150kN单臂液压起重机的设计

刘佳音;付丽;马叙

【摘 要】150 kN单臂液压起重机由吊臂、转轴、斜拉杆、主油缸、旋转油缸组、机座等组成.起重高度5.6m,装有双油缸180°旋转结机构,本文介绍了总体设计及主要部件的结构和设计方法.

【期刊名称】《天津理工大学学报》

【年(卷),期】2018(034)004

【总页数】3页(P6-8)

【关键词】单臂液压起重机;双油缸180°旋转;液压

【作 者】刘佳音;付丽;马叙

【作者单位】北京铁路局北京动车段,北京102600;天津理工大学材料科学与工程学院,天津300384;天津理工大学材料科学与工程学院,天津300384

【正文语种】中 文

【中图分类】TH218

汽车模具是大型模具，长、宽可达四米多，重达几十吨.模具由上模和下模组成，在模具制造和调试中，上模需要经常吊起和翻转，经研磨等工艺修整后，再翻转、吊回装配.翻转上模采用的方法是用两台起重机吊起，然后放开其中一个，翻转后再重新吊起，两台起重机同时放下，可实现模具上模的翻转.模具的上模重量是较大的吨位，需要两台较小吨位的起重机，吊起较大吨位的模具，此机要求结构紧凑、占地少.分析起重机的工作条件，本机采用液压驱动单臂结构.

1 总体结构设计

起重机由吊臂、转轴、斜拉杆、主油缸、旋转油缸组、机座等组成（参见图1），吊臂垂直方向起升角度范围为-14～60°，起重高度为5.6 m，吊臂可左右转动180°，全载荷有效工作角度为90°.主油缸是双耳环工程液压缸，内径200 mm、行程1200 mm.机底部分用混凝土固定于地面以下，起重机配有专用液压站.

图1 150 kN液压吊机Fig.1 150 kN Hydraulic crane1.主吊臂；2.拉杆分配架；3.转轴总成；4.斜拉杆；5.主油缸；6.油缸转动总成；7.工钢大基座

2 主要部件设计

2.1 吊臂的钢结构设计

吊臂可分为吊臂主体、吊钩、支承轴架等几部分组成.吊臂主体主要承受弯曲载荷，经材料力学计算可知，其最大弯矩在B处，其数值为463.5 kN·m.经过数种截面形式[1]

的综合分析，采用图2左示图所示的组合结构，由四个14号等边角钢和中间的12毫米厚钢板形成的组合截面.经优化设计计算，确定了如图所示的尺寸，此时其最大弯曲应力是70 MPa，符合液压机构件的许用应力.

支承轴架如图2俯视图所示.在工作中，吊臂会存在水平方向摆动的运动惯性，所以两个轴支板间要有一定的距离以克服吊臂的惯性扭矩，经计算此距离选为500 mm.

吊臂的三个销轴，均按许用应力70MPa进行设计.

图2 吊臂结构图Fig.2 Hanger structure

2.2 带重载转动转轴的设计

转轴的结构如图3所示，设计时考虑受力特点，结构上作了如下设计：

图3 转轴总成Fig.3 Shaft assembly1.主立轴；2.吊臂轴；3.大拉板；4.油缸轴；5.上轴套；6.铜套；7.下轴套；8.主轴圆座

其一，显然吊臂的力和油缸的力，分别通过吊臂轴和油缸轴作用在转轴上.转轴的横截面受[2]有拉力，其值经计算为385 kN.为了避免在转轴上形成偏心拉伸力矩，采用大拉板把两个力的作用点联接起来，则转轴截面的拉力全部由拉板承载.拉板是由两个厚12 mm、宽250 mm的钢板组成.

其二，转轴的上部受有斜拉杆的拉力，在转轴[3]的下部，与基座相接的部位受有向

上的530 kN反力和水平方向的276.2 kN反力，这两个部位工作时都要转动，设置了两个青铜滑动轴承，采用脂润滑.

2.3 双油缸180°旋转结构

驱动承载的吊臂在水平方向转动时，必然会存在极大的转动惯性，如果采用蜗轮结构、齿轮结构驱动其转动都是容易损坏的.本机采用油缸驱动，采用杆机构实现转动，通常一个油缸只能驱动转动约90°，采用如图4所示的结构，两个油缸[4]采用杆串联的方式，可实现180°转角.图中油缸AB的A轴是固定轴，通过B点驱动杆GE，G轴是也固定轴，则油缸可推动GE转动约90°.油缸DC以C为基点通过D点推动杆GF，则油缸DC可推动杆GE转动约90°.这样，两个油缸滿行程工作，可使杆GF转动约180°，杆GF与转轴固联，实现吊臂的180°转动.两个油缸均为直径63 mm、行程280 mm的双耳环工程油缸.采用双油缸驱动重型构件的转动，可以有效地缓冲巨大的转动惯性，是安全可靠的方法.

图4 双油缸驱动180°旋转示意图Fig.4 Double oil cylinder drive 180 degree rotation

2.4 宽区域承载底座的设计

底座的作用是承载作业空间形成的倾倒弯矩和整机的重力载荷.

底座的最大弯矩位于转轴处，由计算可知约是709 kN·m，按许用应力70 MPa计算，所需的抗弯截面模量8864 cm3.采用63c热轧工字钢，其抗弯截面模量是3300 cm3.在

工字钢的上、下两面焊装宽1 m、厚20 mm的钢板，使其抗弯截面模量大于8864 cm3.

工字钢上的弯矩[5-6]虽远离转轴而变小，所需焊装钢板的宽度也相应变窄，如图1所示，距离转轴左、右分别为2530 mm和1545 mm的位置上，其弯矩已变小，不必再焊装增加强度的钢板了.焊装的钢板呈梯形状.

吊臂在水平方向的工作范围是90°，所以布置了三条相同结构的工字钢，组成抗弯力系钢结构件，保证吊臂在各工作位置均有可靠的力学支承，每条工字钢所焊装的钢板最宽处大于1 m，实际上是如图1所示的形状.

底座构件装于地面以下，设预埋件，焊接固定.

3 结论

该150 kN单臂液压起重机的操作简单，结构紧凑、占地少，该设计采用PLC程序控制，在汽车模具的制造和调试中，和天车相互配合，可以安全可靠的达到预期目的.

参考文献：

【相关文献】

［1］古滨等.材料力学［M］.北京：北京理工大学出版社，2012，108-124.

［2］傅衣铭，熊慧而.材料力学［M］.湖南：湖南大学出版社，2007，228-246.

［3］冯维明，宋 娟，赵俊峰，等.材料力学［M］.北京：国防工业出版社，2010，159-173.

［4］杨宝光.锻压机械液压传动 ［M］.北京：机械工业出版社，1996.194-202.

［5］柴国钟，梁利华.材料力学［M］.北京：科学出版社，2012，127-136.

［6］李国洪，陈华玉，李文兵，等.适用于电机控制的开关电源设计［J］.天津：天津理工大学，2017，33（6）：37-40.