第十一章 臂 架,第一节 臂架的应用与分类 第二节 单 臂 架 第三节 组 合 臂 架 第四节 伸 缩 臂 架 第五节 小车变幅臂架和挖掘机臂架 第六节 履带起重机臂架,第一节 臂架的应用与分类,一、臂架的应用,臂架是起重和装卸机械中常用的一种重要结构形式由于它在整台机械中占据空间小而服务面积大，作业方式机动灵活，可满足不同的使用要求，因此广泛地应用于各种起重、装卸机械中例如，简单的悬臂起重机、壁行起重机、动臂起重机；复杂的汽车起重机、轮胎起重机、履带起重机、铁路起重机、塔式起重机、门座起重机、浮游起重机以及装载机和挖掘机的工作装置臂架二)按臂架的型式分类,1.按组成型式分类,(1)单臂架 它是一根单独的构件，如图11-1a所示的起重量为16t的轮胎起重机 (2)铰接组合臂架 它是由若干刚性构件用铰链连接组合而成的整体臂架，根据合理选择的铰点位置和构件几何形状的变化来满足不同的使用要求，如门座起重机起吊物品走水平线省功的要求及装载机铲斗装载运动不撒料的要求等图11-2 铰接组合臂架,,2.按结构型式分类,(1)桁架式臂架 它主要用于移动式起重机中，如汽车起重机、轮胎起重机、履带起重机和塔式起重机等。
(2)无斜杆臂架 它主要用于船舶起重机和小型门座起重机中，其结构如图11-3所示 (3)实腹式臂架 它主要用作门座起重机的组合臂架和作为工作装置的挖掘机及装载机臂架3.按受力特点分类,(1)受压臂架 它利用固定在臂架顶端(或很接近顶端)的变幅绳来实现臂架的俯仰变幅图11-3 无斜杆臂架,,(2)压弯臂架 这类臂架往往是靠连接在臂架中下部或后部的变幅连杆(如齿条、螺杆、液压缸等构件)的牵引运动实现臂架变幅，因此臂架的前段形成悬臂状态，在载荷作用下臂架承受很大的弯曲和轴向力 (3)受弯臂架 借助沿臂架运行的小车来实现变幅的起重机水平臂架，它主要承受横向弯曲作用表11-1 臂架外形参考尺寸,,第二节 单 臂 架,一、单臂架的结构型式,,图11-5 管结构桁架式臂架,,图11-6 钢板焊接的实腹式臂架,,二、单臂架设计计算,,,图11-8 单臂架在回转平面内的计算长度,,,第三节 组 合 臂 架,,图11-10 四连杆组合臂架门座起重机 a)柔性拉索式 b)刚性拉杆式,,二、象鼻架,,,图11-11 桁构式象鼻架的构造,,,(三)象鼻架的设计计算,,图11-14 象鼻架计算简图 a)变幅平面 b)、c)、d)回转平面,,,,图11-15 80t门座起重机实腹式臂架的结构,,图11-17 臂架载荷图,,,(三)臂架的设计计算,1.臂架系统受力分析,(1)臂架变幅平面 1)画出臂架系统的几何简图(图11-18a)。
2)求出臂架系统在额定起升载荷PQ作用下，对臂架上铰点产生的作用力FQ′(图，尚未包括起升绳拉力) 3)找出臂架系统在额定起升载荷偏摆水平力FT(内偏或外偏)作用下，对臂架上铰点产生的作用力FQ″(图11-18c)图11-18 臂架系统几何简图和额定起升载荷及其偏摆力对臂架作用的受力分析图解,,4)找出象鼻架重力PGx及拉杆重力PGl对臂架上铰点作用力Fx(见图11-19a，E点为PGx和PGl/2的重心) 5)找出活动平衡对重重力PGd和均衡梁重力PGl所引起的对重拉杆拉力Fd，这时取均衡梁为分离体计算(见图11-19b)图11-19 臂架系统在象鼻架重力、拉杆重力和平衡对重重力作用下的受力分析图解,,6)最后取臂架为分离体，找出臂架在各种外力(臂架上铰点作用力、臂架重力、平衡对重拉杆拉力等)作用下的变幅拉杆的拉力图11-20 臂架上铰点作用力和臂架重力所引起变幅拉杆拉力的受力分析图解,(2)臂架回转平面 作用在象鼻架上的侧向载荷为FT、Fg′和Pw′，通过上铰轴传递给臂架，其顶端总水平力PH=FR=FT+Fg′+Pw′，同时使臂架顶端受附加力矩M0和扭矩Tn(见图11-14及图11-17)的作用。
2.臂架计算,,四、拉杆,1.拉杆结构,图11-21 M5-30型门座起重机的拉杆结构,,图11-22 80t造船用门座起重机的拉杆结构,,2.作用在刚性拉杆上的载荷,1)由象鼻架尾部传来的作用力 2)起升钢丝绳拉力对拉杆的作用力(受压) 3)拉杆自身重力 4)拉杆质量引起的惯性力及风力3.拉杆的计算,,五、臂架的铰接关节,,第四节 伸 缩 臂 架,一、伸缩臂架的结构及工作原理,,图11-25 箱形伸缩式臂架结构 1—基本臂 2、3—伸缩臂 4—附加臂 5—变幅液压缸,,二、箱形伸缩臂受力分析,,三、箱形伸缩臂架的设计计算,,图11-29 变截面伸缩臂架 长度系数的确定,,(二)伸缩臂架的刚度计算,,,(三)伸缩臂架的强度计算,,图11-32 导向滑块对翼缘板的作用简图 a)伸缩臂重叠部分的构造简图 b)内节臂端下翼缘板的受力简图,,(四)伸缩臂架的稳定性计算,,第五节 小车变幅臂架和挖掘机臂架,一、小车变幅臂架结构型式,,图11-33 小车变幅臂架的结构型式,,图11-34 小车变幅臂架的截面型式,,二、小车变幅臂架的合理吊点位置,,图11-35 有拉杆(索)的 臂架弯矩图,,三、挖掘机臂架系统的型式,,图11-37 具有一根斗杆和两根动臂的挖掘机臂架,,四、挖掘机臂架的计算机辅助设计与分析,,图11-39 选择机型和臂架系统(工作装置)模型,,图11-40 挖掘包络图和特殊姿态分析显示,5.不同工况挖掘作业分析,(1)单点即时计算 通过调整液压缸长度确定一个挖掘点，计算该点沿切线方向发挥的最大理论挖掘力、最大功率及影响挖掘力发挥的因素。
(2)多点同时计算 可一次计算最多1000个点的挖掘参数，为挖掘作业分析提供详细而全面的计算数据 (3)姿态显示控制 通过鼠标控制显示或消除某个或某些指定点的工作装置姿态，以帮助观察具体的挖掘姿态下的有关性能指标 (4)区域显示控制 可单独显示某影响因素控制的区域 (5)范围显示控制 可根据挖掘力、发挥功率的计算值按特定范围显示6)自动生成区域分布曲线 根据限制最大挖掘力发挥的因素自动生成区域分布曲线图11-41 挖掘作业分析(多点计算、多姿态显示),6.最大挖掘力确定,,图11-42 对选定的位置姿态进行受力分析(横向挖掘),,图11-43 按挖掘力范围显示,,图11-44 动臂铰接点受力分析,,图11-45 斗杆铰接点受力分析,,图11-46 各部件铰接点的受力分析汇总,,图11-47 动臂变形及应力三维图(变形放大10倍),,图11-48 斗杆变形及应力三维图(变形放大10倍),8.车架受力分析,,9.整机稳定性分析,图11-49 整机稳定性分析(通过选定某一工况可具体分析其稳定性，并可确定其最不稳定姿态),,10.起重作业分析,图11-50 起重作业分析(多点计算及区域分布图),,11.破碎作业分析,,第六节 履带起重机臂架,一、履带起重机简介,履带起重机具有起重性能好、接地比压小、转弯半径小、起吊作业不打支腿、带载行驶，并可借助附加装置实现一机多用等优点，被广泛应用于桥梁施工、石油化工、水利电力建设等领域。
产品的系列、性能及功能日趋完善，已由最初的小吨位(35t)、机械传动、简单的机电控制发展到现代的大吨位(3200t)、液压传动、智能化控制二、履带起重机臂架组合方式,(1)臂架的重轻组合方式 由于受整机倾覆稳定性的约束，臂架长度增加受限 (2)超短副臂组合方式 对于石油化工行业，安装对象是既重又细而高的反应塔 (3)主臂+副臂+副臂组合方式 为最大化利用各种臂架型式，扩展作业空间，Liebherr公司又推出了副臂连接副臂方式，如图11-55所示 (4)并联臂架方式 随着吊装技术与要求的不断发展与提高，对起重设备的承载能力提出更高要求图11-51 履带起重机 a)主臂作业 b)固定副臂作业 c)塔式副臂作业 d)塔式副臂用后拉板变幅,,图11-53 Liebherr公司的400t履带起重机 a)主臂的重轻组合方式 b)塔式副臂的重轻组合方式,,图11-54 超短副臂方式,,图11-55 主臂+副臂+副臂方式,,图11-56 双臂架起重机 a)A字型臂架 b)3070t环轨起重机 c)3200t履带起重机,,三、臂架结构特点与组成,,图11-57 臂架结构组成,,图11-58 底节结构 a)板加强方式的底节 b)桁架式底节,,图11-59 顶节结构 a)板加强顶节结构 b)桁架式顶节,,图11-60 臂节间的销轴连接 a)接头与销轴连接 b)接头与销轴连接示意,,图11-61 臂节间的新式连接 a)Manitowoc新式连接 b)Liebherr公司的新式连接 c)Demag公司的新式连接,,四、臂架结构设计要点,(1)受力合理 从臂架受力简图看出，除臂架自重外，臂架主要承受物品自重及变幅系统的合力。
(2)臂架截面尺寸与管材规格关系的确定 臂架在作业过程中，既承受物品及变幅施加的轴向载荷作用，又承受侧向载荷及自重载荷引起的弯矩作用，而这是确定臂架截面尺寸与管材规格关系的依据 (3)结构的整体稳定性与局部稳定性的关系 根据(2)的设计原则，可确定结构的截面尺寸与管材规格，同时还要重点考虑结构的整体稳定及局部稳定性，由此决定弦杆节点间距的大小及腹杆的数量4)副臂作业方式的计算时 在变幅计算平面内，可按照前述计算方法分别计算主臂和副臂的强度、刚度、稳定性，但同时还要考虑主、副臂在回转平面内的整体稳定性 (5)臂架非作业工况下的计算 履带起重机臂架一般在地面组装好后，通过自身变幅能力将臂架起臂到工作角度，如图11-63所示 (6)臂架重轻组合的稳定性计算 在臂架重轻组合方式中，对臂架整体稳定性是一种严峻的考验7)腰绳的计算 随着履带起重机吨位和起升高度的不断增加，臂架的长度势必也要增加，加之为减小臂架自重而出现的重轻组合方式及采用高强材料趋势，都将导致臂架的截面及管材规格的减小，由此引发臂架的刚度问题图11-62 臂头结构 a)主臂头受力简图 b)多倍率副臂臂头 c)单双倍率副臂臂头,,图11-63 臂架水平起臂示意 —臂长 —臂架自重均布载荷 —变幅拉板力 M—臂头附加弯矩 —臂架自重载荷引起的初始变形 Δ、Δ—轴向载荷引起的附加变形,,图11-64 腰绳连接方式 a)腰绳连接在臂架中部与桅杆顶点之间 b)腰绳在臂架中部与变幅拉板之间,,图11-65 超起桅杆工况下的腰绳方式,,图11-66 腰绳结构受力简图,,图11-67 450t-126m超起主臂起臂示意图,表11-3 臂架管材规格,,表11-4 不同计算方法的变形数据,表11-5 不同计算方法的应力数据,,图11-68 非线性计算法的应力与变形云图 a)有限元模型 b)变形云图(放大倍数5) c)应力云图 d)局部应力云图,。