机械设计课程设计-起重机变幅机构--刚性四连杆变幅机构的运动分析与综合

机械设计课程设计-起重机变幅机构--刚性四连杆变幅机构的运动分析与综合

[起重机变幅机构]——刚性四连杆变幅机构的运动分析与综合课程设计任务书专业：[机械设计]班级：[08机设二班]学生姓名：指导教师：完成时间：2021年6月18日-44-\n目录一．起重机概述……………………………………………………………11.1起重机介绍……………………………………………………………11.2起重机分类…………………………………………………………11.3起重机的发展………………………………………………………61.4起重机的主要机构…………………………………………………91.4.1起升机构………………………………………………………101.4.2旋转机构………………………………………………………141.4.3运行机构………………………………………………………181.4.4变幅机构………………………………………………………191.5起重机主要性能参数………………………………………………20二．变幅机构的方案选型………………………………………………232.1.变幅机构的类型及特点…………………………………………232.2.非工作性变幅机构和工作性变幅机构…………………………232.3.运行小车式变幅机构和臂架式变幅机构………………………232.4.普通臂架和平衡臂架变幅机构…………………………………24三．四连杆组合臂架各杆件尺寸的确定………………………………27四．刚性四连杆变幅机构的运动分析…………………………………304.1.机构运动分析的目的与方法……………………………………304.2.图解法……………………………………………………………314.2.1.轨迹分析……………………………………………………31-44-\n4.2.2.速度分析……………………………………………………31五．利用MATLAB进行四连杆变幅机构的运动分析……………………325.1.变幅机构象鼻梁前端轨迹方程…………………………………325.2.象鼻梁M点轨迹曲线绘制的MATLAB程序及轨迹图……………355.3变幅机构象鼻梁前端M点得速度分析……………………………365.4.象鼻梁M点变幅力矩曲线绘制的MATLAB程序及力矩曲线……40六．设计小结……………………………………………………………43七．参考文献……………………………………………………………44-44-\n一．起重机概述起重机(Crane)属于起重机械的一种，是一种作循环、间歇运动的机械。一个工作循环包括：取物装置从取物地把物品提起，然后水平移动到指定地点降下物品，接着进行反向运动，使取物装置返回原位，以便进行下一次循环。　起重机械，是指用于垂直升降或者垂直升降并水平移动重物的机电设备，其范围规定为额定起重量大于或者等于0.5t的升降机；额定起重量大于或者等于1t，且提升高度大于或者等于2m的起重机和承重形式固定的电动葫芦等。1.1起重机介绍欧式起重机欧式起重机采用独特的设计理念，具有尺寸小，重量轻，轮压小的特点。与传统起重机相比，吊钩至墙面的极限距离最小，净空高度最低，科力起重机更能贴近前面作业，起升高度更高，实际增加了现有厂房的有效工作空间。由于起重机具有重量轻，轮压小的特点，新厂房空间可以设计的更小，功能更齐全。1.2起重机分类　在建桥工程中所用的起重机械，根据其构造和性能的不同，一般可分为轻小型起重设备、桥式类型起重机械和臂架类型起重机三大类。-44-\n轻小型起重设备如：千斤顶、气动葫芦、电动葫芦、平衡葫芦（又名平衡吊）、卷扬机等。桥架类型起重机械如梁式起重机、龙门起重机等。臂架类型起重机如固定式回转起重机、塔式起重机、汽车起重机、轮胎、履带起重机等。　　在一定范围内垂直提升和水平搬运重物的多动作起重机械。又称吊车。属于物料搬运机械。起重机的工作特点是做间歇性运动，即在一个工作循环中取料、运移、卸载等动作的相应机构是交替工作的。按结构形式，，起重机主要分为桥架型起重机和臂架型起重机两类。1.桥架型起重机可在长方形场地及其上空作业，多用于车间、仓库、露天堆场等处的物品装卸，有梁式起重机、桥式起重机、龙门起重机、缆索起重机、运载桥等。　　（1）梁式起重机梁式起重机主要包括单梁桥式起重机和双梁桥式起重机。单梁桥式起重机桥架的主梁多采用工字型钢或钢型与钢板的组合截面。起重小车常为手拉葫芦、电动葫芦或用葫芦作为起升机构部件装配而成。按桥架支承式和悬挂式两种。前者桥架沿车梁上的起重机轨道运行；后者的桥架沿悬挂在厂房屋架下的起重机轨道运行。单梁桥式起重机分手动、电动两种。手动单梁桥式起重机各机构的工作速度较低，起重量也较小，但自身质量小，便于组织生产，成本低，时候用于无电源后搬运量不大，对速度与-44-\n生产率要求不高的场合。手动单梁桥式起重机采用手动单轨小车作为运行小车，用手拉葫芦作为起升机构，桥架由主梁和端梁组成。主梁一般采用单根工字钢，端梁则用型钢或压弯成型的钢板焊成。电动单梁桥式起重机工作速度、生产率较手动的高，起重量也较大。电动单梁桥式起重机由桥架、大车运行机构、电动葫芦及电气设备等部分组成。　（2）桥式起重机：　　桥式起重机是桥架在高架轨道上运行的一种桥架型起重机，又称天车。桥式起重机的桥架沿铺设在两侧高架上的轨道纵向运行，起重小车沿铺设在桥架上的轨道横向运行，构成一矩形的工作范围，就可以充分利用桥架下面的空间吊运物料，不受地面设备的阻碍。　　桥式起重机广泛地应用在室内外仓库、厂房、码头和露天贮料场等处。桥式起重机可分为普通桥式起重机、简易梁桥式起重机和冶金专用桥式起重机三种。普通桥式起重机一般由起重小车、桥架运行机构、桥架金属结构组成。起重小车又由起升机构、小车运行机构和小车架三部分组成。起升机构包括电动机、制动器、减速器、卷筒和滑轮组。电动机通过减速器，带动卷筒转动，使钢丝绳绕上卷筒或从卷筒放下，以升降重物。小车架是支托和安装起升机构和小车运行机构等部件的机架，通常为焊接结构。　　（3）门式起重机门式起重机一般根据门架结构形式、主梁形式、吊具形式来进行分类。　　按门框结构形式分　　（a）全门式起重机：主梁无悬伸，小车在主跨度内进行。　　（b）半门式起重机：支腿有高低差，可根据使用场地的土建要求而定。　（c）双悬臂门式起重机：-44-\n最常见的一种结构形式，其结构的受力和场地面积的有效利用都是合理的。　　（d）单悬臂门式起重机：这种结构形式往往是因场地的限制而被选用。　　按主梁结构形式分　　（a）单主梁门式起重机　　单主梁悬臂门式起重机结构简单，制造安装方便，自身质量小，主梁多为偏轨箱形架结构。与双主梁门式起重机相比，整体刚度要弱一些。因此，当起重量Q≤50t、跨度S≤35m时,可采用这种形式。单主门梁式起重机门腿有L型和C型两种形式.L型的制造安装方便，受力情况好,自身质量较小，但是,吊运货物通过支腿处的空间相对小一些。C型的支脚做成倾斜或弯曲形，目的在于有较大的横向空间,以使货物顺利通过支脚。　　(b)双梁桥式起重机双梁桥式起重机承载能力强，跨度大、整体稳定性好，品种多，但自身质量与相同起重量的单主梁门式起重机相比要大些，造价也较高。根据主梁结构不同，又可分为箱形梁和桁架两种形式。目前一般多采用箱形结构。2.臂架型起重机（1）悬臂起重机　　有立柱式、壁挂式、平衡起重机三种形式.　　①柱式悬臂起重机是悬臂可绕固定于基座上的定柱回转，或者是悬臂与转柱刚接，在基座支承内一起相对于垂直中心线转动的由立柱和悬臂组成的悬臂起重机。它适用于起重量不大，作业服务范围为圆形或扇形的场合。一般用于机床等的工件装卡和搬运。　　柱式悬臂起重机多采用环链电动葫芦作为起升机构和运行机构，较少采用钢丝绳电动葫芦和手拉葫芦。旋转和水平移动作业多采用手动，只有在起重量较大时才采用电动。②-44-\n壁上起重机是固定在墙壁上的悬臂起重机，或者可沿墙上或其他支承结构上的高架轨道运行的悬臂起重机。壁行起重机的使用场合为跨度较大、建筑高度较大的车间或仓库，靠近墙壁附近处吊运作业较频繁时最适合。壁行起重机多与上方的梁式或桥式起重机配合使用，在靠近墙壁处服务于一长方体空间，负责吊运轻小物件，大件由梁式或桥式起重机承担。　③平衡起重机俗称平衡吊，它是运用四连杆机构原理使载荷与平衡配重构成一平衡系统，可以采用多种吊具灵活而轻松地在三维空间吊运载荷。平衡起重机轻巧灵活，是一种理想的吊运小件物品的起重设备，被广泛用于工厂车间的机床上下料，工序间、自动线、生产线的工件、砂箱吊运、零部件装配，以及车站、码头、仓库等各种场合1.3起重机的发展　　中国古代灌溉农田用的桔是臂架型起重机的雏形。14世纪，西欧出现了人力和畜力驱动的转动臂架型起重机。19世纪前期，出现了桥式起重机；起重机的重要磨损件如轴、齿轮和吊具等开始采用金属材料制造，并开始采用水力驱动。19世纪后期，蒸汽驱动的起重机逐渐取代了水力驱动的起重机。20世纪20年代开始，由于电气工业和内燃机工业迅速发展，以电动机或内燃机为动力装置的各种起重机基本形成。　　-44-\n近20年世界起重机行业发生了很大变化。RT（越野轮胎起重机）和AT（全地面起重机）产品的迅速发展，打破了原有产品与市场格局，在经济发展及市场激烈竞争冲击下，导致世界市场进一步趋向一体化。目前世界工程起重机年销售额已达75亿美元左右。主要生产国为美国、日本、德国、法国、意大利等，世界顶级公司有10多家，世界市场主要集中在北美、日本/亚洲和欧洲。美国既是生产工程起重机的主要国家，又是最大的世界市场之一。由于日本、德国起重机工业的迅速发展及RT和AT产品的兴起，美国厂商曾在60～70年代世界市场中占有的主导地位受到削弱，从而形成美国、日本和德国三足鼎立之势。近几年美国经济回升，市场活跃，外国厂商纷纷参与竞争。美国制造商的实力也有所增强，特雷克斯起重机公司的崛起即是例证。特雷克斯起重机公司前身是美国科林起重机厂。1995年以来，通过一系列的兼并活动，已发展成为世界顶级公司之一。年销售额从1992年的5000万美元猛增到1998年的7.71亿美元，1999年有望突破10亿美元。日本从70年代起成为工程起重机生产大国，产品质量和数量提高很快，已出口到欧美市场，年总产量居世界第一。-44-\n自1992年以来，由于受日元升值、国内基建投资下降和亚洲金融危机影响，年产量呈下降趋势。年总产值从1991年约5100亿日元下降到1997年的3100亿日元左右，1998年又比1997年下降1/3以上。1998年日本工程起重机总产量为25560台，其中，RT产品2087台，汽车起重机820台，履带起重机692台，随车起重机15032台，其他两类机种共7029台。RT产品年总产值达550亿日元，为各机种之首，其次为履带起重机，约400亿日元。1991年日本5t以上的轮式起重机市场总销售量达6700台，目前日本市场年需求量为3000台。欧洲市场是潜力很大的市场。欧洲各工业国既是工程起重机的出口国，也是重要的进口国。德国是最大的欧洲市场，其次为英国、法国、意大利等国。在德国AT产品市场份额中，利勃海尔占53%，格鲁夫占16%，德马泰克占14%，多田野和特雷克斯各占10%和5%。今天，起重机行业现状日渐繁盛，逐渐被越来越多的人士关注，发展也越来越好，现在中国是世界上最大的起重机市场。中国目前共有起重机械生产企业约500家。从2001年开始，受益于出口持续高速增长、冶金行业的持续发展、高速增长的房地产市场等积极因素的拉动，中国起重机行业持续保持着快速发展，从产量上看，2001-2007年起重设备复合增长率高达36%。2009年起重运输设备行业出口规模为35.68亿美元，比2008年下降了12%；同时起重机械行业外贸依存度为10%；出口比例最高的产品是集装箱装卸桥，占42%，其次是龙门式起重机，占19%；从出口国家来看，2009年起重运输设备行业出口国家比较分散，主要国家是是韩国、印尼和西班牙。1.4.起重机的主要机构起重机主要包括起升机构、运行机构、变幅机构、回转机构和金属结构等。起升机构是起重机的基本工作机构，大多是由吊挂系统和绞车组成，也有通过液压系统升降重物的。运行机构用以纵向水平运移重物或调整起重机的工作位置，一般是由电动机、减速器、制动器和车轮组成。变幅机构只配备在臂架型起重机上，臂架仰起时幅度减小，俯下时幅度增大，分平衡变幅和非平衡变幅两种。回转机构用以使臂架回转，是由驱动装置和回转支承装置组成。金属结构是起重机的骨架，主要承载件如桥架、臂架和门架可为箱形结构或桁架结构-44-\n，也可为腹板结构，有的可用型钢作为支承梁。1.4.1起升机构起升机构是起重机中不可少的机构，其作用是提升货物。起升机构有驱动装置、制动装置、传动装置、卷绕系统等组成。图所示的起升机构中，电动机通过联轴器同齿轮减速器相连接。机构工作时，减速器输出轴上得卷筒将钢丝绳卷进或放出，通过滑轮组系统，使吊钩上得物品起升或下降。停止升降后悬吊的物品依靠制动器制动。吊钩升降则通过电动机换向开动来实现。起升机构还包括电器或液压等传动和操纵设备，以及支撑构架、安全装置等等。图1-1起升机构总装图1-电动机；2-联轴器制动轮；3-制动器；4-速度限制器；减速器；6-卷筒；7-行程限位器-44-\n图1-2起升机构示意图1-减速器；2-制动器；3-联轴器兼制动轮；4-电动机；5-卷筒；6-钢丝绳；7-导向滑轮；8-导向滑轮及定滑轮组；9-动滑轮组夹套及吊钩(1)卷绕系统卷筒与物品之间通过挠性件构成连接，挠性件一次通过个卷绕构建（滑轮和卷筒），形成卷绕系统，如图所示。卷绕装置将卷筒的旋转运动转换成物品的直线运动，并且还改变运动的方向和速度。所以卷绕装置实际上是传动系统的一个组成部分，他参与着运动形式及能量转化的作用。-44-\n图1-3起升卷绕系统简图1-卷筒2-导向滑轮3-钢丝绳4-钢丝绳托辊5-平衡滑轮6-动滑轮图1-4无长轴卷筒与与减速器铰接(2)吊载装置在开动起升机构升降和装卸物品时，吊载装置是直接联系物品的执行构件，因此它对劳动安全和生产效率具有重要的意义。由于机构工作对象种类繁多，如件装得、散粒的、液态的、的等等，他们的物理性质和几何形状又各具特点，为适应各类物品的吊装工作，常用的有吊钩、吊环、扎具、夹钳、电磁盘、真空吸盘、料斗、抓斗、盛统。下面对吊钩以及其夹具加以概略介绍。吊钩分单勾和双钩两种方式。一般在小起重量的情况下，都用单勾，而在起重量较大的情况下，适宜采用双钩。-44-\n图1-5截面应力分析图1-6片式双钩图1-7单勾图1-8双钩-44-\n图1-9单勾及双钩夹套1.4.2旋转机构旋转机构包括支撑装置和驱动机构两部分。旋转支撑装置为起重机旋转部分踢狗稳定的支撑，并将来自旋转部分的压力传递给门架。驱动机构则用来驱动旋转部分相对于门架实现回转。旋转机构的作用是绕起重机的垂直轴线在水平平面内沿圆弧弧线运移物品，当旋转与变幅配合动作时，起重机的服务范围将是一个以最小和最大幅度为内外半径的圆环面。（1）旋转支撑装置旋转部分必然有支撑装置。旋转支撑装置分柱式和转盘式两大类。支撑装置所取的形式对整台起重机的结构情况具有实质性的影响。起重机也因此随旋转支撑装置的形式面分为转柱式、转盘式等，这两种形式在门座起重机中较常见。本设计采用转柱式旋转支撑结构。采用转柱式旋转集成装置的起重机具有一个-44-\n图1-10转柱上、下支撑结构与旋转部分装成一体的转柱，转柱插入门架，依靠上、下支撑座支撑，并通过驱动装置来实现旋转运动。支承座有良好的密封润滑装置以及保证适当的工作条件，此外还必须考虑装拆维修时的操作要求。（2）旋转驱动装置1）传动形式的选择门座起重机一般都采用齿圈式旋转传动机构，通常旋转驱动装置都装在旋转部分上，驱动机构的小齿轮与固定在门架上得大齿圈相啮合，这最后一对齿轮可做成外啮合的，也可以做成内啮合的。-44-\n图1-11旋转机构减速器最近国外有用大力矩径向柱塞液压马达直接驱动与大齿圈啮合的小齿轮。当用多马达驱动时，各套驱动季候用液压系统并联，因而他们能够可以均匀地承受载荷。当旋转功率较大时，可将驱动机构设计成两套独立的装置，这样既便于布置，也有利于驱动装置标准化。-44-\n图1-12竖轴式圆柱齿轮旋转机构3)制动装置对门式起重机旋转机构采用常开式可操纵的制动器（如图13所示）较为合适，即使当风力和旋转部分的惯量所引起的载荷剧烈变化时，他仍能使旋转机构获得平稳的制动。此外，它可以允许臂架在非工作状态时自动顺风调向，以减少迎风面积。制动器应该按中作状态最大风力、臂架处于最不利位置、悬挂着的物品有最大偏角的条件进行计算。在装有极限力矩联轴器的情况下制动器按极限力矩计算。制动器以装在电动机与极限力矩联轴器之间为宜。常开式制动器一般都采用脚踏操纵，并通过钢丝绳、杠杆、液压或气压等传动方式实现上闸制动。4)缓冲装置-44-\n为了减缓旋转惯性载荷与冲击，有些门座起重机的旋转机构装有弹簧缓冲器。减速器通过其输出轴的上下两个轴承支撑在旋转平台机架上，这样减速器就可以绕该垂直输出轴转动，平台上装设两只双向作用的弹簧缓冲器，缓冲器的顶杆与减速器的壳体相连接，起重机旋转时，由顶杆通过弹簧将反力传给平台。1.4.3运行机构运行机构的作用是用来改变门座起重机的工作位置，从而达到在水平方向上移动物品或改变起重机工作范围的目的。门座起重机是有轨运行式的起重机，他只能沿着专门铺设的轨道运行。现代门座起重机的运行机构均采用分别驱动，既每一支腿下面的驱动轮均有一台或多台独立饿驱动装置来驱动。驱动轮所占总轮数的比例，应根据启动和制动时车轮不打滑的要求来确定。一般驱动轮数目为总轮数的一半。门座起重机运行机构有多种传动布置方案本设计采用蜗轮减速器和开式齿轮传动，这种方案传动比比较大，为尽量减小横向尺寸，电动机纵向布置。图1-14门座起重机运行机构简图1-电动机；2-制动器；3-联轴器；4-蜗轮减速器；5-中均衡梁；6-门架支腿；7-大均衡梁；8-弹簧缓冲器；9-轨道；10-齿轮传动；11-手动夹轨器；12-驱动车轮；13-从动车轮-44-\n1.4.4变幅机构变幅机构的用途是改变起重机的幅度或伸距，即改变吊钩(或抓斗)中心至起重机旋转中心轴线的水平距离，以适应起重机在不同条件下装卸货物。变幅机构按作业要求分为非工作性变幅和工作性变幅两种，按性能要求又可分为非平衡变幅和平衡变幅两种。非平衡变幅就是在臂架摆动时，臂架的重心和物品的重心都要升高或降低，在减少幅度时，需要耗费很大的驱动功率；而在增大幅度时，则引起较大的惯性载荷，影响使用性能。因此，非平衡变幅大多用在桅杆起重机、塔式起重机或流动起重机等非工作性变幅，即不带物的变幅。其变幅的速度较低，一般在10～20米份。工作性变幅的起重机在每--I作循环中都要变幅，为提高生产率，节约驱动功率和使操作平衡可靠，需要采用平衡变幅。即应用各种方法使起重机在变幅过程中物品的重心沿水平线或近似水平线移动，而臂架系统的重量由活动平衡重所平衡，两者的合成重心也沿水平线移动。这种起重机的变幅可以较大，用于安装工作时，变幅速度为10～35米／分：用于装卸作业时，变幅速度为40～90米／分或更高；小起重量时，取较高速度；大起重量时，取较低速度。平衡变幅的臂架系统须与起升绳的卷绕和布置方式同时考虑，根据不同的工作要求合理选择臂架的型式及其杆件尺寸，当臂架摆动时，使起升绳的伸缩补偿吊钩的垂直位移，达到吊钩作水平移动的茸的。根据补偿原理，臂架的型式可分为单臂架系统和组合臂架系统两种。在单臂架系统中，都采用绳索补偿法补偿吊钩的垂直位移，以使吊钩作近似水平移动。根据结构不同，又分滑轮组补偿法、转柱导向滑轮补偿法、平衡滑轮补偿法和平衡卷筒补偿法等四种。其中，平衡滑轮补偿法的结构简单、钢丝绳磨损小，目前在大中起重量门座起重机上应用较多。绳索补偿法都具有一些共同的特点，如钢丝绳长，缠绕的滑轮多，在交幅时钢丝绳要在滑轮上滚移，因而加速了钢丝绳的磨损。但由于钢丝绳长，在起升物品时缓冲性能较好，这能减少结构的振动；同时这类补偿都使用单臂架，重量轻，设计也简单。近年-44-\n来，随着钢丝绳质量的提高，滑轮组补偿法和平衡滑轮补偿法都应用的较多。若不用伸缩补偿法，便要用组合臂架系统。组合臂架由臂架、象鼻梁和拉杆等组成。起升绳从吊钩引至卷筒时，可以平行或不平行于拉杆轴线或臂架轴线。总的来说，组合臂架系统的显著优点是不需要单臂架那样的补偿滑轮，因此起升绳长度短、卷绕滑轮少、钢丝绳寿命长；其吊钩位移曲线要比单臂架的吊钩位移曲线平滑；吊钩至象鼻梁端点的距离(即悬挂高度)短，且在变幅时基本不变，这有助于减少物品的摆动，改善变幅工作的性能。详细的介绍可以看第二部分变幅机构的方案选型。1.5起重机主要性能参数起重机主要性能参数指标：对于臂架类型起重机来说，其额定起重量是随幅度而变化的，其起重特性指标是用起重力矩来表征的。标牌上标定的值是最大起重量。起重机标牌上标定的起重量，通常都是指起重机的额定起重量，应醒目表示在起重机结构的明显位置上。当取物装置可以放到地面或轨道顶面以下时，其下放距离称为下降深度。即吊具最低工作位置与起重机水平支承面之间的垂直距离。　　起重机主要参数是表征起重机主要技术性能指标的参数，是起重机设计的依据，也是重机安全技术要求的重要依据。　1、起重量G　　起重量指被起升重物的质量，单位为kg或t。可分为额定起重量、最大起重量、总起重量、有效起重量等。　（1）．额定起重量Gn　　额定起重量为起重机能吊起的物料连同可分吊具或属具（如抓斗、电磁吸盘、平衡梁等质量的总和。　　（2）总起重量Gz　　总起重量为起重机能吊起的物料连同可分吊具和长期固定在起重机上的吊具和剧（包括吊钩、滑轮组、起重钢丝绳以及在起重小车以下的其他起吊物）的质量总和。　　(3)有效起重量Gp　　有效起重量为起重机能吊起的物料的净质量。该参数需要说明如下：　　第一，起重机标牌上标定的起重量，通常都是指起重机的额定起重量，应醒目表示在起重机结构的明显位置上。第二，对于臂架类型起重机来说，其额定起重量是随幅度而变化的，其起重特性指标是用起重力矩来表征的。标牌上标定的值是最大起重量。　-44-\n　第三，带可分吊具（如抓斗、电磁吸盘、平衡梁等）的起重机，其吊具和物料质量的总服额定起重量，允许起升物料的质量是有效起重量。　　2、起升高度H　　起升高度是指起重机运行轨道顶面（或地面）到取物装置上极限位置的垂直距离，单位为m。通常用吊钩时，算到吊钩钩环中心；用抓斗及其他容器时，算到容器底部。　　(1)．下降深度h　　当取物装置可以放到地面或轨道顶面以下时，其下放距离称为下降深度。即吊具最低工作位置与起重机水平支承面之间的垂直距离。　　(2).起升范围D　　起升范围为起升高度和下降深度之和，即吊具最高和最低工作位置之间的垂直距离。　3、跨度S　跨度指桥式类型起重机运行轨道中心线之间的水平距离，单位为m。　　桥式类型起重机的小车运行轨道中心线之间的距离称为小车的轨距。地面有轨运行的臂架式起重机的运行轨道中心线之间的距离称为该起重机的轨距。　　4、幅度L　　旋转臂架式起重机的幅度是指旋转中心线与取物装置铅垂线之间的水平距离，单位为m。非旋转类型的臂架起重机的幅度是指吊具中心线至臂架后轴或其他典型轴线之间的水，平距离。当臂架倾角最小或小车位置与起重机回转中心距离最大时的幅度为最大幅度；反之为最小幅度。　　5.工作速度V　　工作速度是指起重机工作机构在额定载荷下稳定运行的速度。　　(1)．起升速度Vq　　起升速度是指起重机在稳定运行状态下，额定载荷的垂直位移速度，单位为m/min。　　(2).大车运行速度Vk　　大车运行速度是指起重机在水平路面或轨道上带额定载荷的运行速度，单位为m/min。　　(3).小车运行速度Vt　　-44-\n小车运行速度是指稳定运动状态下，小车在水平轨道上带额定载荷的运行速度，单位为m/min。　　(4).变幅速度V1　　变幅速度是指稳定运动状态下，在变幅平面内吊挂最小额定载荷，从最大幅度至最小幅度的水平位移平均线速度，单位为m/min。　　(5).行走速度V。　　行走速度是指在道路行驶状态下，流动式起重机吊挂额定载荷的平稳运行速度，单位为km/ho　　(6).旋转速度ω　　(7).旋转速度是指稳定运动状态下，起重机绕其旋转中心的旋转速度，单位为r/min。-44-\n二．变幅机构的方案选型2.1变幅机构的类型及特点：用来改变起重机幅度的机构称为起重机的变幅机构。变幅机构可以扩大起重机的作业范围，当变幅机构和回转机构协同工作时，起重机的作业范围是一个环形空间，变幅机构包括臂架系统和变幅传动系统。变幅机构按照工作性质可分为非工作性变幅机构和起作用性变幅机构；按照结构形式可分为运行小车式和臂架式（伸缩臂架式和摆动臂架式）；按照臂架的变幅性能可分为普通臂架变幅机构和平衡变幅机构。2.2.非工作性变幅机构和工作性变幅机构（1）非工作性变幅机构非工作性变幅机构只在空载条件下改变幅度，变幅使起重机调整到适于调运物品的位置，因为许多起重机由于受倾翻稳定性和构件承载能力的限制，在吊运重物时必须将幅度调整到允许范围以内，物品搬运过程中，幅度不再改变，因此变幅过程属于非工作性的，称为非工作性变幅机构，亦称为调整性变幅机构。这种机构变幅次数很少，变幅阻力较小，变幅时间对起重机的生产效率影响小。可采用较低的变幅速度，其特点是构造简单，自重轻。（2）工作性变幅机构工作性变幅机构能在带载的条件下实现起重机幅度的改变，为了提高起重机的生产率和更好地满足作业要求，常常需要在吊运重物时，改变起重机的幅度。这种变幅是在带载条件下进行的，其变幅过程是起重机工作循环的主要环节。这类变幅机构成为工作性变幅机构。工作性变幅机构的主要特点是变幅次数频，繁变幅时间对装卸生产率有直接影响，一般采用较高的变幅速度。工作性变幅机构工作机动性好，但工作驱动功率较大，变幅装置构造复杂，重量大。2.3.运行小车式变幅机构和臂架式变幅机构（1）运行小车式变幅机构-44-\n运行小车式变幅机构是通过小车沿着水平臂架运行来实现变幅的。运行小车式有自行式和绳索牵引式两种。运行小车式变幅机构在变幅时重物做水平移动。易于安装就位给安装工作带来了方便，缺点是比价承受较大的弯矩，结构自重大，在大起重量起重机上的应用受到限制，常用中小型上回转式塔式起重机中。（1）臂架式变幅机构臂架式变幅机构分为臂架摆动式和臂架伸缩式两种，臂架式变幅机构起升高度大，拆装比较方便，广泛应用于各类旋转类起重机上。其缺点是幅度的有效利用率低，变幅速度不均匀，不带补偿装置变幅时重物不能做到水平移动，不便于安装就位，变幅功率较大，臂架有倾角，有时会与建筑相碰，影响使用性能。2.4.普通臂架和平衡臂架变幅机构普通臂架变幅机构结构简单，一般用在塔式起重机或流动式起重机上，而却主要是非工作性变幅。平衡臂架变幅比普通臂架变幅机构复杂。但对于需要经常带载变幅的起重机来说，由于提高的性能足以弥补构造复杂、自重大等缺点。因此在门座起重机及塔式起重机的应用日益广泛。变幅机构的设计要求：无论是单臂架系统还是组合臂架系统，他的设计要求都是：在整个变幅过程中使吊钩的运动轨迹尽量接近于水平线。变幅机构的形式综合根据变幅机构的设计要求可得知，我们需要寻找一种机构，使机构上某点的轨迹接近于直线，而实现这个要求的机构也很多有四杆机构、平行四边形连杆组合机构等。另外根据平衡变幅的臂架系统需要与起升绳的卷绕和布置方式同时考虑，根据不同的工作要求，合理的选择臂架的形式和杆件尺寸，使臂架摆动时，起升绳的伸缩得到补偿而达到吊钩水平的目的，又可分为单臂架绳索补偿和组合臂架的补偿。下面就列举几种满足要求的机构：（1）单臂架绳索补偿式四杆变幅机构-44-\n图为四杆机构，A、B、C处均没有滑轮。通过起升绳的补偿，当设计达到AB+BC-A1B1+B1CH时，吊钩可以近似水平移动。从卷筒出来的钢丝绳，经过装在摆动杆上面的导向滑轮B，然后通过臂架头部A。装有补偿导向滑轮的杠杆通过拉杆与臂架连接，实质上就构成了四杆机构。（2）组合臂架式四杆变幅机构1—象鼻梁2—拉杆3—动臂上图即为组合臂架式四杆机构的工作原理示意图。臂架系统式组合式的，它由臂架、象鼻梁和刚性拉杆三部分组成，连同机架一起构成一个平面四连杆机构。如果臂架系统的尺寸选择合适，则在有效的幅度范围内，象鼻梁的端点将沿着接近水平线的轨迹移动。当起升绳沿着拉杆或臂架到象鼻梁从其头部引出时，可满足物品水平变幅的要求。上图中象鼻梁端点的轨迹是双叶曲线，曲线下部近似水平。为了布置方便，起升绳都平行于拉杆的轴线。-44-\n（3）平行四边形四连杆机构图所示的平行四边形组合臂架，通过拉杆、象鼻梁、臂架与连杆构成的平行四边形机构，可保证物品严格地走水平线。但其在工作中会产生物品的偏摆，钢丝绳偏摆的角度相同时，钢丝绳悬挂长度（摆长）大的物品，尤其是圆弧偏摆幅度也大。在同样幅度情况下，直臂架的物品悬挂长度比较组合臂架大1.4~1.7倍。尤其当小幅度的时候，差别更大，因此物品的圆弧摆幅度差不多也以同样的倍数增大，这既给操作工序带来不便，而且也对电动机造成不稳定载荷。综上所述的方案中，选取第二方案，其优点是：物品的悬挂长度减小，摆动现象减轻，起升绳的长度和磨损减小，寿命长。吊钩的水平位移平滑。虽然连杆机构不适于告诉运动场和，而这里的场合也不宜高速，同时它所具有的各种优点，性能均满足要求。-44-\n三．四连杆组合臂架各杆件尺寸的确定首先假定在三个幅度时，吊钩的位置均在同一水平线上，如图：1.求取臂架长度a及象鼻梁前段长度d按上图可列出方程组：其中Rmax=27.8mRmin=6.3mH=14m根据经验，角度应选取范围为：~考虑到未获得比较均匀的变幅速度并使载荷对臂架下铰点为力矩较小，、-44-\n应取较小值，、应取较大值。为了缩短a和d的长度以减轻臂架系统的重量，有时使、取较大值；、去较小值。由方程组（1）解出：（2）（3）2.定出拉杆铰点O1，即定出A和B的值；A=（0.25~0.4)a，B=（0.15~0.3)a。对于码头作业的门座起重机，A取较大值，B去较小值。这里A=0.4aB=0.15a。又可以根据经验取：R=Rmin+（3/4~4/5）（Lmax-Lmin）这里取R=6.3+3/4(27.8-6.3)=22.4这样根据图又可列出方程组：方程组的右边均为已知的，所以可设：-44-\n带入方程组（4），可解得：其中：这样就可以算出a、c、d及的值。3.把变幅范围分为6~10个位置，根据求出的尺寸检验变幅性能，并进行局部修改。（1）吊钩水平位移差值，一般要求；水平位移曲线的斜率，亦可由载荷引起对臂架下铰点的力矩尽量小；（2）臂架等角速旋转时，象鼻梁端点的水平移动速度不能相差太大，一般要求。如果水平速度相差悬殊，则会导致物品剧烈摆动。经多次选择和查阅资料可得出四连杆组合臂架系统的尺寸及性能参数见表：（单位：m）RmaxRminHABCDEFGSHH/sVmax/vmin27.86.3147.75.62422.13.8100.421.50.630.362.91-44-\n四．刚性四连杆变幅机构的运动分析4.1.机构运动分析的目的与方法为机构的运动分析，就是根据原动件的已知运动规律，求出该机构的其他构件某些点的位移，轨迹，速度，和加速度，以及这些构件的角位移，角速度，角加速度。上述内容，无论是对于设计新的机构，还是了解现有机械的运动性能，都是十分重要的。例如，通过对机构进行位移或轨迹的分析，可以确定某些构件在运动时所需的空间；判断当机构运动时各构件之间是否相互干涉；确定机构中从动件的行程，考察构件上某点能否实现预定的位置或轨迹要求等。通过对机构进行速度分析，可以了解从动件速度变化规律能否满足工作要求。例如，就牛头刨床来讲，要求刨刀在工作行程中应接近于等速运动，而空回程的速度则应高于工作行程时的速度，因为这样才既能提高加工质量，延长刀具寿命，又能提高工效。那么所设计的刨床能否满足这样的要求，就需要对其进行速度分析。其次，由于功率是速度和力的乘积，所以功率已知的条件下，通过速度分析还可以了解机构的受力情况。此外，机构的速度分析还是进行加速度分析的必要前提。通过对机构进行加速度分析，可以确定各构件及构件上某点的加速度，了解机构加速度的变化规律。这是计算构件惯性和研究出机械动力性能的必要前提。下面介绍几种分析方法，主要有图解法和解析法。图解法的特点是形象直观，对于平面机构来说，一般也较简单。但精度不高，而且就机构的一系列位置进行分析时，需要反复作图，也相当繁琐。而解析法的特地点是把机构中已知的尺寸参数和运动变量与未知的运动变量之间的关系用数学式表达出来，然后求解。因此解析式一旦列出，则机构在各位置时的运动变量的计算就很便捷了，而且可获得很高的计算精度，同时还可以把机构分析问题和机构综合问题联系起来，便于进行深入的研究，其缺点是不像图解法那样形象直观，而且计算式有时比较复杂，计算工作量可能很大。4.2.图解法4.2.1.轨迹分析：-44-\n根据已知条件将机构的运动过程均分为15等分，即分为15个不同阶段，将各个阶段机构输出点得位置绘出，用平滑的曲线将其连接即可得到输出点得轨迹，下面即为图解法的分析过程及结果。4.2.2.速度分析利用瞬心法可方便快捷地输出点得速度，如下图，P,P’点即为机构在变幅最大和最小处的速度瞬心，各点的速度均可直观在图中看出。五．利用MATLAB进行四连杆变幅机构的运动分析-44-\n5.1.变幅机构象鼻梁前端轨迹方程变幅机构的简图：（1）象鼻梁M点得轨迹关系式：如图可得：其中x2=24m；又其中F=10,G=0.4-44-\n由图可得：当摆角在最大幅度时，y=H=14m，列方程：求的当摆角在最小幅度时，y=H=14m，列方程：求得及求出了的范围为~及M点的轨迹图：-44-\n由为未知又在RT中有在中有及为未知在中则为未知又为未知又，-44-\n又即可求出任意位置M点得位置坐标（x,y）利用MATLAB编程就可得到M点得轨迹图：5.2.象鼻梁M点轨迹曲线绘制的MATLAB程序及轨迹图在求得臂架摆角，之后，在臂架摆角的行程内，以摆角为自变量，即可计算出象鼻梁头部M点得x，y值，并绘制成曲线，可先计算编制成子程序M文件，再在主程序中调用程序进行计算并绘制曲线。以下是MATLAB程序文件及输出点M得轨迹曲线图。M点得轨迹程序：alpha=[42:0.01:81]*pi/180;x2=24;E=3.8;F=10;G=0.4;x3=sqrt(E.*E+G.*G);x4=22.1;x5=7.7;x6=5.6;x1=sqrt(x5.*x5+x6.*x6);theta=atan(x5/x6);beta=pi-theta-alpha;x7=sqrt(x1.*x1+x2.*x2-2.*x1.*x2.*cos(beta));x8=sqrt(F.*F+G.*G);phi1=atan(E/G)+atan(F/G);phi2=acos((x3.*x3+x7.*x7-x4.*x4)./(2.*x3.*x7));phi3=asin((x1./x7).*sin(beta));phi4=pi/2-alpha;phi=2.*pi-phi1-phi2-phi3-phi4;x=x2.*cos(alpha)+x8.*sin(phi);-44-\ny=x2.*sin(alpha)-x8.*cos(phi);plot(x,y)M点得轨迹曲线：（单位m）5.3变幅机构象鼻梁前端M点得速度分析-44-\n(1)象鼻梁M点速度的关系式：由分析可知：x2=24m，x10为未知又x13为未知又x10=OP-OD=x9-x2x9未知在中有：x1=OBx9=OP未知又为未知在中，有则又再求x13在中有则x11,a未知又b未知故可求出利用MATLAB编程就可求出象鼻梁M点得速度曲线图-44-\n（2）象鼻梁M点速度曲线绘制的MATLAB程序及速度曲线以下是MATLAB程序文件及输出点M的速度曲线M点的速度程序：alpha=[42:0.01:81]*pi/180;x2=24;E=3.8;F=10;G=0.4;x3=3.8210;x4=22.1;x5=7.7;x6=5.6;x1=9.5210;x8=10.0080;theta=atan(x5/x6);beta=pi-theta-alpha;x7=sqrt(x1.*x1+x2.*x2-2.*x1.*x2.*cos(beta));phi1=atan(E/G)+atan(F/G);phi2=acos(x3.*x3+x7.*x7-x4.*x4)./(2.*x3.*x7);phi3=asin(x1.*sin(beta)./x7);phi4=pi/2-alpha;phi=2.*pi-phi1-phi2-phi3-phi4;x=x2.*cos(alpha)+x8.*sin(phi);y=x2.*sin(alpha)-x8.*cos(phi);beta2=acos((x4.*x4+x3.*x3-x7.*x7)./(2.*x4.*x3));beta1=2.*pi-beta-beta2-phi2-phi3;beta3=pi-beta1-beta;x9=(x1.*sin(beta1))./sin(beta3);x10=x9-x2;-44-\nx12=(x1.*sin(beta))./(sin(beta3));x11=x12-x4;b=atan(G/E);a=pi-b-beta2;x13=sqrt(x11.*x11+(E+F)^2-2.*x11.*(E+F).*cos(a));w=1;w1=(x2.*w)./x10;v=x13.*w1;plot(x,v)M点得速度曲线：-44-\n5.4.N点变幅力矩曲线绘制的MATLAB程序及力矩曲线求M点得力矩：即查表可得M5-30的起重量为又且有则则N点力矩为-44-\nN点的力矩程序：alpha=[42:0.01:81]*pi/180;x2=24;E=3.8;F=10;G=0.4;x3=sqrt(E.*E+G.*G);x4=22.1;x5=7.7;x6=5.6;x1=27.8;x6=5.6;x4=22.1;Q=50;x1=sqrt(x5.*x5+x6.*x6);theta=atan(x5/x6);beta=pi-theta-alpha;x7=sqrt(x1.*x1+x2.*x2-2.*x1.*x2.*cos(beta));x8=sqrt(F.*F+G.*G);phi1=atan(E/G)+atan(F/G);phi2=acos((x3.*x3+x7.*x7-x4.*x4)./(2.*x3.*x7));phi3=asin((x1./x7).*sin(beta));phi4=pi/2-alpha;phi=2.*pi-phi1-phi2-phi3-phi4;x=x2.*cos(alpha)+x8.*sin(phi)+3.15;y=x2.*sin(alpha)-x8.*cos(phi);beta2=acos((x4.*x4+x3.*x3-x7.*x7)./(2.*x4.*x3));beta1=2.*pi-beta-beta2-phi2-phi3;theta3=beta1-theta;L1=x5+x4.*sin(theta3)-x2.*sin(alpha);L2=x6-x4.*cos(theta3)+x2.*cos(alpha);L3=x+x6-x4.*cos(theta3);fa=Q.*(L13-L12)./(L11.*cos(theta3)+L12.*sin(theta3));theta=atan(x5/x6);F2x=fa.*cos(theta3);F2y=Q+fa.*sin(theta3);M=F2y.*x2.*cos(theta)-F2x.*x2.*sin(theta);plot(x,M)N点的力矩曲线-44-\n六．设计小结:-44-\n通过三周的专业课课程设计，让我更深刻的了解到了机械设计的重要性与严谨性，从刚开始的资料储备，我不光看了大量关于起重机的书籍，像机械工业出版社出版的《起重机设计手册》，《起重机设计》等，而且还从各类学术网站上查阅了大量有关起重机变幅机构的设计的知识，让我从功能，结构，用途等多方面了解了起重机。再在刘老师与李老师的指导下，我终于从不知如何下手到当时已有了一个大致的设计构思。首先，我对起重机从概念，分类，发展与主要参数进行了概述，其次我根据我们的题目——刚性四连杆变幅机构的运动分析与综合出发，对起重机变幅机构进行了机构选型，最后我还运用我们目前所学知识，对我们所设计的机构分别从图解法与解析法进行了运动分析，包括轨迹分析，速度分析，角速度分析和变幅力矩的分析。在这次课程设计中我充分的运用了我们所学的知识，如用AUTOCAD,POR/E等绘图软件绘制和模拟运动轨迹，利用MATLAB分析其运动特性。当然这次课程设计也让我了解到，我们现在所学的知识太少，干什么课程设计都需要一些模板类的东西作为指导，遇到的很多问题都需要老师与同学的指导与帮助，所以我们所要学的知识还有很多很多。参考文献-44-\n【1】蒋国仁．港口起重机械．大连；大连海事大学出版社，1995【2】《起重机设计手册》编写组编。起重机设计手册．北京：机械工业出版社，1986【3】胡宗武，顾迪民．起重机设计计算．北京：北京科学技术出版社，1989【4】郑见粹。港口多用途门座起重机综述。港口科技动态，2000【5】刀张大可．塔式起重机变幅机构运行的刚体动力学仿真重．起重运输机，2005【6】李勇智．臂架类起重机回转机构制动时动载荷分析．湖北工学院学报，2002【7】方同，薛璞．振动理论及应用．西安：西北工业大学出版社，1998【8】李克勤，具有近似水平直线运动轨迹双摇杆变幅机构的运动学分析与计算．港口装卸【9】陆国贤等．《门座起重机设计》．北京：人民交通出版社，1985【10】杨长骥，傅东明．《起重机械》(第2版)．北京：机械工业出版社，1992【11】魏兵，熊禾根.《机械原理》.武汉，华中科技出版社，2007-44-