基于懸臂式液壓起重機變幅機構三鉸點設計的分析

劉合金（上海冠卓企業發展有限公司,上海 201508）

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基于懸臂式液壓起重機變幅機構三鉸點設計的分析

劉合金
（上海冠卓企業發展有限公司,上海 201508）

摘 要：本文從變幅機構的受力進行分析，結合起重機的總體設計和起重機的實際運行狀態工作來優化三鉸點的設計，對國內外不同型號品牌的懸臂式液壓起重機的原理進行深度的解讀分析，從變幅機構受力分析、變幅機構三鉸點合理幾何形狀的確定、變幅機構三鉸點布置方案等幾方面進行了討論，望與業內人士溝通探討。

關鍵詞：懸臂式；液壓起重機；變幅機構三鉸點設計

0 前言

懸臂式液壓起重機的設計中，最主要的硬件結構就是變幅油缸、吊臂和轉臺。這三部分共同組成了變幅機構，三部分的結構關系就是本文所說的三鉸點關系，三鉸點的設計決定整個起重機的質量好壞，并直接決定了吊臂與轉臺的結構關系，并決定了油缸參數。目前國內外各型號的起重機的三鉸點布置詳情如表1所示。

表1 國內外的部分型號鉸點的三角形結構實例表

1 變幅機構受力分析

如圖（圖1）所示，變幅機構的三鉸點關系可以簡化看成一個三角形關系，如圖△ABC，AB段是我們起重機的油缸，A點是油缸與轉臺之間的一個下鉸點，B點是油缸與吊臂的上鉸點，C點為吊臂下鉸點，OO’線是我們起重機當中最核心的回轉中心線，在工作狀態下，起重機的吊臂幅度改變為R，起重機的負載重量為Q，相對于吊臂的后鉸點C來說來看：

圖1

這個方程當中，P為變幅油缸的推力值，h為油缸的推力作用在吊臂鉸點C上距離值，α是吊臂與地面的夾角角度，l是吊臂的長度，GB是吊臂自身的重量，lB是吊臂的重心和鉸點C之間的距離，s是吊臂拉線的拉力值，e是隨著α角度的變化S與鉸點C之間動態距離數值。因為S·e＜＜Q（R+a）,式（1）可簡化為：

式（2）表明,當起重機的額定載荷Q確定后,油缸推力P是仰角α和力臂h的函數。仰角α和力臂h是由變幅機構三鉸點的幾何形狀決定的,即△ABC的形狀決定油缸推力P。

從上述方程與結構圖（見圖1）的關系可以看出，當吊臂起重機達到最大功率時，其額定載荷就能確定，固定的荷載用Q來表示，,油缸推力用P來表示，吊臂與地面的夾角α與吊臂高度H能用函數來解釋。夾角α與力臂的關系是由變幅機構當中三鉸點關系呈現的幾何形狀來決定的,這就是說△ABC的形狀能夠決定我們起重機的油缸推力P的力量大小。

2 變幅機構三鉸點合理幾何形狀的確定

圖2

前支式變幅機構的鉸點三角形中具體參數如圖2所示，假設鉸點C與A的距離為P，ρ為油缸與p的夾角，推力p與c點的力臂h的公式為h=p·sinρ。油缸的最大縮短長度記作L0,而伸長的最大長度表示為L’，這就能很明顯的看出L’=aL0這個關系,當油缸達到完全縮短的程度，其吊臂與地面的角度為0度，當油缸完全伸長時，角度為A度，且當A=90度時,在△ABC中h=p。其函數圖曲線表示為圖3。

圖3

圖4

圖5

由表2和圖3、4、5函數曲線圖可以發現,如果油缸的A鉸點是安置在軌跡A-A段上就會使得油缸的主推力P隨著吊臂與地面的夾角加大而大幅度增加,這種大幅度變化會使得油缸工作狀態壓力增大，會嚴重縮短油缸的使用壽命；而A-A段上，會導致在起臂的時候力臂的角度會大幅度縮小,這會導致起臂的同時油壓的指數飆升，總體壓力偏高；而布置在A2A1段就比布置在A2A3段上更合適，而具有α-P的曲線其平緩度，其鉸點合理布置讓結構更加緊湊等優點非常有競爭力,所以A點通過理論計算來看設置在A2A1段比較合理的。

當起重機油缸伸縮長度是固定的時候，就已經對其鉸點三角形進行合理的計算和固定,在設計變幅機構的部件位置安置時,可以按照一定比例來改變模型三角形角度與大小,當油缸的AB邊開始加長的時候（即油缸加長）,h的數值也會按照同等比例來增加,油缸的推力P這是就會隨之減小,反之，就會看到油缸開始縮短,而推力P卻在加大。并可以根據上述的α一P的曲線函數與油缸長度變化函數來確定油缸的各項參數包括壓力、內徑等。

3 變幅機構三鉸點布置方案的討論

（1）變幅機構三鉸點的布置對起重機總體布置的影響，懸臂式液壓起重機在總體布置有如下要求：

1）當選擇起重機的時，若發現其起重性能一樣，應該選擇整機的自重比較低的機型。

2）起重機進行作業的時候，起重部分的重心位置通過設計后應該在靠后區域,這才能增加我們在起重作業時的整體力矩的穩定性；

3）轉臺、吊臂這些結構部件的剛度與強度必須首先得到保證，但是其結構要力求簡單，降低機械制造的難度。

（2）從表1當中的日本多田野產的1號起重機是最典型的使用前支式變幅形式的布置結構,其結構中的A點保持在回轉支承的平面上方,而C點卻設置成了低鉸點。所以日產的起重機的基本臂的尾部形狀就比較的復雜，這需要讓起升機構必須要設置在轉臺的平面上方,保證鋼絲繩須能經過導向滑輪穿到吊臂滑輪組上。表1中2號法國產的品格萊牌的起重機采用了一種比較新也比較特別的布置方案。這就使我們起重機的變幅鉸點的三角形能夠確定,使起重機的作業部分的總重量增加,并減少一定的配重,讓重心的位置能夠靠后,所以這各型號的起重機將A點設置的比較靠后。為了能夠使吊臂的機械結構更加簡單,C點就需要設置成高鉸點,這各鉸點設在基本臂的尾部側面的上方。為了使起重作業部分的重心降低,這就應盡量的把吊臂自身的布置不斷降低,這樣也就決定B點所在的高度。然而A點相應布置也需要提高到結構中轉臺的腹部上面,這種布置必然會使轉臺的形狀得到相應的改變,讓轉臺成為以板材為主的結構。其他的型號起重機也大同小異。

4 結語

目前我國最常見的起重機中的變幅機構中的單缸變幅大多采用了前支式，小型起重機到大型起重機都配置了雙缸裝置，雙缸布置的優點非常的明顯，那就是副臂可以安置在主臂的下方,副臂也可采用到壓桿結構,所以重量比以往來看輕了很多,同時還可承受吊臂的側向彎矩和扭矩,增強了吊臂承受回轉制動慣性力的能力,雙缸前支式尤為突出。

參考文獻：

［1］鐘安慶.汽車起重機變幅機構三鉸點的合理確定［J］.遼寧工學院學報,2003（01）.

［2］劉偉.伸縮臂起重機三鉸點的合理確定［J］.工程機械與維修,2015（S1）.

［3］王建文,信紀華.起重機變幅機構設計方法研究［J］.治淮,2007（02）.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.037

作者簡介：劉合金（1984-），男，大專，助理工程師，主要從事石油化工碼頭登船梯、液壓起重機以及庫區陸用液體裝卸臂機械設計方面工作。