起重机毕业设计

1、. . 毕 业 论 文起重机的设计研究 院 部 机械与电子工程学院 专业班级 车辆工程3班 二一五年六月六日装订线. . . 1 目 录摘要IAbstractII引言11 绪论11.1 国内外研究现状分析11.2 主要研究内容11.3 论文组织结构22 履带式蜘蛛起重机总体方案设计22.1 设计内容22.2 臂架设计22.2.1 绳排系统32.2.2 伸缩功能的实现32.2.3 伸缩的过程图解52.3 转台的设计52.3.1 转台的材料62.3.2 转台的受力计算和强度校核62.4 履带的设计72.4.1 履带架结构设计72.4.2 履带架附属件82.4.3 履带板设计92.5 支腿的设计10

2、2.5.1 支腿反力计算102.5.2 支腿收放时间计算122.6 液压系统122.6.1 回转回路13图2-9回转回路液压系统132.6.2 变幅油路13图2-10变幅油路液压系统142.6.3 支腿油路142.6.4 履带张紧油路142.7 发动机143 履带式蜘蛛起重机的仿真分析153.1 计算机辅助设计153.1.1 基于特征的三维造型153.1.2 装配体设计163.1.3 运动仿真163.2 计算机辅助工程分析173.2.1 支腿项目信息173.2.2 支腿约束和加载183.2.3 支腿单元网格的划分203.2.4 支腿应力结果分析224 结语23参考文献25致 谢27Conten

3、tsAbstract The introduction 1 Development background1 1.1 Domestic and international research current situation analysis 1 1.2 The main research content 1 1.3 The paper structure 12 Caterpillar spider crane design method for the design and implementation 2 2.1 Design content2 2.2 Boom design2 2.2.1

4、Rope system 2 2.2.2 Scaling the implementation 3 2.2.3 Expansion process diagram 3 2.3 The design of the rotary table 5 2.3.1 Material rotary table 5 2.3.2 Turntable stress calculation and strength check 6 2.4 The design of the crawler against 6 2.4.1 Crawler frame structure design7 2.4.2 Crawler fr

5、ame ancillary pieces 7 2.4.3 Crawler board design8 2.5 The design of the leg 9 2.5.1 Leg reaction force calculation10 2.5.2 Leg and time calculation10 2.6 In the hydraulic system12 2.6.1 Rotary loop12 2.6.2Transformer oil 13 2.6.3 Leg oil 13 2.6.4 Crawler tensioning oil line 13 2.7 Engine 143 The si

6、mulation analysis of crawler crane spider14 3.1 Computer aided design14 3.1.1Based on the characteristics of the three-dimensional modelling 14 3.1.2 Assembly design15 3.1.3 Movement simulation15 3.2The computer aided engineering analysis 15 3.2.1 Leg project information16 3.2.2 Leg constraint and l

7、oad 16 3.2.3 Leg unit grid divided into 17 3.2.4 Leg stress results 174 Conclusion 23Reference25Thanksgiving words27iv 履带式蜘蛛起重机的设计研究 作者：黄德敬，指导教师：张开兴 副教授摘要：履带式蜘蛛起重机，是一种高层建筑施工用的自行式起重机。是一种利用履带行走，动臂旋转起吊的工程机械。履带采用橡胶，通过性好，适应性强，可以带载行走，用于建筑施工的吊装做业，本设计尺寸小，吊装能力强，尤其适用于高层建筑玻璃的安装。但是行走速度慢。转移工地需要其他车辆搬运。工作装置和支腿收起时，

8、全机高 1440mm，长2715mm，宽仅750mm，适合室内作业。通过对设计原理、设计方法的叙述，阐释了微型履带式起重机全部设计过程。充分利用了计算机辅助设计、制造和分析等手段。设计过程清晰完整、生产制造有理可循、具备一定的实用性。本设计工作性能优异，不仅适用于室内作业而且也可以用于室外作业，大大提高了工作效率。关键字：履带式起重机；Auto Inventor；数字设计制造；有限元分析；履带底盘Spider crawler crane design researchAbstract：Caterpillar spider aerial work platform, is a kind of s

9、elf-propelled cranes for high-rise building construction. It is a kind of crawler walking machinery with a movable rotating lifting arm.Caterpillar band has a good ability of walking. And be applicable to the construction of lifting operations, the design size is appropriate , when the Working devic

10、e and leg up, the machine is height of 1440mm, length of 2715mm, width of 750mm, its very suitable for indoor working conditions. Lifting ability is also very strong, especially suitable for the installation of the high-rise building glass. But this product walks slowly. Transfer site needed to be h

11、andled by another vehicle.We based on the design principle, design method and the design process of a small crawler crane. Proves the reliability, highlighting and the design features. We make full use of the computer aided design, manufacture and analysis. The design process are clear and complete

12、production justified. It will have a certain practicality.The working performance of this design, is not only suitable for indoor operation but it can also be used for outdoor operation, obviously it will improve the work efficiency greatly.Key words: crawling crane；Auto Inventor；digital design and

13、manufacture；finite element analysis；Crawler chassisI 引言 随着国家经济的飞速发展，国家基础设施建设的规模每年都维持在高位，需要吊运的物品的质量、体积和起升高度要求繁多，履带起重机越来越显示出其优越性，市场容量迅速上升，引起了国内外知名厂商的关注，国内工程机械行业也兴起了履带式起重机的开发热潮。然而，我们尚未看到针对高层建筑玻璃吊装的起重机。高层建筑材料的吊装，尤其是玻璃幕墙的吊装，一直用地面起重机吊起，再由建筑工人在楼上接收安装的低效率状态。因此，研发一款便捷经济。功能强大的小型履带式起重机就显得很有必要。我们设计的此款小型起重机，体积小巧

14、，但吊装能力强，运动方便，尤其适用于玻璃幕墙的安装。1 绪论1.1 国内外研究现状分析目前，国外专业生产履带式起重机的公司有很多，德国的主要厂家有利勃海尔（Liebherr）、特雷克斯-德马格（Terex-Demag）,美国的主要生产厂家有马尼托瓦克、林克-贝尔特公司，日本的主要生产厂家有神钢（Kobelco）、日立住友(Hitachi-Sumitomo)和石川岛公司。总的来说，德国的履带起重机产品讲究高性能、高新科技。德国利勃海尔和特雷克斯-德马格起重机公司代表了国际的先进水平。美国马克托尼克公司是世界著名起重机设计公司之一，其产品以水冷柴油机为动力，广泛采用可控变矩器，采用计算机监控，手触

15、屏幕指令选择，先导比例控制，设计原则强调自装自拆功能，但是其缺点是施工前必须投入人力物力和财力构筑“环轨”，施工中起重机无法移动，只能回转。日本的履带起重机起步于上世纪50-60年代，以机械传动为主，70年代开始迅速发展，传动以液压为主。日本产品的技术性能与德国产品相比还是有相当差距的，但是其进步较快，价格比德国产品也更有竞争力。我国生产履带式起重机的历史较短，“七五”期间以技术贸易结合方式，分别从日本和德国引进中小吨位的履带起重机技术，与世界先进国家相比，国内履带起重机的吨位小，系列化程度低，技术含量低，在设计和制造上均存在一定的差距。1.2 主要研究内容本设计的主要研究内容集中在动臂的建模

16、和内部液压机构设计、蜘蛛平台履带底盘建模和设计、转台设计建模以及关键零部件的可靠性设计。全部设计都采用了 CAD 建模（Inventor），并采用了 CAE,CAM 进行了力学分析、模拟仿真和数控加工。整个过程清晰，快捷，合理。 本设计的研究内主要有：1、系统简述，2、设计思路，3、设计方法和机构设4、于 Inventor 的模型构建，5、于 Inventor 的模拟分析，6、工作小结。1.3 论文组织结构 本文从现有建筑工地的实际应用出发，为了弥补应用重型起重设备的不足和浪费，分别论述了基于蜘蛛平台的小型履带起重机设计过程中的CAD关键零部件建模、零件可靠性设计、部件装配过程、内部液压机构设

17、计和制造工艺性分析，循序渐进，力求完整重现利用 Inventor 设计蜘蛛平台的全过程。2 履带式蜘蛛起重机总体方案设计在总结前人蜘蛛平台设计的基础上我们提出了通用便维护的设计要求。具体而言就是借助蜘蛛平台成熟的设计，针对特定的高层建筑玻璃安装的问题，专门设计合适的动臂，履带和转台，这样一方面保证了设计的可靠和零部件的标准化，另一方面缩短了设计周期，提高了产品的竞争力。在设计过程中，Inventor基于特征的参数化设计功不可没。从设计思路， 到各个零部件，尺寸的确定，Inventor建模迅速，更改方便，形象直观，较之传统的二维制图，效率大大提高。而且还可以进行受力分析和动画仿真，模拟加工。实际

18、操作的合理性也能够得到一定的保障。在实际的设计过程中我们还对动臂、蜘蛛转台、履带底盘进行运动仿真。对支腿进行了 CAE 分析。2.1 设计内容 机械产品的设计是一个反复修改直到定型的过程。主要包括零件结构及尺寸的确定，装配，运动仿真，受力分析，计算机辅助制造，工艺标准。而基于 Inventor 设计的第一步就是建立实体模型，这一步关系到后续的装配工作。借助于 Inventor 强大的参数化设计能力，我们可以很方便的对尺寸进行更改。将各部分零件设计出来之后，就要进行装配，在装配体中往往会出现干涉，可能由两种情况导致。一是零件设计不当；二是螺钉螺栓副等标准连接件干涉，这部分干涉是实际情况的反映，只

19、要不影响主要功能的实现，我们未作处理。在完成整个装配体之后，我们进行了受力分析和运动仿真，根据分析结果， 优化了部分零部件。2.2 臂架设计纵观国内外起重机臂架设计，目前伸缩式吊臂常见的几种截面形式：四边形截面、六边形截面、八边形截面、十二边形截面、U形截面和椭圆形截面。而U型截面和椭圆截面是将来发展的趋势，早在2007 年在国内，徐工集团徐州重型机械厂首先推出 QAY130、QAY160、QAY200、QAY240、QAY300 五种吨位全地面起重机，其大多采用的臂架截面形式是U型截面。与此相比三一集团生产的QY50C汽车起重机，起重臂采用进口或国产低合金高强度结构钢精心制作，大圆弧六边形截

20、面。其中起重机的壁厚大多在28 mm之间，高宽比在1.32之间。同时，鉴于目前很多起重机的事故案例显示：由于司机的操作不当导致最后伸缩臂的疲劳断裂层出不穷。此外，综合考虑了成本问题，壁厚采用6 mm的U型臂。并借助于集成在 inventor 的应力分析功能设计，所以比通常的机械优化设计相比更加精确、简洁。所设计的伸缩臂履带式起重机是由五节臂组成，其中基本臂与转台通过销轴铰接，并且在中下部与变幅油缸铰接。2.2.1 绳排系统绳排系统在中国已经应用的比较成熟，也是一种历史比较悠久的技术。此技术的优点是臂长变化容易、工作臂长种类多、可以带载伸缩、实用性很强，缺点是自重重、对整机稳定性的影响较大。现在

21、，在100吨以下的起重机上应用的比较广泛，其原理就是简单的滑轮原理。对于四节臂以上起重臂的伸缩机构又分为以下两种：多缸或多级缸加一级绳排、单缸或多缸加两级绳排。DEMAG 和 TADANO 部分产品采用第一种伸缩机构，这种伸缩机构的特点是最末一节伸缩臂采用钢丝绳伸缩，其它伸缩臂采用多级缸或多个单级缸或多级缸和单级缸套用等方式直接用液压缸伸缩。因而最末伸缩臂的截面变化较大，其它臂节截面的变化较小。在过去，徐重、浦沅、长起跟随LIEBHERR技术多年，普遍使用第二种伸缩机构，使用单缸或双缸加绳排实现四节或五节臂的伸缩。这种伸缩方式在国内最先进，但解决五节臂以上起重臂的伸缩难度很大。北起、泰起、锦重

22、等厂家采用第一种伸缩机构（多个单级缸加一级绳排），但由于技术落后，第二缸、第三缸的进回油依靠软管卷筒输送。现在，大多数5节臂的起重机使用的是双缸双绳排的技术，一般为第2节臂独立伸缩，第3.4.5节臂同步伸缩；4节臂的一般单缸双绳排为2.3.4节同步伸缩。其局限性在于最末一、二节伸缩臂采用钢丝绳伸缩，其它伸缩臂用油缸伸缩，因而最末伸缩臂的截面变化较大，大大降低了起重机在大幅度下的起重性能；同时，对于大吨位的起重机，对钢丝绳的要求也非常高，符合要求钢丝绳非常难加工。虽然有些日本企业有将绳排技术发展到6节甚至更多，但是对于中大吨位起重机，一般企业还是优先考虑单缸插销技术。臂架采用全液压控制，具有结构

23、紧凑、体积小等特点。2.2.2 伸缩功能的实现臂架的伸缩方式主要由三种：顺序伸缩、同步伸缩和独立伸缩。顺序伸缩：是指各节伸缩臂按照一定先后次序完成伸缩动作。为了使各节臂伸出后的起重能力与起重机的其中特性相适应，伸缩顺序为先外后里。同步伸缩：是指各节臂以相同的行程比率同时伸缩。独立伸缩：是指各节臂无关联地独立进行伸缩动作。显然，独立伸缩机构同样也可以完成顺序伸缩和同步伸缩的动作。综合以上几种的各自特点，我们的作品采用了独立伸缩与同步伸缩相结合的方式。伸缩机构与吊臂的结构特点：见图2-1，I油缸的活杆6b与本臂1铰接，油缸筒6a后端部与I节臂2后端部用销轴铰接；II油缸的活塞杆7b与I节臂2铰接，

24、II油缸筒7a与I节臂3后端部用销轴铰接；II油缸筒7a前端装有组合绳滑轮 9，组合钢丝绳8绕过滑轮9一端固接于I节臂2，另一端固接于IV节臂4;IV节臂前端部装有伸缩绳滑轮10，伸臂绳11绕过滑轮10，一端与IV节臂后端固接，另一端与V节臂5后端固接；IV节臂尾部装有缩臂绳滑轮13,缩臂绳12 绕过滑轮13端与V节臂尾部固接，另一端与 III节臂前端固接；III节臂尾部装有缩臂绳滑轮 15，缩臂绳14绕过滑轮15端与II节臂固接，另一端与F节臂固接。图2-1伸缩机构 二个单级油缸和二套钢丝绳伸缩机构 1.基本臂 2.II节臂 3.III节臂 4.IV节臂 5.V节臂 6 a.I油缸筒 6b.

25、I油缸活塞杆 7 a.n油缸筒 7 b.IT油缸活塞杆 8.组合钢丝绳 9.组合绳滑轮 10.伸臂绳滑轮 11.伸臂绳 12.缩臂绳 13.缩臂绳滑轮 14.缩臂绳 15.缩臂绳滑轮。2.2.3 伸缩的过程图解图2-2绳排伸缩机构原理图（五节臂）臂架杆件要求采用高强度材料，截面小，自重轻，提高起重性能，可以选择 或者 。2.3 转台的设计起重机是一种短期循环工作的机械，此特点决定了其实际载荷复杂多变，在同一循环中虽然起升载荷不变但是也有有载行程和空载行程的差别。转台是起重机的三大结构件之一，主要承受臂架、变幅机构、起升机构、等上车载荷，其结构形式直接决定了其起重性能。目前国内的伸缩臂式起重机大

26、部分转台结构式用2个高强板、上下盖板、纵边梁和横隔板等焊接而成的大型薄壁倒 “” 形结构。变幅油缸下铰点、吊臂后铰点以及转台底面加强，两墙板与横隔板构成开口薄壁箱型，既保证了高强板的水平刚度，又能满足吊臂的变幅要求。本设计为了设计一款用途广泛，但是灵活行走的起重机。根据转台受力特点及各机构安装要求，分析比较了多种结构形式，决定采用“V”形支撑的转台结构。采用变幅油缸的转台，其危险截面有可能出现在吊臂根部铰支座所在的截面，所以需要对连接部位进行加强，新转台示意图如图2-3所示。图2-3 转台2.3.1 转台的材料除前铰点座外，转台其余主要受力结构均采用 低合金结构钢板，屈服极限为：。前铰点座材料

27、为 。与碳素钢相比，低合金结构钢具有更高的屈服极限与抗拉强度，更好地低温冷脆性和耐磨性，可用于 以下寒冷地区的各种刚结构件。另还有较好的可焊性，但是应力集中系数较高。如果结构的强度由最大载荷控制，不决定于受变载荷作用的疲劳寿命，在这种情况下采用 低合金钢效果最好。因此本设计转台采用 。2.3.2 转台的受力计算和强度校核 当起重机起吊载荷时，作用于转台上的载荷有：（1）由吊臂根部铰支座传来的拉力;（2）由变幅油缸传来的压力;（3）卷扬机绳拉力;（4）转台及上车机构重力; 转台以两支点支承与起重机的底架上。已知计算工况为：全回转，本臂长，使用支腿长，设吊臂仰角（计算工况）为，设 为超额定起重量，

28、是额定值得 倍，则，根据起重臂受力分析，可以列出平衡方程式并解出： 其中： 为吊臂重量，按 计算； 为风载力矩，此处不予考虑； 为卷扬机钢丝绳产生的力矩，； 为吊臂后铰点到变幅缸轴心线的垂直距离，。将以上数据带入上式解得： 将分解为水平及垂直两个方向上的分力： 其中 为变幅缸轴仰角。由平衡方程式还可以解出 其中 为起升绳仰角，。将相应的参数带入式中有： 前后铰点之间由于均在回转支承范围之内，通过高强度螺栓与回转支承连接成一体。故强度远好于前后铰接点处。2.4 履带的设计履带是由主动轮驱动、围绕着主动轮、负重轮、诱导轮和托带轮的柔性链环。履带由履带板连接构成履带链环。履带板的两端有孔，与主动轮啮

29、合，中部有诱导齿，用来规正履带。2.4.1 履带架结构设计履带架是封闭箱型与单腹板组成的混合结构，按与车架的连接型式可以分为两种：一种是车架四个外伸梁直接插入履带架，行走时可以改变轨距（梁履带间距），整机通过性好，对履带架的受力有利，适用于小型履带机，本设计采用这种方案；另一种则是车架与履带架的连接采用铰接型式，销轴上方采用面接触和销轴固定方，防止履带架水平方向移动。基于履带架的结构特点和受力特点，采用低强度材料 ，履带架高。为保证整机的稳定性。沿履带纵向设有支重轮，能够有效的将载荷传递到履带板。为了保证履带架局部稳定性和力的有效传递，减少应力集中，在支重轮履带架内设置必要的筋板。2.4.2

30、履带架附属件履带架附属件包括导向轮、支重轮、驱动轮和履带。导向轮的功用是支撑履带和导引，防止跑偏。在行走过程中，它的轮缘将夹住与之相接触的履带板凸块，起到导向作用。与导向轮连接的有张紧装置，张紧装置用来调整导向轮的前后位置，从而调节履带的张紧度。图2-4 导向轮实物履带的作用是支撑机械的重量并且传递行走时所需的牵引力，履带工作条件恶劣，极易磨损，因此，除了要求良好的附着性能之外，还要求有足够的刚度，强度和耐磨性。每条履带均是由几十块履带板和链轨等零件组成，其结构分为四部分：履带的下平面是支撑面，上面是链轨，中间是驱动链轮啮合的部分，两头是连接铰链。驱动轮与减速器刚性组合起来卷动履带，保证机械的

31、运动和行驶。驱动轮选用碳素钢和低碳合金钢。图2-5 履带板支重轮是用来支撑机体重量，并且砸履带的链轨上滚动，同时夹持履带，并在转弯时迫使履带滑移。支重轮经常遭受强烈冲击，工作条件很差，所以要求密封可靠，轮缘耐磨。图2-6 支重轮实物2.4.3 履带板设计 履带板的材质选用 ，其特点是具有较高的韧性和抗磨能力。表 1 化学成分CMnSiCrNiPS在履带板的设计过程中，关键是确定节距尺寸，根据参考资料提供数据，为了保证设备的运动，确定节距为。 图2-7 履带 2.5 支腿的设计支腿是蜘蛛式高空作业平台的关键部件，其设计的合理性直接关系到整机的作业性能和安全性。支腿的作用主要是维持整机的稳定性，施

32、工时有足够的施力点。常见的支腿形式有整体式、关节齿式和连杆式。整体式支腿的特点是结构简单，强度好，操纵方便，但是收起时占用的空间大；关节齿式支腿的特点是支腿角度可调，工作适应性强，但是结构复杂；连杆式支腿的特点是收起不占空间，但是结构复杂。本设计主要在户外工作，为满足各种地形的支撑要求，采用关节齿式作为履带式蜘蛛起重机的支腿方案。关节式支腿的由支腿定位销、支腿座、油缸、上支腿、关节齿、下支腿、副腿、支脚和副腿定位销组成。工作时，先拔出定位销，摆动支腿到相应的定位孔处，重新插入定位销。调节关节齿到工作位置，使下支腿和上支腿成一定夹角后启动液压油缸，液用下进入油缸，推动上支腿带动整个支腿下放。当支

33、脚着地后，便由脚掌和地面的摩擦力支撑起车体和负载重量。2.5.1 支腿反力计算 支腿反力是支腿和车架强度分析的重要依据，受力见图2-8。图2-8 支腿支反力A、B、C、D-四脚支撑位置；-支腿形心位置；-底盘重心；-上车部分的回转中心；-上车回转中心与支腿形心的距离；-上车力矩；-每个支脚到轴的距离；-每个支脚到轴的距离；-上车的重心；-到回转中心的距离；-底盘重心到支腿形心的距离；-底盘的重心；-上车回转部分到轴的夹角；-支腿摆角 由工程机械四腿反力计算公式： 经分析得，上车做圆周回转时，A支腿受力有小变大，再逐渐减小；B支腿受力由大变小，再逐渐变大。根据国家高空作业车，在额定载荷下，臂架做

34、圆周回转式，支腿在最差受力情况下，任一支腿的支撑反力都必须大于零即支脚不能脱离底面。2.5.2 支腿收放时间计算1、发动机单泵供油 泵排量为，泵排量为： 式中 为泵的总效率，取。代入泵排量和发动机转速，得出泵的排量为 ，得出支腿油缸的流量为： 式中-支腿缸流量，；-液压缸的工作效率，取。带入，根据上式得出支腿缸的流量为 。所需运动时间： 其中 -油缸内经，-行程。经计算得，伸出时间为 。收起支腿所用时间： 其中 -油缸缸杆直径，得出收腿时间 。2、电动机单泵供油 泵排量不变由得，泵流量为，由式得，支腿液压缸的流量为，由式得伸腿时间，由式得，收腿时间。由此可见，发动机和电动机单独供油是满足要求的

35、，若采用发动机和电动机同时工作泵油，则收放过快，不利于安全操作。2.6 液压系统履带式蜘蛛起重机的液压系统由上车和下车两液压系统组成。上车液压系统的功能包括：起升、变幅、伸缩、回转。下车液压系统的功能包括：行走、支腿伸缩、履带架伸缩、履带张紧。总的设计要求是：满足设计要求的提升能力和速度，工作平缓无冲击，防止超速坠落。各分系统的功能分别如下。变幅液压系统：承担来自臂架的大部分重量，要求无泄漏，自锁良好，且缸伸缩时的速度直接影响臂架的速度，要求一定的速度限制。伸缩液压系统：臂架负载时，伸缩缸不能缩回去，所以要求限速和自锁。回转液压系统：为了避免回转时造成的侧载，要求回转平缓，通过自由滑转实现吊重

36、的对称。支腿伸缩、履带架张紧、履带架伸缩系统：履带架伸缩液压缸和履带架张紧液压缸均要求可拆卸。2.6.1 回转回路回转液压系统采用闭式系统，变量泵和定量马达。由顺时针和逆时针两个方向的电磁换向阀控制回转机构的回转。工作时先通过控制回路打开回转制动器，液压油通过电磁换向阀，经变量泵流入定量马达，定量马达带动减速器，减速器再带动转台回转。图2-9回转回路液压系统2.6.2 变幅油路变幅液压缸是双作用液压缸，变幅液压缸上安装着变幅平衡阀，只有当上腔液压油达到一定的压力时，液压缸下腔的油才能回流油箱。图2-10变幅油路液压系统2.6.3 支腿油路操纵支腿换向阀控制4个支腿液压缸的伸缩，每个支腿液压缸均

37、有液压锁，防止泄漏回缩。2.6.4 履带张紧油路履带在长期工作中会发生松动的情况，影响车辆行走，这个时候就要把张紧液压缸安装在履带架上，然后调节下车阀组，使液压缸伸出，使履带张紧。2.7 发动机起重机为全液压式起重机，全部作业都采用液压系统来实现，整机有柴油机驱动液压泵，再将机械能转化为液压能，通过液压系统传递到液压马达或液压缸，带动执行机构完成起重机的起升重物，改变吊臂幅度、改变伸缩臂的长度、上车相对于下车的回转、自力行走、打支腿、收支腿等作业动作。柴油机与整机的合理匹配就是要充分利用柴油机的有效功率，并获得较低的燃油消耗率，要求柴油机工作在高效率区域，同时有柴油机驱动的液压泵也要工作在高效

38、率区域。柴油机的高效率区域一般在最大扭矩点到最大功率点之间。1）标定功率的选取液压变量泵的流量随排量和柴油机转速而变化。在作业时可以自动调节载荷和排量，保证机械在满载荷下工作时能充分利用柴油机的标定功率。按照伸开支腿、最大起重工况和吊重自力行走牵引工况所需的功率进行计算，并取其中的较大值作为柴油机的标定功率的值。 式中：为工作泵的标定压力，单位：MPa; 为工作泵的理论流量，单位：L/min; 为工作泵的效率。2）标定转速的选取柴油机在标定转速运转时，其机构运行速度可以达到设计的最大值。柴油机和液压泵直接连接，速比可以达到 1:1，按照液压泵的额定转速和最高转速来选来选取柴油机的标定转速和最高

39、空车转速，以免超速造成液压泵损坏。液压泵的额定转速为，最高转速为，故而确定柴油机的标定转速为，最高转速为。3）最大扭矩点的选取最大扭矩点的选取包括最大扭矩值的确定及其所在转速值的选取。根据起重机的实际工况要求，确定扭矩储备系数 应在1.0-1.25之间，参照配套液压泵协议中约定的最大转矩值，确定柴油机的最大扭矩值的初选值不小于；柴油机的输出转矩值随转速的降低而增大，确定转速适应系数 应在1.2-2.0之间，即最大扭矩值所在的转速值的初选值应在之间。4) 经济性指标的选取经济性指标是指运转中的消耗（燃油和机油的消耗）以及维修费用、通常指燃油消耗率和机油消耗率，特别是用燃油消耗率作为内燃机经济性的

40、主要指标。起重机的常用工况在最大扭矩点和最大功率点之间，因此在柴油机经济性指标选取时，尽量选取改速段燃油消耗率较低的柴油机，最低燃油消耗率设计目标在以内，机油消耗率控制在燃油消耗率的以内。3 履带式蜘蛛起重机的仿真分析3.1 计算机辅助设计Inventor 不仅可以进行零件建模,其集成了应力分析系统提供了单一屏幕解决方案。回答了诸如零件会不会断裂，会不会变形，是否在不影响功能的前提下节约材料等问题。3.1.1 基于特征的三维造型零件是机构的重要组成部分。利用 Inventor 进行零件建模的时候，首先要根据机械 原理和机械设计方法，结合软件使用规范。先给出零件的结构和形状。初步定出尺寸参数。当

41、然，零件的设计也不是一次到位的。此时给出的尺寸参数要结合之后的装配实际和 CAE 分析结果，予以更改。好在 Inventor 参数化的强大设计功能简化了设计过程。在设计顺序方面，我们采用“自顶向下”的设计思路。先要确定实现什么样的功能，再考虑结构如何设计，零件如何装配，再具体到单个零件的制作。3.1.2 装配体设计从零件到装配体，首先需要考虑的问题就是零件的组成。装配顺序也是很有 讲究的。设计过程中某些零件是需要经常改动的，这些改动在 Inventor 会同步更新反映在装配图中，如果改动过大，经常导致模型重建失败，增加了工作量。因此我们采用先装子装配的方式。在将子装配体组总装的时候，先安装零件

42、。零件应当具有“改动小，可以作为各装配体参考”的特点。本设计的子装配体是机架。装配体的设计过程出现了许多问题，比如静态干涉，动态干涉等。用 Inventor检查出干涉，首先要分析干涉的产生原因，再逐次修改，慢慢纠正错误。当然，螺栓等紧固件也会提示干涉，干涉就是实际情形的反映，这部分干涉可以忽略。图 3 - 1 总装配3.1.3 运动仿真计算机仿真已经成为重要的科研手段，在可行性论证，工程设计中的应用越 来越广泛。目前的运动仿真已经向三位实体化发展。在Inventor中，向装配体中添加的构件，包括单个零件和子装配体，有以下两种建模方法，一是手工建模，二是人工建模。形状简单的构件可以采用程序建模的

43、方法。而在本设计中，比较复杂的零件如回转支承，履带，则需要手工建模。还须注意本设计的大型装配体零件 众多，且是由众多的子装配体构成。从属于小装配体的各零部件之间是相对固定的。在运动仿真之前必须确保各零部件能够按照设想运动起来。图 3-2 Inventor 运动仿真设置界面3.2 计算机辅助工程分析为了提高产品的竞争力，缩短产品的开发周期。学习和应用计算机辅助工程（Computer Aided Engineering）越来越重要。在CAE技术中，有限元分析法（Finite Element Analysis)的技术和分析效果是最成熟的。利用Inventor集成的应力分析模块可以很方便的实现受力的数

44、值计算。3.2.1 支腿项目信息 支腿是履带式起重机传中支撑整机重量的关键部件，建立实体模型时，可对原结构进行必要的简化。这里忽略小于的圆角，忽略工艺边。简化后按照设计图纸建立三维模型。支腿的材料选用低碳钢，屈服强度为 ，密度为 ，弹性模量 ，泊松比为 。设计参数见表2表 2 物理特性质量 196.365 kg 3078250 mm3 176450 mm2 29570000 mm3面积体积 Inventor建立三维模型后，运用inventor自带的有限元分析功能读入。图 3-3 支腿三维模型3.2.2 支腿约束和加载要想对支腿进行极限工况的有限元分析，必须了解支腿所受的额定扭矩和压力的大小。根

45、据支腿的工作特点，受力情况见下图。图 3-4 力1选择的图 3-5 力2选择的面图 3-6 力3选择的面 表3 载荷类型载荷类型 力 力 力 大小10000.000 N10000.000 N5000 N顶点 X-1006.550 N 6271.914 N-320.755 N顶点 Y9949.214 N5410.664 N4989.701 N顶点 Z0.000 N5602.483 N0.000 N3.2.3 支腿单元网格的划分根据组装后的万向节简化模型，可以利用应力分析模块划分单元网格。本设计支腿的材料为低碳钢，采用高品质生成网格。网格设置信息见下图。图3-7 支腿施加约束和加载后网格划分情况表

46、4 网格分析目标和设置设计目标单点分析类型静态分析检测消除刚体模态否在接触表面上分散应力否运动载荷分析否平均元素大小1最小元素大小0.5分级系数1.5最大转角60 deg创建弯曲网格元素否对部件网格使用基于零件的测量是表 5 支腿材料参数表属性名称数值单位数值类 杨氏模量 220 Gpa 恒定 泊松比 0.275 ul 恒定 切边模量 0 Gpa 恒定 膨胀系数 0.000012 ul/c 恒定 比热 460 J/(kg c)恒定 屈服强度 207 Mpa 恒定3.2.4 支腿应力结果分析本分析采用 Von Mises 应力，亦称为 Huber 应力，是一个集中了三维应力 状态的 6 个应力分

47、量的应力度量值。对于每一个立方体单元，每一个面上作用着 一个正应力和两个切应力。由于平衡要求，三维状态的应力只有 6 个应力分量。 Von Mises 应力表达式可由在整体坐标系下定义的应力分量来表。解算有限元模型，得到以下的结果。图3-8 支腿mises位移图图3-9 支腿位移图图3-10 支腿第三主应力 由主应力和位移云图可见，支腿的最大受力和最大位移都在可以接受的范围之内，设计师偏于安全的。4 结语履带式蜘蛛起重机是建筑施工中急需的特种设备。要求其尺寸小，通过性能好，节能环保。底盘性能的优劣直接影响整机的使用和经济性能。总以上都对底盘提出了较高的设计要求，比如宽度要通过标准门道，蜘蛛支腿

48、能够支撑整机在一定坡度的斜面上。本设计从实际出发，运用现代设计方法，利用 Autodesk inventor软件设计了履带式蜘蛛起重机的数字样机，运用现代设计方法对支腿进行了有限元分析和优化，得到如下成果：1) 在分析总结国内外有关设计上，进行了臂架、支腿、车架与履带、转台等关键零部件的三维建模。2) 利用有限元分析模块定性地分析了支腿的受力状态，对支腿的安全设计和使用有一定的参考意义。3) 全部设计参数都转成了STL格式，以便于3D打印参考。本文在履带式蜘蛛起重机的三维设计和分析中做了一些工作，但是以下几个问题要进一步讨论。1、进行静力学分析时，只给出了简化的力学模型，下一步，应该对关键部分进行更细致的分析和计算。2、缺乏工作状况下的车架应力分析，对于其他部分，