起重機的結構與機械原理計算分析范文

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摘要:起重機是從傳統工業逐漸發展起來，并在現代工業繼續得到發展的大型機械裝置，其作業范圍廣，作業條件要求寬松，隨著核電行業的重啟復蘇，西部基建投資的加大，以及鐵路網路軌的建設按照計劃展開，起重機作為相關上下游產業，將獲得較大的市場機會，因此分析目前的產業現狀，對起重機進行適應性的優化設計，將為該行業開拓更廣闊的市場。

關鍵詞:起重機;轉動關節;力矩;力的分布;穩定性

在日常生活中，大型機械設備已經出現在各個行業，其形態令我們眼花繚亂，比如起重機、潛水鉆孔機、壓路機、混凝土攪拌機等等。常見的起重設備有根據行走方式的區別可以分為履帶式吊車與輪胎式起重機兩種;輪胎式起重機一般用于碼頭或倉庫應用，它一般用于吊裝大型的集裝箱。還有一種常見的起重機稱為汽車起重機，其特點是不展開其中裝置時其與汽車無異，而在展開時有需要有支撐裝置保證其平穩而不會被吊起的重物失去平衡。汽車起重機一般用于工程上，這種大型的機械設備自然而然就會存在一些隱患。比如汽車起重機，在日常生活中，這種機械設備當然不難見到，但是因為操作導致汽車起重機側翻而造成財產損失或人員傷亡的事件屢見不鮮。出現這種事故的主要原因就是吊的重物超過了汽車起重機所規定的重量，其力矩超過了起重機的自重力矩導致起重臂損壞而使起重機側翻。圖1按照上圖所示結構，起重機由以下幾個主要組成部分構成:支腿主要負責起重的穩定性、起重臂負責具體實施吊裝、轉動卷筒負責力臂長短的調節、鋼絲繩則相當于柔性受力機構，以上是起重機的主要結構。運行結構是通過起重機吊起后，通過底部支撐平臺水平運行來實現水平搬運物料的結構。而變幅結構為臂架起重機特有的工作結構，它類似于人的手臂可以伸展握緊等動作，起重手臂則通過操縱變幅結構實現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，將起重機的自重拔起，而導致了起重機側翻。旋轉結構是臂架繞著起重機的垂直軸進行旋轉所采取的機械組成部分。起升結構類似于電梯的升降原理，是用來實現的垂直升降的結構，通過其實現在環形空間運移動物料，配合之前其他結構組成部分，起重臂可以實現3D空間的自由運轉。平常生活當中我們見到不少汽車起重機，不管是大型的或者稍微小型的起重機，它們在起吊貨物之間都會將汽車兩邊的像支架的東西升起來，這是因為在起吊重型貨物時，為了防止起重機在提重物時容易爆胎，或者把地面壓爛，這些支腿可以分散壓力，降低壓強，加大與地面的接觸面積，有些時候我們也會看到支腿下面還要墊大枕木的，這也是為了降低壓強。而汽車起重機的起重臂是其中最復雜最重要的部分，起重臂實際含多個轉動關節，由于轉動關節的互相串聯使用，可以像手一般靈巧。吊臂為了靈活性，在設計主臂的基礎上設計了副臂，汽車起重機副臂的作用是補充主臂的不足，當主臂的高度不能滿足作業實際需求時，可以在主臂末端臨時連接副臂，相當于延展了臂的作用范圍，以達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臂，其橫截面較小，剛度相對有限，只能提升較輕的物體。圖2塔式起重機結構示意圖如圖為建筑工地上常見的塔式起重機示意圖，這種起重機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行分析，分析將從靜力學穩定性，力矩穩定性，穩定性改善措施以及起吊自由度等4個方面展開。

1靜力學穩定性

起重機在起吊的作業過程中其豎直方向上的力由起重機本身的自重，以及吊起物的質量之和組成，因為這兩個力在過程之中不會改變，因此本文不研究在豎直方向上的靜力學穩定性。在水平方向，由于起吊時全重心在起重機自重重心之外，起重機本身對地之間的擠壓力較小，只能產生較小的靜摩擦力，而當重物舉起過頂時，與地面有最大的擠壓力，此時的靜態穩定性最好:Nmax=Gz+Gt其中Gz為起重機自重，Gt為起吊的重物的質量。fmax=μ(Nmax)從以上的分析可以看出，在靜態二點穩定性，當起重機的設計重心確定后，其主要依靠在作業過程中的起吊幅度，如果轉運幅度過大，則易引起起重機離地側翻，破壞靜態力學穩定性。

2力臂穩定性

由于起重機的力臂由多根通過轉動關節連接而成，即力臂是一組受力集合體，其最脆弱的受剪力部分在于轉動關節，其次，由于設計可伸縮，則遠端的力臂的截面積要遠小于近端的截面積，因此從受力的強度來說，最近的一支有著最好的剛度，而最遠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，通過擴大起重機的地面支撐有效面積，則有效的伸展幅度將減小，從而達到了提升起重重力的效果，因此，在準備起吊重物時，通過起重機自身重心的就近調整，可以提高起吊的穩定性。典型的，若最大起吊幅度為10M，配重距支架4M，若配重質量為3T，則該起重機最大起吊幅度時能吊起的重的估算過程為:由杠桿平衡條件:F1L1=F2L2可知，當動力與動力臂不變時，阻力與阻力臂成反比，即阻力臂越大，阻力越小;阻力臂越小，阻力越大。配重的重力為:G=mg=3000kg*10N/kg=300000(N)根據杠桿平衡原理得:起重機在最大起吊幅度時能吊起物體的重力G'=G2L2/L1=12000(N)圖3輪式起重機示意圖如圖是液壓起重機的示意圖，O為支點，F1為動力，B為阻力作用點，已知B點懸掛了一個重量為4000KG的物體，OB為40米，已知動力臂OA為20米，根據杠桿的平衡原理估算F1動力為:動力*動力臂=阻力*阻力臂F1L1=F2L2F2=mg=4000kg*10N/kg=40000(N)L2=40m1L1=20mF1=F2L2/L1=80000(N)即F1動力為80000N。以上通過靜力學平衡列出了力學方程，以及力矩方程，分析的前提是力學穩定性。

3穩定性改善措施

隨著在大型機械施工的復雜性提高，就如何在復雜地貌條件下去保證大型機械操作的安全性以及實用性，需要我們深入研究機械裝置以及機械結構，對將來怎樣改進這些大型的機械設備至關重要。對于力臂較長的起重裝置，在力臂上增設滑塊，可以有效配平不對稱重量，將穩定性提高，其理由在于:F1L1=F2L2±F3L3其中活動滑塊作為調度因子，可以作為調節項，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，在設計中，參考了人體的運動規律和組成結構;考慮一個6自由度的機械手，其在作業過程中，機械手在從一個自由度構型移動到另一個自由度構型的時候，無法保持末端機構始終不動，既發生了扭轉。由此可以證明，6自由度不滿足實際應用條件，因此自由度必須不小于7個，但同時，大于7個的自由度，由產生了一個自由度的冗余，如果不考慮設計備份，則更多的自由度會帶來2的冪次的控制復雜度。在此基礎上考慮的7個自由度，能保證在移動末端機構的朝向的過程中不會由側向的位移和轉動過程，因此移動的時候末端機構的三維位置可以維持平動。縱向又可以其余自由度通過調節高度來實現，因此7自由度實現了三維空間的自由移動。正如人手時進行類似打羽毛球的精細動作，這個情況下是人胳膊的末端機構即手的三維位置可以不變，而在扣球的瞬間通過扭動手腕實現切向加速。人能夠實現這個復雜的動作，就是因為我們的胳膊恰好有7個自由度。如果將自由度減小至6個自由度的話，則最后的扭臂動作不能完成。同時因為自由度處對應扭轉關節，即受剪力最弱部分，則自由度越多必然導致機械手剛性越差。考慮機械手有8個自由度，那么其折斷的概率會更加很多。機器人學科中對機械手臂的研究已經證明這個問題。圖47自由度轉動旋轉關節

5起重機未來發展趨勢

起重機未來的發展趨勢一方面是市場容量的擴張，一方面時是細分類型的增長。隨車起重機市場規模高速增長，預計未來五年中國隨汽車市場規模達150億元。考慮到起重機向高噸位和高端化發展，伴隨起重機市場設備單價上升，市場規模增速應大于銷量增速，這就為其正常發展預留出了空間。在細分類型方面，大噸位汽車起重機加速滲透，作為起重機行業新的型號增長點。隨著對起重機力學研究的深入，未來滿足高空作業，以及惡劣條件作業的高穩定性產品也即將面世，豐富起重機的產品目錄。

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作者：張佳宇 單位：四川省成都市石室中學