船塢壁行式直臂液壓升降機(jī)仰俯及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

張　鑫　尹超利　馬彥杰　段其瑛　呂紅征

紐科倫(新鄉(xiāng)) 起重機(jī)有限公司

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船塢壁行式直臂液壓升降機(jī)仰俯及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

張?chǎng)我R彥杰段其瑛呂紅征

紐科倫(新鄉(xiāng)) 起重機(jī)有限公司

船塢壁行式直臂液壓升降機(jī)是以液壓為動(dòng)力可沿船塢側(cè)壁的軌道行駛的載人維修升降機(jī)。以一臺(tái)載重0.5 t的維修升降機(jī)為例，利用MathCAD軟件對(duì)仰俯機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了受力計(jì)算，完成了仰俯機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓缸的選型。

船塢； 液壓升降機(jī)； 仰俯機(jī)構(gòu)； 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

1　前言

船塢壁行式直臂液壓升降機(jī)主要由動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、起升機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)構(gòu)、安全裝置等組成。整機(jī)由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，全液壓驅(qū)動(dòng)，由載人平臺(tái)上的操控臺(tái)控制。起升機(jī)構(gòu)由起升液壓缸、臂架、載人平臺(tái)、拉桿等構(gòu)成。升降機(jī)通過(guò)臂架的俯仰實(shí)現(xiàn)載人平臺(tái)的豎直移動(dòng)；回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由回轉(zhuǎn)液壓缸，端梁連接裝置等構(gòu)成，通過(guò)臂的回轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)載人平臺(tái)的水平移動(dòng)；端梁上設(shè)有液壓行走機(jī)構(gòu)，用于帶動(dòng)整個(gè)升降機(jī)沿船塢側(cè)壁軌道的運(yùn)行。由液壓泵驅(qū)動(dòng)液壓缸和液壓馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)、起升、行走功能。外形如圖1所示。

1.載人平臺(tái)　2.拉桿3.臂架　4.運(yùn)行機(jī)構(gòu)　5.起升液壓缸　6.回轉(zhuǎn)臂　7.動(dòng)力系統(tǒng)　8.安裝平臺(tái)　9.回轉(zhuǎn)液壓缸　10.端梁　11.立柱總成圖1　船塢壁行式直臂液壓升降機(jī)外形圖

以0.5 t升降機(jī)的設(shè)計(jì)為例，說(shuō)明其設(shè)計(jì)過(guò)程。主要技術(shù)性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　船塢維修平臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)

2　仰俯機(jī)構(gòu)

仰俯機(jī)構(gòu)通過(guò)仰俯液壓缸的伸縮，推動(dòng)臂架上下移動(dòng)，拉桿與臂架形成平面四連桿機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)載人平臺(tái)上下移動(dòng)，并保持平臺(tái)臺(tái)面始終處于水平狀態(tài)。仰俯液壓缸的作用力主要受載重量、工作平臺(tái)自重、臂架自重等因素影響。建立受力幾何模型確定俯仰角度，暫定油缸前后支點(diǎn)位置，計(jì)算出臂架頭部(截人平臺(tái))的最大、最小高度。

最大仰角：θmax=57°;

最大俯角：θmin=-52.7°;

油缸后支點(diǎn)與臂架支點(diǎn)垂直距離：a=1 000 mm；

油缸后支點(diǎn)與臂架支點(diǎn)水平距離：b=100 mm；

油缸前支點(diǎn)距臂架支點(diǎn)長(zhǎng)度：l=3 200 mm。

臂架頭部高度：Hq(θ)=Lbsinθ+0.940m

(1)

式中, θ為臂架的仰角或俯角。

根據(jù)式(1)得出：最大仰高Hθ(max)=11 m，最大俯高Hθ(min)=-8.6 m，仰俯液壓缸的長(zhǎng)度R(θ)：

(2)

采用MathCAD軟件計(jì)算并畫(huà)出R(θ)及H(θ)在[θmin，θmax]區(qū)間的曲線[1]，可得出所需液壓缸最大長(zhǎng)度為4.0335 m，所需液壓缸最小長(zhǎng)度為2.4023 m。

仰俯油缸的受力簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2　仰俯液壓缸受力簡(jiǎn)圖

仰俯液壓缸向?qū)τ贏點(diǎn)的力臂長(zhǎng)度：

(3)

式中，mb為臂架自重，取mb=3 360 kg。

仰俯液壓缸的受力：

(4)

式中，mh為平臺(tái)及載重總重，取mh=mpt+m=1 000 kg。

采用MathCAD軟件計(jì)算并畫(huà)出F(θ)在[θmin，θmax]區(qū)間的推力曲線圖，可得：

仰俯液壓缸最大推力時(shí)的臂架仰角θh=max(F,0)=48.75°；

仰俯液壓缸的最大推力Ftmax=F(θh)=368 kN；

仰俯液壓缸最小推力時(shí)的臂架俯角θl=min(F,0)=-48.47°

仰俯液壓缸的最小推力Ftmin=F(θl)=287 kN。

3　回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)計(jì)算

在臂架回轉(zhuǎn)過(guò)程中主要受回轉(zhuǎn)支承的回轉(zhuǎn)阻力矩、坡道阻力矩、風(fēng)阻力矩、慣性阻力矩等的影響[2]。

3.1回轉(zhuǎn)支承回轉(zhuǎn)阻力矩

(1)臂架最大傾覆力矩：

(5)

式中，Mx為臂架最大傾覆力矩，kNm。

根據(jù)式(5)可得Mx=326.2 kNm。

(2)回轉(zhuǎn)支撐裝置所受的總垂直力：

(6)

根據(jù)式(6)可得Fa=42.75 7 kN。

(3)回轉(zhuǎn)支撐裝置所受的總水平力：

(7)

根據(jù)式(7)可得Fr=4.2757 kN。

(4)回轉(zhuǎn)支撐裝置全部滾球或滾珠所受的總壓力：

(8)

根據(jù)式(8)可得∑N=926.18kN。

(5)回轉(zhuǎn)支承阻力矩：

(9)

式中，ω為回轉(zhuǎn)支承回轉(zhuǎn)阻力系數(shù)，ω=0.01。

根據(jù)式(9)可得Tm=7.41 kNm。

3.2坡道阻力矩

(10)

式中,θ1為回轉(zhuǎn)平面與水平面的夾角，θ1=5°；φp為起重機(jī)回轉(zhuǎn)角度，φp=90°。

根據(jù)式(10)可得Tp=11.20 kNm。

臂架回轉(zhuǎn)時(shí)，坡道阻力矩隨回轉(zhuǎn)角度變化而變化，等效坡道阻力矩：

Tpe=0.7Tp=7.84kNm

(11)

式中，qw為工作時(shí)最大風(fēng)壓，qw=150 Pa；Aw1為載重物迎風(fēng)面積，Aw1=1 m2；Aw2為回轉(zhuǎn)部件迎風(fēng)面積，Aw2=6.39 m2。

根據(jù)式(11)可得Tw=7.56 kNm。

3.4慣性阻力矩

起重機(jī)回轉(zhuǎn)時(shí)的慣性阻力矩，由繞起重機(jī)回轉(zhuǎn)中心線回轉(zhuǎn)的物品慣性阻力矩TgQ和起重機(jī)回轉(zhuǎn)部分的慣性阻力矩TgG組成。

(1)物品對(duì)起重機(jī)回轉(zhuǎn)中心線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：

(12)

根據(jù)式(12)可得JQ=4.8×104kgm2。

(2)臂架對(duì)起重機(jī)回轉(zhuǎn)中心線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：

(13)

根據(jù)式(13)可得Jb=2.32×105kgm2。

4.2.2 分析：UE側(cè)打開(kāi)了eDRX，所以UE會(huì)在hfn:970，sfn:256到hfn:971，sfn:256這段時(shí)間內(nèi)接收paging，但是在基站側(cè)卻在hfn:971，sfn:449這個(gè)點(diǎn)上給UE發(fā)射paging。核查參數(shù)發(fā)現(xiàn)核心網(wǎng)側(cè)打開(kāi)了eDRX，基站側(cè)未打開(kāi)eDRX，配置不一致，導(dǎo)致Paging幀不對(duì)齊丟失。

(3)物品繞起重機(jī)回轉(zhuǎn)中心線回轉(zhuǎn)的慣性阻力矩：

(14)

式中,n為回轉(zhuǎn)速度，n=1 r/min；t為起、制動(dòng)時(shí)間，t=3 s。

根據(jù)式(14)可得：TgQ=0.2667 kNm。

(4)起重機(jī)回轉(zhuǎn)部分的慣性阻力矩：

(15)

根據(jù)式(15)可得TgG=1.2902 kNm。

(5)慣性阻力矩：

(16)

根據(jù)式(16)可得Tg=1.5569 kNm。

3.5起重機(jī)回轉(zhuǎn)時(shí)需要克服的最大回轉(zhuǎn)總阻力矩

(17)

根據(jù)式(17)可得T=27.72 kNm。

等效總阻力矩Te：

(18)

根據(jù)式(18)可得Te=22.10 kNm。

3.6回轉(zhuǎn)液壓缸拉力計(jì)算

回轉(zhuǎn)液壓缸的位置圖如圖3所示

圖3　回轉(zhuǎn)液壓缸位置圖

已知：S1=550 mm，S2=850 mm，S3=3 050 mm，S4=200 mm，最小擺動(dòng)角度θsmin=0°，最大擺動(dòng)角度θsmax=120°。

3.7回轉(zhuǎn)油缸的支反力計(jì)算

根據(jù)回轉(zhuǎn)油缸的受力分析得出，油缸拉力、推力都做工，根據(jù)油缸特性，當(dāng)油缸受拉時(shí)的壓力最大。采用MathCAD軟件計(jì)算并畫(huà)出F(θs)在[θsmin， θsmax]區(qū)間的拉力曲線圖，計(jì)算可得：

所需最大拉力Fstmax=max(F(θs) )=58.75kN;

所需最小拉力Fstmin=min(F(θs) )=27.38kN。

3.8回轉(zhuǎn)油缸行程計(jì)算

所需水平液壓缸的長(zhǎng)度按下式計(jì)算：

(18)

根據(jù)式(18)用MathCAD軟件計(jì)算并畫(huà)出回轉(zhuǎn)油缸長(zhǎng)度的變化曲線[3]，計(jì)算可得：

所需油缸最大長(zhǎng)度Rsmax=max(Rs(θs) )=3 915.7 mm。

所需油缸最小長(zhǎng)度Rsmin=min(Rs(θs) )=2 164.5 mm。

3.9回轉(zhuǎn)油缸的選型及驗(yàn)算

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，選擇液壓缸的型號(hào)為：GGK1-90/50x1750。其缸徑Ds缸=90 mm，桿徑ds缸=50 mm，壓力等級(jí)p=25 MPa。液壓缸的最大推力為：

最大拉力為：

滿足上述設(shè)計(jì)要求。

該液壓缸的行程S缸=1 750 mm，油缸的基礎(chǔ)長(zhǎng)度l缸=410 mm。

油缸的最小長(zhǎng)度Ls缸min=l缸+S缸=2 160 mm；

油缸的最大長(zhǎng)度Ls缸max=Ls缸min+S缸=3 910 mm。

考慮上述計(jì)算數(shù)據(jù)的圓整和實(shí)際使用情況，該缸滿足要求。

4　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)浮船塢維修平臺(tái)的仰俯機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的液壓缸進(jìn)行計(jì)算分析，按此設(shè)計(jì)并制造的樣機(jī)經(jīng)試驗(yàn)檢驗(yàn)，能滿足設(shè)計(jì)和要求，達(dá)到預(yù)期效果。

[1] 張?chǎng)危瑓呛Ｕ?，劉新生，? 基于MathCAD的船用起重機(jī)吊鉤不水平位移計(jì)算[J].港口裝卸,2013(05):5-6.

[2]王金諾，張質(zhì)文，等. 起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[S]. 北京: 中國(guó)鐵道出版社, 2013.6.

[3]張?chǎng)? 基于阿克曼原理的16輪起重機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 港口裝卸,2016(01):10-13.

張?chǎng)? 453400,河南省長(zhǎng)垣縣河南起重機(jī)械工業(yè)園區(qū)

Design of the Pitch and Rotary Mechanism for the Hydraulic Dock Walking-on-wall Straight Arm Lift

Zhang XinYin ChaoliMa YanjieDuan QiyingLu Hongzheng

Nuleon(Xin Xiang) Crane Limited Company

Dock Walking-on-wall Straight Arm Hydraulic lift is a manned maintenance elevator with hydraulic driving system that can translate along the rail on the dock lateral wall. With the 0.5t maintenance elevator being set as the example, the force that applied on the pitch and rotary mechanism was calculated by MathCAD software. Besides, the types of hydraulic cylinder of pitch mechanism and rotary mechanism were also determined.

dock; hydrualic lift; pitch mechanism; rotary mechanism

2016-04-11

10.3963/j.issn.1000-8969.2016.05.002