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液压起重机的设计、制造与测试Muhammadu Masin MUHAMMADU联邦大学机械工程系学报P.M.B. 65, Minna, N摘要： 本文中液压起重机的设计、制造和测试，可取代当地用手搬运沉重负荷的传统方法，重点放在起重机的性能、安全性和可靠性上。液压起重机可用当地现有的材料制造，一次载重可达1000Kg。该起重机包括六个主要的承载部件，以一个特定的方式接合在一起，分别为执行机构、油箱、软管、导管和由直流电动机供电的液压泵。我们对操作原则、制造细节和方法都进行了认真分析，明确列出了计算过程，材料选择和成本也经过详细讨论。本起重机安全系数（FOS）为2，绩效考核表明它的效率值达到81.2。【Muhammadu Masin MUHAMMADU. 液压起重机的设计、制造和测试。NatSci2012;10(12):1-6.(ISSN:1545-0740).. 】关键词：液压泵，执行机构，液压起重机，可靠性，负载，软管，效率1、 介绍 液压起重机是一种使用液压系统（使用特殊的液体）来传输一点到另一点负荷压力的液压机。通常，这些液体不可压缩，工作在最大密度状态。大多数时候，这种液体只是常规石油。机器基本上是依靠活塞通过液压油传递压力并驱动另一个活塞来工作的。所以基本上当一个活塞下降时，另一个被提起。它只利用一个或多个简单的机械部件就可以像吊重机一样利用机械优势来移动超出人类承载能力的负荷（Muhammad，2004年）。起重机被普遍用在运输行业（装货或者卸货）、建筑行业（材料运输）、制造行业（重型设备的组装）（Decker和Robert，1980）。 起重机在兴建房屋、建筑物、城市和国家的整个历史过程中扮有重要角色。金字塔的建造很可能利用了起重机来抬起当时最重的材料，其重量是用脚搬运的人所无法现象的。最能代表起重机出现的时期是公元前3000年埃及拉美西斯政权统治时期：描绘了一个用于收集水的起重装置。但第一个“起重机”出现在古希腊，在公元前五世纪被用来建造整个国家。起重机一开始用木头制作，直到设计者建造大船坞时才觉得需要一种更大更结实的的起重机。1884年，在英国波尔顿Hick Rothwell公司，起重机用铸铁制造成功。该起重机能举起2吨的重物。后来德国的高级委员会官员Herr Albert Sr.又将钢丝绳运用到起重机上。钢丝绳的运用意味着起重机更结实、更耐用，能更好地提升重物。钢丝绳绕在一起，不仅带来更好的灵活性，也使起重机获得更大的承载能力。德国也决定采用铸铁制造起重机，四年后，第一台铸铁起重机在Neuburg制造成功。Joseph Monier提出一个想法，即将铁丝网植入到混凝土中，以增加起重机的强度。他注意到，混凝土能承载重物的压力，但不能承载牵引力。不过随着改造，他有能力创造出工作更有效的起重机。新的工程项目如桥梁和铁路建设的不断涌现，意味着起重机设备要跟上时代。英国的William Fairbain提出一个想法，将两个拱形的吊臂铆接在一个起重机上。实践证明他的想法很成功，开发的设备更稳定，并能安全执行举重作业，此后不久，他申请了个人专利。 1868年，Aveling和porter公司考虑将起重机安装在汽车上，这样起重机就能移动了。最终在1884年制造成功，蒸汽牵引机和蒸汽压路机公司将它命名为“little Tom”。little Tom抓举能力为2吨，并且可实现抓取、运载动作。在龙门起重机上第一次安装格构梁主要是受到1874年德国正在建设大量桥的影响。同时，这是第一次所有起重机都用铁制造，设计师发现这种材料可以帮助起重机更好地应付压力。 虽然起重机已经走过了漫长的道路，第二次世界大战的发生，使人变得更具创造性，但是直到1946年，英国的起重机制造商F. Taylor和他儿子才生产出第一台液压起重机。尽管它只在公司内部使用并且不能换向和转换，但它的42和50 系列的却对外开放使用，液压机上安装一个缸，缸被提升和降低，其力量像在液压泵的作用下的爆炸一样。当公司不再使用车辆作为起重机的底盘时，开始生产自移动式液压起重机。 在20世纪50年代，起重机很受欢迎，因为它可以重建战争中无论什么样的炸弹毁坏的房屋、城市、甚至国家。液压系统变得越来越复杂，都采用了齿轮系统和泵，其使起重机作业时卡车可以保持不动。装配随车起重机的第一辆卡车的外观设计来自诸如液压工厂AB等公司。1952年，A2系列液压起重机面世。此模型基本上是安装在雪佛兰车背面的，全部配有液压提升缸和钩状卷扬机。这种随车起重机开启了制造热潮。位于Bremen的公司AlasWeyhausen也开始了生产类似的版本。 起重机现在变得越来越先进，公司和制造商可制造出更精确的绞车、可伸缩吊臂、优化液压泵，可利用不同的材料以改变起重机的制造工艺。 Steinbeck Moosburg设计的装有卷扬机的液压卡车起重机，一次可以扭转并抬起一吨的重量，可想象出其设计有多么的复杂。一个叫Liebhero的公司开发出一系列起重机，比如熟知的14A和25A系列。特殊的液压油被压进杆臂，使起重机具有自动升降的能力。 起重机可实现的功能越多，尤其是在一次作业中，就会越流行。Demag Zug制造了一个有25吨起重能力的起重机，它也有利用伸缩臂实现快速运动的液压缸，几种不同的运动可以同时进行。移动式液压起重机经过了多年的发展，Gottwald液压起重机对它未来进一步的发展很重要。1959年的HKM120在另一个方向迈出步伐，那时起重机越大就越好。HKM 120有一座塔，增加了驾驶室，和一个可弯曲起重臂。到上世纪80年代的时候，起重机到处都是，每一个建筑公司争先恐后地争取比其它公司拥有更好的。设备公司将起重机安装在拖拉机上是一个可以预见的趋势。将起重机做得更大依然重要，从现在最大的起重机Hydra Husky 36/40 TS就可以看出来。或许最重要的挑战是我们如何使用和重视起重机。发动战争之前，起重机卡车得到重视，在冲突不断的时期它到底可不可靠很是重要。战争以后，重点就放在了起重机是否舒适上，能否用最小的维护成本和造价来获得最大的效益。能够很好地操作起重机的液压系统是最重要的，比如65系桁架臂起重机因为他们的实用性和功能性而得到热卖。(/wiki/index.php/Hydraulic Truck Crane, 10 Nov, 2009)。2、 设计分析与计算 起重机由连杆结构或桁架组成，由几个杆或棒以一个特殊的方式结合在一起，棒是结构的基本组成部分。受张力的部分被称为“领带”，受压力的部分被称为“支柱”（R.K. Rajput,1998年）。 框架结构主要有三种类型：高效的和静定的、欠定位或不完善和过定位。一个结构被认为是“有效”的，如果它满足方程： m= 2j 3 (1)其中， m=构件的数量 j=构件的结点数 当m的数值小于给定值时，结构就会“欠定位”或“不完善”，但如果m大于给定值，就会产生“过定位”结构(R. K. Rajput 1998). 在对起重机的每个做受力分析时，我们做出以下假设：所有构件之间铰接，而且只在铰接处受力，框架结构视为理想的，忽略所有构件自重(Rajput, 1998)。起重机的结构的示意性布局，如图2.1所示。各构件结点分别标记为A, B, C, D, E, F, G, H, 和 I。请注意，这是一个简化的视图，仅示出的起重机主要结构部件在平面中负载所产生的力。分析每个承载构件所受的力需要用到静定平衡方程式M= 0 (Rajput 1998)。这些力（负载所施加的力）利用矢量法计算得来，施加的力为最大负载即1吨（或10吨），如表3.2所示。请注意，所有的尺寸都以毫米为单位。3、 载体（滚子）受力分析 滚子在A、B两点分别对起重机施加竖直方向的力。力的大小可由静定平衡方程（即M= 0）得出，计算如下：对A进行力矩分析我们可得 （2） 竖直方向列平衡方程，可得：RA=10RB=1010.34=0.34KN (3)4、 起重机各个负荷承载件的的受力分析 连杆/驱动器（即构件5）是一个液压缸，只能在一个方向受力。它由缸筒、端盖，缸底，活塞和活塞杆。 施加在驱动器上的力RH的计算方法是单独隔离分析构件6，如上面的图3.3所示。对G点进行矢量分析得： MG=0= RHY490101200 （3）得： （4） 驱动器的两端用销钉连接，而且只有两端承受负载，因此它是一个二力杆，受力方向沿杆的方向。RH的矩形分量RHX和RHY如图3.3所示，易知：得： （5） 那么，驱动器所受合力为，= （6） 我们知道，点构件5上F和H点所受的力的大小相等，而且方向在同一条直线上，与水平线成44.4。这些力的反作用力作用在构件4的竖直方向以及构件6的水平方向。通过分析分离体构件6示意图，RH计算得35.0KN。这表明，构件5受到来自两个构件的压力。 对构件6在水平方向受力分析可得，RHX=RGX=25.0KN （7） 同理，对点H受力分析可得，MH=0=RGY49010(1200490) (8) （9） 对点7进行受力分析，在水平方向上有， (10) （11） 因此，FD杆受压。 同理，对构件1分离，受力分析可得,MA=0=RCY46010.341160 (12) (13) (14) (15)合力， （16） 分析水平方向合力可知， （17） 同理，C点矢量和为， （18）5、 制造和测试 尽管一部分配件可以从市场上买到，但一部分关键部件还需要专门制造。下表列出了一些构件的不同的制造详细细节。表1：制造工艺过程操作加工工具材料手柄制作及修饰电焊机，研磨机，钢锯低碳钢切削和研磨工形截面柱火焰切割机，研磨机低碳钢焊接接头电焊机油箱制造电焊机，研磨机，钢锯铝合金板材6、 装配 各个构件的装配过程表述如下：一、利用工字钢焊接出起重机的大体框架结构，连杆用螺栓及紧固件连接在一起；二、将链条以及挂钩焊接到顶部的杠杆臂上；三、将液压泵安装到液压起重机的框架中；四、将油箱安置在起重机的中部；五、调整M10螺栓减轻活塞顶部的杠杆臂；六、将油箱焊接到机器延伸结构上并固定好连接机构；七、安装液压油控制阀，并连接好液压管，以保证油缸的正常驱动；八、用金属夹密封橡胶高压软管和铜高压软管；九、焊接箱的外表面，分别填充液压缸和液压油管线路。7、 修饰 修饰步骤会按照具有吸引力的美学来操作，如下所述：用砂纸或铁砂清除边缘和表面毛刺，用煤油清洗掉表面的废油和灰尘，对起重机进行喷漆，防止腐蚀同时增加美感。8、 测试 成功装配完起重机，就需要性能测试。旨在分析起重机举起、放下不同负载时的性能以及舒适性。由计算可知，如果负载值超出额定值，就可能会出现下列损耗：摩擦损耗，粘性损耗，泄漏损耗和传输损耗。 测试操作如下：一、举起一个标重（如100kg，200Kg，300Kg等等）二、关闭泄压阀；三、在地上记录负载的重量；四、记录达到最大负载所消耗的时间；五、使负载在不同的时间间隔内停止移动；六、查看负载重量是否减轻。注意，如果负载示数降低的话，可能系统会有泄漏。泄露可能来自：液压缸，阀（排气阀），泄压阀以及软管。表2、测试结果/lb负载/Kg手控举起负载耗时/s电控举起负载耗时/s回程耗时/s3515.912080407031.812080368036.3120803111552.2120802716072.612080219、 操作方式 对于操作员，无论对什么样的机械或设备，操作方式都是无比重要的。起重机的系统有两种操作方式：手控操作和电控操作。 当电控操作时，回流阀被逐渐向下压从而使上部水平臂和钩子下降。负载是指悬挂在挂钩上的物品，为了避免事故的发生，必须很小心地挂载。由于电动机是一个12V的直流电动机，起重机也需连接到12V直流电源。其实现的方式的有两种：一、直接使用12V电池；二、使用一个交流电适配器，直接使用家用220V电压。电动机驱动四杆机构，机构将不可压缩液压油压进推杆，推杆反过来驱动上面的水平杆，使负载达到一定合适的高度，从而达到快速移动的目的。这种方法更加有效、节能、省时。这是车间起重机的改进方法。当手控操作时，操作过程几乎相同。与液压泵的连接被断开，操作员用手控制液压泵，在移动负载之前，必须先要到达到最高位置。这种方法费时、能耗高并且不方便。这是目前存在的系统。10、 工作展望今后将机器人设备并入起重机，可使起重机实现自动化。这种情况下，必须要有一个工作站来控制它。这将节省很多时间和能源，因为它工作更快，工作效率更高，也减少了工厂和车间事故发生率。11、 小结液压起重机的设计需要分析每个构件的受力情况，连杆机构的分析，最大负载时驱动器的压力计算，材料选择以及成本预估。其涉及车间操作的制造细节有切割、加工、焊接和表面处理，这些都利用当地现有的材料。与现有起重机的手控操作不同的是，电控系统被运用进来，液压泵依靠电力来驱动。这种电动系统也可以被分离，此时液压泵可以手控操作，使起重机形成两种工作方式。至于性能以及成本评估，其工作效率好、可信度高而且节约成本。另外，其外表还有很好的美学价值。12、 参考文献1. Muhammadu M. M. (2004), Design, fabrication and testing of hydraulic Crane2. Arthur P.B. (1978), Advance Mechanics of Materials, 3rd edition3. Budinski K. (1983); Engineering Materials Properties and Selection, 2nd edition. Published by Reston.4. Decker I. (1989), Hydraulics, Mid-America Vocational Curriculum Consortium, Inc.5. Morton D. H. (1989), Polymer Processing Chapman and Hall London.6. Niebel W. B. and Wyok D. A. (1999) ModernManufacturing and Process Engineering. McGraw Hill book company.7. Paterson E. B. (1979), Practical pneumatics, Introduction to Cost Automation. McG