第七章变幅机构

第七章变幅机构2008.7大连理工大学机械学院苗明131901622420411-84709830第一节概述一、变幅机构的作用1．什么是变幅机构：使臂架倾角变化而改变起重机幅度的机构称为变幅机构。2．作用：改变起重机的臂架幅度，配合回转和运行机构达到吊重水平移动之目的。扩大工作范围。二、类型1、按工作性质分

ⅰ、工作性变幅；带载变幅，生产率高。ⅱ、非工作性变幅；空载，调整性的。2、根据作业要求分

ⅰ、非平衡变幅；构造简单ⅱ、平衡变幅系统3、按结构形式分

ⅰ、小车式变幅a、自行式；牵引式；ⅱ、摆动臂架式；ⅲ、伸缩臂架式ⅳ、柔性变幅机构；ⅴ、刚性变幅机构三、性质1．非工作性变幅机构特点：ⅰ、空载变幅。ⅱ、工作速度低，V平=10~35m/min。ⅲ、通常采用简单的变幅机构。ⅳ、不同幅度起重量不同。ⅴ、变幅驱动机构主要克服臂架重力和风力，不考虑PQ。ⅵ、不要求臂架自重平衡和载荷水平位移。用途：调整起重机工作位置，如：铁路起重机汽车起重机2．工作性变幅机构ⅰ.可带载荷变幅。ⅱ.工作速度高，V平=40~90m/min。ⅲ.不但考虑重力，风力而且还要考虑载荷PQ。用于工作效率较高之处。ⅳ.起重量不随幅度而变。ⅴ.对于工作频繁的臂架俯仰式变幅机构；要求：吊重走水平;臂架自重平衡。用途：要求生产率高的，如：港口门座起重机。四、结构形式和组成（一）结构形式1．小车式变幅：特点，主要用于工作性变幅。V均匀，实现水平位移和较小的Rmin,但是臂架受M较大，结构自重大。自行式（电动葫芦）、牵引式（塔吊）多用于塔吊。2．俯仰臂架式——依靠臂架俯仰以实现变幅。可用于工作和非工作变幅，臂架受力有利（压杆）自重轻。3．伸缩臂架式——轮式起重机。（多是俯仰式）。（二）组成1．驱动机构：ⅰ.钢丝绳滑轮组变幅ⅱ.曲柄连杆ⅲ.扇形齿轮ⅳ.螺母螺杆ⅴ.齿条ⅵ.液压油缸2．臂架系统：i.平衡变幅ⅱ.非平衡变幅曲柄连杆钢丝绳滑轮组扇形齿轮螺母杆杆齿条油缸第二节载重水平位移载重水平变幅：使物品在变幅过程中沿着水平线或近似水平线的轨迹运动。对俯仰臂架式起重机，使吊重沿水平或近似水平移动，形式很多，可归纳为：①绳索补偿法②组合臂架法

一、结构形式绳索补偿法：（起升绳补偿法）吊重在变幅过程中引起的升降现象依靠起升绳缠绕系统中及时放出或收入一定长度起升绳的办法来补偿。1．补偿滑轮组法：条件：；B点要选的合适。特点：ⅰ、结构简单ⅱ、能获得较小的幅度ⅲ、臂架受力好ⅳ、提升高度大，吊重大时，起升绳长，绕过的滑轮多，钢丝磨损大ⅴ、最小幅度时，起升绳悬挂较长，工作时吊重摆动大ⅵ、水平位移波动大，吊钩只能近似水平移动。用于中小型起重机。2．平衡滑轮补偿法（平衡杠杆补偿法）条件：特点：起升绳的长度减少，磨损减少3．连杆—补偿滑轮组组成：起升卷筒①臂架上部滑轮②臂架后滑轮③吊钩滑轮④臂架前滑轮⑤后臂滑轮⑥止动滑轮组⑦下部滑轮⑧条件：①臂架尾部长度与连杆长度相等。特点：结构紧凑，绳磨损大，用于小型起重机。5．补偿卷筒法特点：占面积达，重量大，绳的磨损大，补偿卷筒常为圆锥卷筒。现在已很少使用。综上所述，共同特点：起升绳长，磨损快，在Rmin处物品摆动大，臂架简单，构造简单，自重轻（二）组合臂架法：原理：由象鼻梁，臂架，拉杆组成的组合臂架以一定的几何关系保证吊重水平运动。特点：不是依靠放出或收入一定的钢丝绳长度的办法。而是臂架端点沿水平线，或近似水平轨迹来保证。类型：1.直线象鼻梁（四连杆）2.挠性拉索象鼻梁（曲线象鼻梁）3.平行四边形组合臂架①直线象鼻梁拉杆组合臂架（四连杆)式组成：臂架，象鼻梁，大拉杆三部分。特点：起升绳的长度和磨损都减少，滑轮的m对补偿没影响，系统复杂，自重大，近似水平。在港口，造船厂广泛使用。②曲线象鼻梁拉杆组合臂架式特点：①刚性拉杆改为挠性拉索，自重轻。②刚性差，由于安装误差，结构变形，近似水平。③平行四边形二、载重水平位移系统的设计（一）滑轮组补偿法设计已知数据：Rmax、Rmin、臂架长度L、起升滑轮组的倍率m，补偿滑轮组的倍率mF①图解法：（确定补偿滑轮的位置）步骤：①根据结构要求先确定O点；②以一定的比例作臂架的4个位置。一般取为较合适。③过Ⅱ臂架端点A2作垂线截取，过A3点，作垂线截取④分别以B2、B3为圆心，以为半径画弧，交于OA2、OA3于C2、C3两点.⑤连接C2B2、C3B3⑥分别作过A2、A3两点并平行于C2B2、C3B3的平行线，此二线交于O1点，则点O1为补偿滑轮的位置。一般：O1点确定之后要进行校验。①载荷实际的最大高度差，一般应使②未平衡力矩。理想情况，每个位置M0=0但实际上不可能。要求：ⅰ、变化要小；ⅱ、不要有尖峰；ⅲ、在Rmax时M0为负值（向后），在Rmin时M0为正值（向前）2.解析法：补偿滑轮组中钢丝绳容量的变化，便对起升滑轮组的钢丝绳容量变化进行补偿。①变幅过程中，两套滑轮组中钢丝绳总长度D不变。②起升高度（吊钩轨迹）设；③由ΔOAB可得代入②④轨迹显然上式y随φ变化不是直线，y不是平直的，要使y的垂直差值趋向最小，实际上斜率为零时，在该点y是水平的。⑤也可以得未平衡力矩M0功能原理：；最常用的是t=3.（二）四连杆式组合臂架装置的设计1．设计任务：确定臂架系统的主要尺寸①臂架长度L；②象鼻梁前端长度L1；

③象鼻梁后端长度l2；④拉杆长度l3

⑤确定臂架下铰点O；⑥拉杆下铰点O12．设计要求：保证物品在变幅过程中尽可能沿接近于水平线移动。系统尺寸尽可能紧凑，自重轻，装卸方便，铰点位置要适合总体要求。（1）图解法步骤：ⅰ.已知参数Rmin，Rmax、H0ⅱ.根据构造和总体布置初定臂架下铰点位置O点。相应就定了f和H0.ⅲ.确定角度：通常ⅳ.确定臂架长度L及象鼻梁长度L1（1）先作最小幅度位置，过O点作与垂线夹角为γ3=5º~10º的臂架位置。（以Smin为水平点定A2点）过点A2作与垂线夹角γ2的象鼻梁位置线交于B2点。得：(2)作最大幅度位置，检验γ1与α1以O为圆心，以L为半径作圆弧，与以A1为圆心，以L1为半径作圆弧交于B1点，检验γ1与α1，如不合适再调整γ2与γ3。ⅴ.确定拉杆二铰点位置

①象鼻梁尾部铰点C，延长线至C

有时由于结构布置需要，不在延长线上，而向上350—600mm。②拉杆长度l3和铰点O1位置：选三个位置、与A3（距A1点处）③按C1、C2、C3点求圆心O1，即作

和的中垂线交于一点就是O1点。ⅵ检验：目的：要求吊重走水平，臂架受力矩最小，另外还要满足总体布置要求。方法：ⅰ、作图：求每个位置象鼻梁端点轨迹。ⅱ、求每个位置力矩。仍然用功能原理：

PQ—载重v—变幅速度ω—臂架摆动角速度

P为瞬心代入

求每个位置M0最小，最好DA=0实际上，Rmin时，M0向前；Rmax时，M0向后。第三节臂架自重平衡臂架平衡的目的1、减少变幅驱动功率——工作性变幅2、借助平衡增加起重机的稳定性一、臂架自重平衡系的典型结构型式（一）合成重心保持在某一固定点。（重心不变平衡原理）1、尾重式特点：结构简单，尾部旋转半径小，机房布置不方便，稳定性较差。2.平行四边形平衡梁——连杆系统OA∥O1B；OC∥O1g；D在Cg连线上特点：①对重向后移，对稳定性改善②结构平行机构，重心在D点③结构布置受限制（二）合成重心沿水平线移动1、杠杆——平衡梁方式原理：平衡方程：特点：①二铰点距离加大，平衡重对起重机稳定性大大改善；②平衡重量减轻。③支点O1支在上部，机房布置宽敞。要求：尾部转动时，最大不得超过门架界限尺寸，防止与船舶相撞，造船起重机可不受限制。2、平衡梁连杆——滑移对重优点：对重在下面，稳定性好。缺点：布置困难，结构复杂。3、绳索——滑轮对重方式特点：对重沿轨道移动，结构简单，重心低，绳子磨损大。4、连杆——垂直滑动对重优点：对重在转柱内滑动，结构紧凑。缺点：对转柱平衡不利，对上部的稳定性达不到改善。（三）无对重平衡原理1.单臂式重心必须在L/2处。2.平行四连杆二、臂架自重平衡系统的设计常用的杠杆——平衡梁系统方式（合成重心）设计方法。（一）臂架固定点O和平衡梁固定点O1根据结构而定。（二）对重确定原则：ⅰ、对重臂半径尽量大以减少对重重量，但不能超过门架界限尺寸。ⅱ、对重下限位置以不撞结构为准，通常离垂线10º~20ºⅲ、对重上限位置一般不超过水平线，有时为了减少对重重量，增加h值，可超过水平线20º~30º。ⅳ、求平衡梁与拉杆连接点通常选三个位置——Rmin、Rmax、R中（位置越多越好）具体作法如下：ⅰ.根据结构要求确定O、O1，ⅱ.作臂架三个位置Rmin、Rmax、R中及臂架重心的三个位置ⅲ.确定对重两个极限位置βmin=10º~20º、βmax=110º~120º,并确定相应h2’、h1、h2值。ⅳ.确定对重，根据臂架重心升高所增加的位能相当于对重降低所减少的位能：

ⅴ.根据ⅳ可求出中间幅度对重的位置对应于g2。

目的是得到适当的连杆长度ab,这里先给定a点，即：a1、a2、a3

而相应的对重位置为：g1、g2、g3ⅵ、修定对重中间幅度位置，退回g1时，a2绕O1点转至a2’；又g3转至g1，a3转至a3’。ⅶ、找出过a1、a2’、a3’三点的圆心既是b点。检验：不平衡力矩

第四节变幅驱动机构一、结构形式1、绳索滑轮组优点：ⅰ.结构简单ⅱ.重量轻ⅲ.布置方便ⅳ.零部件与起重机相同，通用性好缺点：ⅰ.无臂架自重平衡和吊重走水平，驱动功率大，常用于非工作变幅ⅱ.不安全，有后倾的可能性ⅲ.钢丝绳磨损2.曲柄连杆优点：ⅰ工作可靠,不需要变幅极限位置限制器。缺点：ⅰ.v幅——不均匀ⅱ.传动比大ⅲ传动装置笨重，已逐步淘汰3．齿条、齿轮优点：ⅰ.结构紧凑ⅱ.传动比小，自重轻ⅲ.制造简单ⅳ.效率高缺点：ⅰ.齿侧间隙大ⅱ.不安全，需终点开关。可用摆线针齿。4．扇形齿轮——装于平衡梁处特点：传动比和曲柄连杆一样，比较大，扇形齿轮制造困难，齿轮磨损，较少用。5．螺杆变幅：优点：i大，紧凑，无冲击，运动平稳。缺点：螺母磨损大，效率低，现已用滚珠螺杆代替。6．液压油缸优点：结构紧凑，自重轻，布置方便，运动平稳，无极变速缺点：制造精度高，密封防尘防漏要求高。总之，种类很多，门座起重机大约有20多种。四、变幅机构的载荷在选定臂架系统和驱动机构方案后，就可进行机构计算。1、物品在变幅过程中，非水平位移所引起的变幅阻力PωQ；①力矩平衡：②功能原理：2、臂架系统自重不平衡阻力Pω臂①②3、物货偏摆阻力P’（风、离、惯）力矩平衡：功能原理：电机发热:疲劳：强度：4、作用在臂架系统上的风阻力PWfPfx——象鼻梁的风力，近似作用于铰点。刚杆的风力以Pfl’作用在象鼻梁上，因大拉杆为二力杆。5、起重机旋转时臂架系统的离心力Pwl。（只考虑臂架，象鼻梁，其余略去不计）离心力：由：

mb——臂架的质量;mx——象鼻梁的质量;上述：证明：臂架离心力的作用位置：平均比压力：；修订的力：离心力对于下铰点的力矩：

当f＝0时，当R≤25m，n<lr/min时，Pwl可略去。6．由于坡度（轨道不平）引起的变幅阻力Pp考虑：PG臂、PG象、PG对各乘以sinβ,其余略去，β—轨道的坡角。一般情况下β很小，可略去。7．变幅过程中，臂架径向惯性力Pwi在变幅速度V幅不大时，可略去，当V幅很大时，只考虑mx、mb、m对。（mQ已在mα中考虑）

φ—臂架质量折成系数；

φ=0.658．臂架系统各关节摩擦阻力Pwm1)铰接：

ω臂—臂架的角速度；

μ—铰轴中摩擦系数；d—铰轴直径；

ω相对—铰接两构件的相对角速度；P—铰轴力；2)补偿滑轮组摩擦阻力Pwm2根据变幅时的摩擦功：Δh—补偿滑轮组放出的绳的长度

式中：ηZ—滑轮组的效率近似计算：对滚动轴承ηZ=0.96，对滑动轴承ηZ=0.9,实际计算时，不用这种方法：对于铰轴采用滚动轴承的起重机,由于值小Pwm=0对于采用滑动轴承：Pwm约为总阻力的5~10%五、载荷组合（一）Ⅰ类载荷1．电机发热：

或：2．接触疲劳强度（二）II类载荷（三）III类载荷组合六、变幅机构设计1．选