂架運(yùn)動(dòng)的30s過(guò)程做了實(shí)驗(yàn)[2],選取這個(gè)速度是為了減小彈性變形的作用。在研究中測(cè)量了液壓系統(tǒng)的壓力和臂架的仰角位置。由于臂架的振動(dòng)而引起的油壓的振動(dòng)已經(jīng)通過(guò)控制系統(tǒng)過(guò)濾掉，所以在測(cè)量的數(shù)據(jù)中是看不到的。實(shí)驗(yàn)起重機(jī)在起升過(guò)程中的吊重為32.4kN，液壓系統(tǒng)油壓的變化是在臂架運(yùn)動(dòng)的30s過(guò)程中測(cè)定的。所以在臂架起升的30s過(guò)程中液壓活塞的反力變化與臂架仰角的變化有關(guān)，所以可以根據(jù)吊重32.4kN來(lái)計(jì)算臂架處于不同仰角位置時(shí)的變幅油缸活塞反力。 臂架在起升的30s過(guò)程中不同仰角位置的變幅油缸活塞反力通過(guò)利用計(jì)算機(jī)代碼模擬出來(lái)，并且在圖5中給出。 臂架運(yùn)動(dòng)的30s過(guò)程的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也同時(shí)在圖5中給出。這些數(shù)據(jù)不包括活塞加速及減速過(guò)程。并且，由于臂架振動(dòng)帶來(lái)的影響已經(jīng)被濾除，所以在圖中是不能看到的。從圖中可以看出，臂架運(yùn)動(dòng)過(guò)程中仿真的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常接近。 吊重32.4kN，起升時(shí)間10s時(shí)臂架不同位置的變幅活塞反力也通過(guò)計(jì)算機(jī)程序計(jì)算出來(lái)了，為的是模擬更有意義的彈性效果，如圖6所示。 在仿真時(shí)，臂架被離散成12個(gè)單元。其中兩個(gè)在A0G之間，臂架橫截面積從A0到G線性地增加。另外的十個(gè)在GC之間，臂架的橫截面積從G到C線性地減小。部件1的阻尼是通過(guò)在最初兩種模式基礎(chǔ)上依次減小2%來(lái)近似計(jì)算的。在模擬起升時(shí)間為30s時(shí)，假設(shè)臂架起升最初1.5s為加速過(guò)程，最后1.5s為減速過(guò)程。在臂架起升時(shí)間為10s的情況下，加速和減速的時(shí)間分別假設(shè)為1s。 吊重為32.4kN，臂架起升時(shí)間為30s和10s的兩個(gè)工況時(shí)，節(jié)點(diǎn)3（節(jié)點(diǎn)3在臂架節(jié)點(diǎn)A0和A之間），節(jié)點(diǎn)8（位于臂架節(jié)點(diǎn)A和C之間），及節(jié)點(diǎn)13（對(duì)應(yīng)于臂架尖端節(jié)點(diǎn)C）的橫向位移都根據(jù)臂架的不同仰角位置計(jì)算出來(lái)了，分別表達(dá)在圖7和圖8中。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)3的橫向位移的數(shù)量級(jí)為10-5m，所以這個(gè)節(jié)點(diǎn)的橫向位移在圖中是看不到的。 從圖5-8可以看出活塞反力的幅度和平均值及節(jié)點(diǎn)的橫向位移在起升時(shí)間為10s工況時(shí)的值要大于起升時(shí)間為30s的工況。因此，臂架的彈性效果可以清晰地看出來(lái)。 在所有的仿真過(guò)程中，當(dāng)臂架在起升過(guò)程中，變幅活塞的反力像期望的一樣隨之減小。在變幅活塞加速運(yùn)動(dòng)過(guò)程時(shí)，活塞反力、橫向位移量及它們的振動(dòng)幅度都比勻速運(yùn)動(dòng)期間的要大。在臂架勻速起升的過(guò)程中，活塞反力的大小、橫向位移及各自的振動(dòng)幅度都平穩(wěn)地減小。在臂架減速起升的過(guò)程中，活塞反力和橫向位移減小，但振動(dòng)的幅度卻增加了。但在減速的過(guò)程中，活塞反力數(shù)值及幅值、橫向位移的變化卻比加速過(guò)程的小。 從仿真中還可以看出存在兩種類(lèi)型的振動(dòng)。一種是由臂架的振動(dòng)產(chǎn)生的，周期較小，另一種由于載荷的振動(dòng)產(chǎn)生的，周期較大。吊重32.4kN，起升時(shí)間為10s工況時(shí)，臂架尖端（節(jié)點(diǎn)13）的橫向振動(dòng)的時(shí)間響應(yīng)如圖9（a）所示。圖9（a）中數(shù)據(jù)快速傅氏變換算法數(shù)值曲線在圖9（b）中給出。 頻率小的振動(dòng)是由于系統(tǒng)的激勵(lì)產(chǎn)生的，它的大小變化符合這個(gè)規(guī)律。當(dāng)臂架向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，它朝垂直的位置變化，從而引起臂架的橫向偏轉(zhuǎn)量減小。由于載荷振動(dòng)而產(chǎn)生的振動(dòng)的頻率也降到這個(gè)頻率范圍。頻率大于1.5Hz的振動(dòng)是由于臂架以它的自然頻率振動(dòng)。自然頻率隨時(shí)間變化是多體系統(tǒng)的一個(gè)特性，并且這引起了我們?cè)趫D9（a）中看到的尖銳的信號(hào)。 5.起升能力的仿真 起重機(jī)傾翻的模擬是在閉環(huán)的條件下來(lái)完成的，其目的是為了能夠看到在起重機(jī)臂架向上及向下運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中究竟何時(shí)發(fā)生傾翻。當(dāng)起重機(jī)的一個(gè)支腿受到地面的支反力變成零時(shí)，傾翻便發(fā)生了。利用起重機(jī)底盤(pán)的自由體受力圖，如圖10所示，傾翻時(shí)可用方程（21）表示： （21） 式中，、和、是起重機(jī)底盤(pán)對(duì)臂架及變幅油缸支反作用力的分力，、是地面對(duì)起重機(jī)兩個(gè)支腿的反作用力，是起重機(jī)底盤(pán)的重力。 圖10. 起重機(jī)底盤(pán)的自由體受力圖.單位：m.A5.50；C3.37；A12.57；A24.60；B11.77；B22.25 圖11.起升能力曲線. 30s仿真；10s仿真；廠家的數(shù)據(jù) 當(dāng)小于或等于零時(shí)，就滿(mǎn)足了傾翻的條件。對(duì)于臂架起升時(shí)間分別為10s和30s的兩種工況，對(duì)于不同吊重，對(duì)應(yīng)的力變成零的臂架位置是通過(guò)開(kāi)發(fā)的應(yīng)用軟件計(jì)算出來(lái)的。實(shí)驗(yàn)用起重機(jī)的仿真結(jié)果在圖11中給出了。試驗(yàn)用起重機(jī)生產(chǎn)廠家提供的額定起重量也同時(shí)列于圖11中。其中的幅度R是這樣定義的，起重機(jī)在傾翻方向上由回轉(zhuǎn)中心到臂架端點(diǎn)，即載荷所在位置的水平距離，通過(guò)式計(jì)算得出。 從圖11中可以看出，當(dāng)臂架運(yùn)動(dòng)時(shí)間減少時(shí)，相同幅度時(shí)對(duì)應(yīng)的許用起重量隨之減少了。雖然在算得許用起重量的時(shí)候沒(méi)有包含任何類(lèi)似臂架運(yùn)動(dòng)時(shí)間的信息，但與臂架運(yùn)動(dòng)時(shí)間為30s時(shí)的許用起重量的曲線非常相似。除此之外，制造廠家還注釋說(shuō)這些許用載荷數(shù)據(jù)應(yīng)該以一個(gè)安全系數(shù)來(lái)用，安全系數(shù)取為1.5。 6.結(jié)論 在研究中，起重機(jī)的起重能力是通過(guò)柔性多體動(dòng)力學(xué)分析得到的。為了達(dá)到這個(gè)分析目的，我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)能夠?qū)ζ鹬貦C(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析的應(yīng)用軟件。系統(tǒng)的剛性連接和彈性運(yùn)動(dòng)通過(guò)運(yùn)用絕對(duì)的耦合和形參變量用公式來(lái)表達(dá)[3, 4]。然后，部件間的鉸接和特定的運(yùn)動(dòng)是通過(guò)約束方程來(lái)表達(dá)的。柔性體是通過(guò)有限元方法來(lái)模擬的，形參變量是通過(guò)模型轉(zhuǎn)化得到的，用以代替彈性變量。并且利用計(jì)算機(jī)程序?qū)Φ踔貫?2.4kN，臂架起升運(yùn)動(dòng)時(shí)間分別為30s和10s兩種工況的變幅油缸活塞反力進(jìn)行了仿真，運(yùn)動(dòng)速度的加速和減速時(shí)的加速度都是圓滑的擺線形。并用臂架運(yùn)動(dòng)時(shí)間為30s的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。臂架運(yùn)動(dòng)時(shí)間分別為30s和10s兩種工況下，節(jié)點(diǎn)3、節(jié)點(diǎn)8和節(jié)點(diǎn)13在臂架處于不同仰角位置的橫向位移都計(jì)算出來(lái)了。最后，形成了臂架起升時(shí)間分別為10s和30s的兩種工況的載荷曲線，并將其與起重機(jī)生產(chǎn)廠家提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。 從分析中可以看出臂架運(yùn)動(dòng)時(shí)間將很顯著地影響起重機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性。在活塞運(yùn)動(dòng)速度較低時(shí)（比如臂架起升時(shí)間為30s），臂架的柔性起的作用很小，所以臂架在這時(shí)可以看成是剛性體。然而，當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)速度提高時(shí)（比如臂架起升時(shí)間為10s），臂架的柔性起顯著的作用。在臂架運(yùn)動(dòng)時(shí)間為10s時(shí)，從活塞反力和起升能力的仿真結(jié)果中可以看出臂架的柔性起的作用。 另外需要注意的是，這里計(jì)算出來(lái)的載荷曲線是在活塞運(yùn)動(dòng)速度曲線為擺線形的情況下得出的，這是為了近似地模擬有經(jīng)驗(yàn)的駕駛員操作時(shí)的速度特性。其他形狀的速度曲線對(duì)應(yīng)的載荷曲線也同樣可以通過(guò)開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)程序計(jì)算生成。變幅活塞突然加速和減速時(shí)將會(huì)顯著的降低起升能力，這是由于這將會(huì)產(chǎn)生較大的橫向位移和慣性沖擊載荷。 參考文獻(xiàn)：略 - 13 -