机械原理四连杆门座式起重机

西南交通大学峨眉校区机械原理大作业第1页机械原理2013—2014学年大作业设计题目：四连杆式门座起重机工作机构设计姓名：李瑞学号：20116447专业班级：11级铁道车辆一班指导教师：何俊2013/11/10西南交通大学峨眉校区机械原理大作业第2页题目介绍、要求以及数据设计题目：四连杆式门座起重机工作机构设计一、设计题目简介四连杆门座起重机是通用式门座起重机,广泛应用于港口装卸、修造船厂、钢铁公司,主要由钢结构、起升机构、变幅机构、回转机构、大车运行机构、吊具装置（抓斗、简易集装箱吊具、吊钩）、电气设备及其它必要的安全和辅助设备组成。通过四连杆控制在吊臂前后运动的时候）起吊节点保持水平高度不变。二、设计数据与要求题号起重量t工作幅度（米）起升高度（米）工作速度m/min装机容量KWL2L1H1H2起升变幅回转运行C1025815950501.525330三、设计任务1、依据设计参数绘出机构运动简图，并进行运动分析，确定实现起吊点轨迹的机构类型2、依据提供的设计数据对四连杆起吊机构进行尺度综合，确定满足使用要求的构件尺寸和运动副位置；3、用软件（VB、MATLAB、ADAMS或SOLIDWORKS等均可）对执行机构进行运动仿真，并画出输出机构的位移、速度、和加速度线图。4、编写说明书，其中应包括设计思路、计算及运动模型建立过程以及效果分析等。5、在机械基础实验室应用机构综合实验装置验证设计方案的可行性。西南交通大学峨眉校区机械原理大作业第3页第一章、四连杆式门座起重机的介绍第一节、四连杆式门座起重机的概述门座起重机是起重机的一种，是随着港口事业发展起来的。第一次在港口上运用门座式起重机是在1890年将幅度不可变的固定式可旋转臂架型起重机横跨在窄型码头上，这是门座起重机的第一次运用。在第二次世界大战之后港用门座起重机迅速发展，在发展的过程中门座起重机还逐渐应用到作业条件与港口相近的船台和水电站等工作地点。图1-1M10－30门座起重机总图⒈电缆卷筒；2.转柱；3.门座；4.转台；5.机器房；6.起重量限制器；7.变幅机构；8.臂架系统；9.防转装置；10.吊钩装置；11.抓斗稳定器；12.抓斗；13.司机室；14.回转机构；15.起升机构；16.运行机构1、机构的运动简图为：西南交通大学峨眉校区机械原理大作业第4页2、起重机的起升机构为：起升机构是起重机最主要的机构，用以实现重物的升降运动。它是有电动机、卷筒、钢丝绳、滑轮组、减速器、制动器和吊钩组成。滑轮是用来改变钢丝绳的受力方向的，可以作为导向滑轮，更多地用来组成滑轮组，它是起重机起升机构的重要组成部分。卷筒在起升机构中用来卷绕钢丝绳，它将电动机的回转运动转换为重物升降或水平的直线运动。制动器在起升机构中是不可缺少的组成部分，制动器的作用主要有：1、支持——保证重物能在空中保持不动；2停止——用摩擦消耗运动部分的动能，以一定的减速度使机构停止下来；3落重——制动器与重力平衡，重物以恒定的速度下降。减速器可以用来改变转速，获得精准的转速，以达到减速的目的。电动机通过联轴节与减速器的高速轴相连。机构工作时，减速器的低速轴带动卷筒，将钢丝绳卷入或放出，经过滑轮系统，使吊钩实现上升或下降。机构停止工作时，制动器使吊钩连同货物悬吊在空中，吊钩的升降靠电动机改变转向来达到。西南交通大学峨眉校区机械原理大作业第5页3、起重机的变幅机构为：变幅机构是用来实现臂架俯仰，以改变工作幅度的机构。它主要有两个方面的作用：一是在满足起重机工作稳定性的条件下，改变幅度，以调整起重机有效起重量或调整取物装置工作位置；二是在起重量的最大幅度与最小幅度之间运移货物，以扩大起重机的作业范围。港口装卸用门座起重机变幅机构的作用主要是指后者，它与其他机构联合作业，实现货物的运移。1—象鼻架；2—拉杆；3—机架；4—动臂第三节、门座式起重机的分类门座起重机可按照以下形式分为：1、按照门架结构分：全门座起重机和半门座起重机全门座起重机：具有完整的门架，两条运行轨道在同一水平面上半门座起重机：不具有完整的门架，两条运行轨道不在同一水平面上，一条铺设在地面上，另一条铺设在库房或者特质的栈桥上。2、按照起重臂结构类型分：四连杆组合臂架门式起重机：净空高度比较大，起重机总高度较低；但结构复杂，重量较大。单臂梁式门座起重机：净空高度比较小，起重机总高度较高；结西南交通大学峨眉校区机械原理大作业第6页构较简单，总量较轻。3、按照支撑装置结构分：转柱式门座起重机、定柱式门座起重机、转盘式门座起重机和大轴承式门座起重机。4、按照用途分：装卸用门座起重机、造船用门座起重机和建筑安装用门座起重机名称用途参数及特点装卸用门座起重机主要用于港口和露天堆料场，用抓斗或吊钩装卸。起重量一般不超过25吨，不随幅度变化。工作速度较高，故生产率常是重要指标。造船用门座起重机主要用于船台、浮船坞和舣装现场，进行船体拼接、设备舣装等吊装工作，吊钩作为吊具。最大起重量达300吨,幅度大时起重量相应减小。有多档起升速度，吊重轻时可提高起升速度。建筑安装用门座起重机主要用在水电站进行大坝浇灌、设备和预制件吊装等，一般用吊钩。起重量和工作速度一般介于前两类起重机之间。它具有整机装拆运输性好、吊具下放深度大、能较好地适应临时性工作和栈桥上工作等的特点。第二章、四连杆门座式起重机的分析第一节、起重机的方案确定方案一：平行四连杆臂优点：重心易合成易确定，变幅过程中可以沿水平方向运动。西南交通大学峨眉校区机械原理大作业第7页缺点：由于机构是平行四边形所以其稳定性不好，容易变形。方案二：四连杆式臂架四连杆式臂架可以用反转法求得，简图过程如下图所示。此方案的优点：重心以及其他点可以精确的求得，而且相对平行四连杆臂而言有更好的稳定性。经研究比较最终确定方案为四连杆式臂。西南交通大学峨眉校区机械原理大作业第8页第二节、机构尺寸的确定以及计算1、尺寸的确定：由于题目中要求E点做水平运动，并且给出范围是在8~25米之间，根据设计需要，暂且确定摆动臂为24米，CD间距离设为4米，DE间距离设为10米，拉杆长度设为22米，A、B两脚支架的坐标分别为（0,0）和（-6,8）。并且用ADMIS软件进行调试验证，此数据可以使得机构正常运行。2、计算过程：西南交通大学峨眉校区机械原理大作业第9页如图，最大幅度时臂架、象鼻梁与水平线夹角的下线min和min以及象鼻梁前后端长度L和l比值的选取实际设计时都有经验取值范围：min40~50min8~30(0.35~0.5)lL由图可求出象鼻梁端点E的坐标表达式：coscossinsinEExRLyRL220002202arccosarctan()RHSLHSRSH0sinarcsinRHL图中A点为坐标原点，l0为AD的杆长，l1为AB的杆长，l2为BC间的杆长，l3为CD间距离，l4为DE间距离，l5为B点的纵坐标长度，l6为B点的横坐标长度；α为AD杆与x轴见得夹角，β为BC26251lll西南交通大学峨眉校区机械原理大作业第10页杆与水平的夹角，r为AB杆与AD杆见得夹角，θ为AB杆与x轴的夹角；H为悬挂点的高度，即E点的纵坐标长度。其中l0、l2、l4、l5、l6均为已知，则：l7在三角形ABD中根据余弦定理可得：l7²=l1²+l0²-2l1l0cosr→l7=√l1²+l0²-2l1l0cosr;式中的r=θ-α，tanθ=l5/l6；在三角形BCD中根据余弦定理l2²=l7²+l3²-2l7l3cosФ1可得Ф1=cos-¹（l7²+l3²-l2²/2l7l3）悬臂梁最大与最小夹角αmax、αmin计算公式：即α的取值范围西南交通大学峨眉校区机械原理大作业第11页当摆角α在最大幅度Rmax时，y=H=l0sinα-l4sinΨΨ可以用α表示，因此可以求出αmin=41°；同理可以求出当摆角α在最大幅度Rmin时αmax=77°程序：内层：目标函数functionf=myfun1(x)；f=max(x(6))-min(x(6));将该文件保存为optim1.m约束条件、设计变量：function[c,ceq]=mycon1(x)amx=75*pi/2;smx=65;smn=31;H0=50;c(1)=x(1)-50*pi/180;c(2)=40*pi/180-x(1);c(3)=x(2)-25*pi/180;c(4)=10*pi/180-x(2);c(5)=x(3)-0.5*x(8);c(6)=0.35*x(8)-x(3);c(7)=x(4)-0.24*x(7);c(8)=0.2*x(7)-x(4);c(9)=x(5)-0.4*x(7);c(10)=0.3*x(7)-x(5);c(11)=x(9)-amx;c(12)=x(1)-x(9);ceq(1)=(-smx*tan(x(1))-H0)/((cos(x(2))*tan(x(1)))+sin(x(2)))-x(8);ceq(2)=(H0+x(8)*sin(x(2)))/(sin(x(1)))-x(7);ceq(3)=acos((x(7)^2+H0+S0-x(8)^2)/(2*x(7)*sqrt(smn^2+H0^2)))+atan(-H0/smn)-x(9);ceq(4)=asin((x(7)*sin(x(9))-H0)/x(8))-x(10);ceq(5)=-x(7)*cos(x(9))+x(3)*cos(x(10))-x(11);ceq(6)=x(7)*sin(x(9))+x(3)*sin(x(10))-x(12);x(6)=sqrt((x(11)-x(4))^2+(x(12)-x(5))^2);将该文件保存为optim1c.m调用函数x0=[40*pi/180，8*pi/180，10];[x]=fmincon(@optim1,x0,[],[],[],[],[],[],@optim1c)外层：设计变量：目标函数：functionf=myfun2(x)；f=max(x(2))-min(x(1));将该文件保存为optim2.m约束条件function[c,ceq]=mycon2(x)c(1)=x(3)-amx;c(2)=amn-x(3);ceq(1)=-R*cos(x(3))-L*cos(sd)-x(1);ceq(2)=R*sin(x(3))-L*sin(sd)-x(2);将该文件保存为optim2c.m调用函数x0=[40*pi/180，22*pi/180，9.373];[x]=fmincon(@optim2,x0,[],[],[],[],[],[],@optim2c)西南交通大学峨眉校区机械原理大作业第12页最终确定杆长为：B（5,8）；R=15.57；L=10；l=4；H0=8；θmin=20°；αmin=47.083°结构如下图所示：3、建模及仿真底座：西南交通大学峨眉校区机械原理大作业第13页中间部分：运动简图中的AD运动简图中的BC西南交通大学峨眉校区机械原理大作业第14页运动简图中的CE装配图：运动曲线：西南交通大学峨眉校区机械原理大作业第15页X轴方向位移曲线X轴方向速度曲线X轴方向加速度曲线Y轴方向位移曲线西南交通大学峨眉校区机械原理大作业第16页运动仿真综合图：总结通过本次机械原理大作业的分析，让我学会了很多知识，其中最深刻最重要的就是真正的懂了这门课程的精华所在。在做作业期间也曾预见到各种各样的困难，刚刚开始的时候感觉无从下手，手足无措，但是慢慢的通过到图书馆查阅书籍资料和在网上查找相应的资料，慢慢的解决这些问题。在建模的时候运用三维软件进行建模从而更加了解了四连杆门座式起重机的工作原理，最后当仿真运动动画出来的那刻，我真的很激动。在此同时也感谢老师在我做作业期间对我的指导和帮助。