第十一章 變幅機構(gòu)

1、起重機械lifting appliances,新鄉(xiāng)學院,第十一章 變幅機構(gòu),§11-1 概述§11-2 載重水平變幅§11-3 臂架自重平衡§11-4 變幅驅(qū)動機構(gòu)§11-5 變幅安全裝置,§11-1 概述,一.定義,1.起重機中用以改變幅度的專用機構(gòu)稱為變幅機構(gòu)。,2.幅度——在回轉(zhuǎn)類型起重機中，從取物裝置中心線到起重機旋轉(zhuǎn)中心線的水平距離稱為起重機的幅度。,&#

2、167;11-1 概述,二.作用,1.在載重力矩不超過額定值的前提下，改變幅度以調(diào)整起重機的起重能力，提高起重機的利用程度，或者通過改變幅度來調(diào)整取物裝置的工作位置，以適應(yīng)裝卸路線的需要，提高工作的機動性（非工作性變幅）。,2.使物品繞回轉(zhuǎn)軸線作徑向水平移動，以提高生產(chǎn)率，擴大服務(wù)范圍和改善工作機動性（工作性變幅）。,§11-1 概述,三.變幅機構(gòu)的類型,1.根據(jù)工作性質(zhì)分類,①.非工作性變幅機構(gòu)——特點：空載下調(diào)整工作位置，

3、在物品吊運過程中，幅度不變；或者用來放倒臂架，以利運輸。通常用非平衡變幅機構(gòu)。,②.工作性變幅機構(gòu)——特點：帶載變幅，實現(xiàn)物品的水平搬運，工作性變幅機構(gòu)是平衡性變幅機構(gòu)，常采用吊重水平位移及臂架自重平衡系統(tǒng)，但機構(gòu)復雜。,§11-1 概述,三.變幅機構(gòu)的類型,2.根據(jù)變幅方法分類,①.運行小車式變幅機構(gòu)——特點：幅度的改變是依靠運行小車沿著水平臂架上的水平運行來實現(xiàn)，用于工作性變幅。優(yōu)點：變幅速度均勻，物品搖擺現(xiàn)象減輕，變幅速

4、度快。缺點：臂架承受較大的彎矩，結(jié)構(gòu)自重較大，機動性較差。,§11-1 概述,三.變幅機構(gòu)的類型,2.根據(jù)變幅方法分類,②.俯仰臂架式變幅機構(gòu)——特點：幅度的改變是依靠動臂繞其鉸軸俯仰來實現(xiàn)，可用于工作性和非工作性變幅。優(yōu)點：臂架受力情況較有利，結(jié)構(gòu)自重較輕，起重機的重心低，穩(wěn)定性好，機動性較好。缺點：難于獲得較小的起重機最小幅度，變幅速度不均勻，物品容易搖擺。解決方法措施復雜。,§11-1 概述,三.變幅機構(gòu)的類型

5、,3.根據(jù)變幅性能分類,①.非平衡變幅機構(gòu)（簡單變幅機構(gòu)）——臂架俯仰變幅時，會同時引起臂架重心和取物裝置及所承載物品的升降運動，在減小幅度時需要耗費很大的功率，而在增大幅度時，則引起較大的慣性載荷，影響使用性能。但它的結(jié)構(gòu)比較簡單，常用于非工作變幅，如汽車起重機等。,②.平衡變幅機構(gòu)（復雜變幅機構(gòu)）——采取一定措施，使起重機在臂架俯仰變幅的過程中，其合成重心沿水平方向移動，減小驅(qū)動功率和慣性載荷。它的結(jié)構(gòu)較為復雜，常用于工作性變幅，如

6、門座起重機等。,§11-1 概述,四.工作性變幅機構(gòu)的主要問題,當采用簡單俯仰臂架方案變幅時，變幅驅(qū)動裝置除必須克服一般變幅阻力外，還必須克服由于臂架自重、取物裝置和物品重力的升降所引起的垂直方向的阻力，并且后者所占比例很大，既浪費能量又加劇物品擺動，影響起重機工作性能發(fā)揮，所以簡單俯仰臂架變幅方案不適用于工作性變幅。,1.變幅機構(gòu)作用,2.簡單變幅機構(gòu)利弊分析,只有采用合宜的措施（工作性變幅）消除或減小這兩項阻力的影響，才能

7、使變幅機構(gòu)所需的驅(qū)動功率減小，并且提高機構(gòu)的可操作性，從而使俯仰臂架式變幅機構(gòu)適用于工作性變幅。目前解決上述問題的主要措施是：,§11-1 概述,四.工作性變幅機構(gòu)的主要問題,①.載重水平變幅——使取物裝置及其所載物品在變幅過程中沿著水平線或接近于水平線的軌跡運動——物品升降補償裝置，如繩索補償法、組合臂架補償法等。,②.臂架自重平衡——使臂架系統(tǒng)的總重心高度在變幅過程中沿垂直方向不發(fā)生或少發(fā)生變化，或重心運動軌跡為水平線，實

8、現(xiàn)方法如不變重心式等。,3.目前解決上述問題的主要措施是：,§11-2 載重水平變幅,一.繩索補償法,1. 特點及類型,特點：被吊運物品在變幅過程中引起的升降現(xiàn)象，依靠起升繩纏繞系統(tǒng)中增加的補償裝置，經(jīng)合理設(shè)計后及時放出或收入相應(yīng)長度的起升繩，從而使吊運物品保持在同一高度上，達到物品沿水平線或近似水平線移動。,補償滑輪組法——滑輪組補償法,補償滑輪法——導向滑輪補償法,,§11-2 載重水平變幅,一.繩索補償法,2.

9、補償滑輪組法,①.工作原理：在起升繩的纏繞系統(tǒng)中，增設(shè)一個補償滑輪組，以補償物品在變幅過程中的升降。如果在變幅過程中的所有位置上，由于臂架上升（或下降）而引起的物品升高值（下降值）剛巧等于因補償滑輪組長度的縮短（或增長）而引起的物品下降值（升高值），那么物品將沿水平線移動，從而滿足物品水平變幅的要求。,②.實現(xiàn)條件,H m = ( l1 - l2 ) mF,§11-2 載重水平變幅,一.繩索補償法,2.補償滑輪組法,③.特點及

10、應(yīng)用,構(gòu)造簡單，臂架受力情況比較有利，容易獲得較小的最小幅度，但起升繩的長度大，繞過滑輪數(shù)目多，磨損快，小幅度時物品擺動幅度大，不能嚴格走水平，設(shè)計中應(yīng)使工作區(qū)域避開抬頭問題。用于起重量小的起重機。,§11-2 載重水平變幅,一.繩索補償法,3.補償導向滑輪法,①.工作原理——在起升繩纏繞系統(tǒng)中，增加一個導向滑輪補償裝置，從而使變幅過程中，由于補償導向滑輪位置的變化，使得從卷筒到臂架頭部的鋼絲繩連接長度發(fā)生變化并與吊鉤隨臂架頭

11、部的升降相補償，則吊鉤就實現(xiàn)走水平。,②.實現(xiàn)條件 （AB+BC）-（A′B′+B′C）= H,§11-2 載重水平變幅,一.繩索補償法,3.補償導向滑輪法,③.特點及應(yīng)用,改善了鋼絲繩的卷繞情況，使起升繩的長度和磨損均得以減小，但構(gòu)造較復雜，臂架承受彎矩較大，難以獲得較小的最小幅度。不能獲得嚴格的水平變幅。用于大、中起重量的門座起重機上。,4.連桿補償滑輪組法,5.補償卷筒法,§11-2 載重水平變幅,二.

12、組合臂架法,1. 特點及類型,被吊運物品在變幅過程中的水平移動是依靠臂架端點在變幅時沿水平線或接近水平線的移動軌跡來保證的。這種方法彌補了繩索補償法的一些不足。相應(yīng)又帶來一些缺點：臂架系統(tǒng)復雜，自重大，物品難于沿嚴格的水平線變幅。,四連桿式,平行四邊形組合臂架,曲線象鼻梁式,,§11-2 載重水平變幅,二.組合臂架法,2.四連桿式,組成 ：臂架、象鼻梁和剛性拉桿以及機架連桿組成四連桿機構(gòu)。工作原理：象鼻梁的端點將描繪出

13、一條雙葉曲線，其中一部分接近于水平線。,3.平衡四邊形組合臂架,組成：拉桿、象鼻梁、可移動臂架與連桿組成一個平行四邊形四連桿機構(gòu)。工作原理：平行四邊形四連桿機構(gòu)，可保證吊重在變幅過程中嚴格地走水平線。,§11-2 載重水平變幅,二.組合臂架法,4.曲線象鼻梁式,特殊型式的鉸接組合臂架。象鼻梁2與臂架1鉸接，拉繩3固接于象鼻梁上，另一端連接到起重機旋轉(zhuǎn)平臺的構(gòu)架上。變幅時，由于象鼻梁轉(zhuǎn)動，拉繩與其接觸的點的位置要發(fā)生變化，相當

14、于示意圖中鉸接四邊形的一個邊長在變化。適當選擇四邊形各邊長的比值即能使變幅時載荷沿近似的水平線移動。,§11-2 載重水平變幅,三.補償滑輪組裝置的設(shè)計,1.設(shè)計目標：確定補償滑輪組定滑輪夾套的裝設(shè)位置。,2.作圖法的具體步驟,①.以一定的比例尺作出最大幅度和最小幅度的臂架位置，并將最大幅度與最小幅度之間等分成若干個幅度間隔，一般取為6~10個位置。,Rmax——φmin,20～40°,Rmin——φmax,60～8

15、0°,臂架鉸點O起升倍率m補償倍率mF,§11-2 載重水平變幅,三.補償滑輪組裝置的設(shè)計,2.作圖法的具體步驟,②.從每一位置臂架端部Ⅱ等，以確定比例截取鉛垂線長度等于PQ，以截點為圓心，以鋼繩對臂架的合力S=PQ mF ／ m為半徑畫弧，交臂架軸線于F′點等，連接F ′FQ，并過Ⅱ點等做F ′FQ的平行線。可得若干條直線的交點簇范圍，此點大約在O點上方稍向前偏處。,③.確定補償點A。作出全幅度物品移動的實際軌

16、跡線， Ⅱ=Ⅰ+（l1-l2）mF／m，并校驗實際最大高度差Δy＜3%Rmax。校驗未平衡吊重力矩值M max ≤0.1倍載重力矩。,④.若不滿足上述條件，修正A點，重復③。,§11-2 載重水平變幅,三.補償滑輪組裝置的設(shè)計,3.解析法簡介,解析法求解的依據(jù)：在臂架俯仰時，起升滑輪組和補償滑輪組中的鋼絲繩總長度應(yīng)保持不變。,由幾何關(guān)系得起升滑輪組動滑輪中心高度即變幅過程中吊鉤軌跡y。y所表達的不是一條水平直線

17、，為使y趨向平直，可使y的斜率趨向最小。,y = L sinα-l Q,§11-2 載重水平變幅,三.補償滑輪組裝置的設(shè)計,3.解析法簡介,從臂架平衡來看，在變幅過程中控制M0，即控制dy／d φ的數(shù)值，使之趨向于最小較為合理。,功能原理得：PQ dy = M0 d φ,M0 = PQ dy／d φ,=,§11-2 載重水平變幅,四.補償滑輪裝置的設(shè)計(簡介),1.圖解法的設(shè)計步驟,①.初步選定臂架鉸軸O和擺動杠桿支

18、點O1的位置，并根據(jù)給定的最大尾部半徑初步確定補償導向輪的起始位置B和擺動杠桿與連桿的鉸接點的起始位置F。,②.作出變幅過程中接近最大、中間和接近最小幅度的三個臂架位置OA、OA′和OA?。顯然，吊鉤在上述三個臂架位置上位于同一水平線所必須滿足的條件（11-8）。,③.確定相應(yīng)于三個臂架位置的擺動杠桿位置BO1F、B′O1F ′和B″O1F″。,④.確定臂架與連桿的鉸點D。,2.解析設(shè)計法,§11-2 載重水平變幅,五.四連桿

19、式組合臂架裝置的設(shè)計（簡介）,1.已知條件、設(shè)計任務(wù)及要求,已知條件：最大、小幅度、起升高度等主要工作參數(shù)。,設(shè)計任務(wù)：a.確定臂架系統(tǒng)的主要尺寸。,b.確定臂架鉸點及拉桿鉸點的位置。,要求：,a.保證物品在變幅過程中盡可能沿接近于水平線的軌跡移動。,b.臂架系統(tǒng)的尺寸盡可能緊湊、自重小、裝卸簡單，各個鉸點位置應(yīng)符合總體不知的要求。,§11-2 載重水平變幅,五.四連桿式組合臂架裝置的設(shè)計,2.圖解法的設(shè)計步驟,§1

20、1-3 臂架自重平衡,一.主要方案類型,1.不變重心式——利用活對重使臂架系統(tǒng)的合成重心始終位于臂架俯仰平面的某一固定點上，從而消除了臂架系統(tǒng)合成重心在變幅過程中發(fā)生升降現(xiàn)象。,特點：構(gòu)造簡單，工作可靠，回轉(zhuǎn)部分的尾部半徑小，但對重對起重機整體穩(wěn)定性和回轉(zhuǎn)部分局部穩(wěn)定性所起的穩(wěn)定作用不能充分發(fā)揮。僅用于船舶甲板起重機。,§11-3 臂架自重平衡,一.主要方案類型,2.移動重心式——利用活對重使臂架系統(tǒng)的合成重心保持在接近于水平

21、線的軌跡上游動，從而避免或大大減小臂架系統(tǒng)合成重心在變幅過程中發(fā)生的升降現(xiàn)象。,移動重心式,杠桿：活動對重法,撓性件：活動對重法，磨損嚴重。,杠桿平衡梁,垂直滑移平衡重,,,特點：,①.增大對重的升降高度，減少對重的重量，并可充分發(fā)揮對重對起重機穩(wěn)定性的作用；,②.在總體布置上比前種方案方便的多，但此種方案只能達到近似的平衡，同時結(jié)構(gòu)也比較復雜；,§11-3 臂架自重平衡,一.主要方案類型,2.移動重心式,§11-3

22、 臂架自重平衡,一.主要方案類型,3.無平衡重式——依靠臂架系統(tǒng)的構(gòu)造特點，保證臂架重心在變幅過程中沿接近于水平線的軌跡移動。,特點：構(gòu)造復雜，桿件的受力情況亦較為不利，穩(wěn)定性較差。,§11-3 臂架自重平衡,二.杠桿——活動對重式臂架平衡系統(tǒng)的設(shè)計,1.選定對重杠桿鉸點的位置及對重運動軌跡半徑。,2.確定Rmax、Rmin及對應(yīng)的對重杠桿的擺動角β1和β3。,3.初步確定對重重量,4.據(jù)能量守恒原理求得對重應(yīng)在的位置g2。,

23、5.確定連桿的鉸點及尺寸——求得適當?shù)倪B桿ab。,6.校驗最大不平衡力矩。,§11-4 變幅驅(qū)動機構(gòu),一.機構(gòu)構(gòu)造典型方案,1.繩索滑輪組變幅驅(qū)動機構(gòu),①.工作原理——臂架通過繩索滑輪組聯(lián)到變幅絞車卷筒上，依靠絞車卷繞或放出變幅鋼絲繩實現(xiàn)臂架繞其鉸軸俯仰以達到變幅的目的。,②.優(yōu)缺點——構(gòu)造簡單，自重輕，臂架受力情況好，總體布置較方便；但存在效率低，繩索易磨損的缺點。,③.應(yīng)用——主要適用于非工作性變幅機構(gòu)以及在變幅過程中不會

24、產(chǎn)生雙向受力的工作性變幅機構(gòu)，如流動式起重機。,§11-4 變幅驅(qū)動機構(gòu),一.機構(gòu)構(gòu)造典型方案,2.曲柄連桿變幅驅(qū)動機構(gòu),①.工作原理——曲柄連桿驅(qū)動對重杠桿，然后再通過杠桿使臂架俯仰。,②.特點——能自動限制變幅極限位置，使工作可靠性增大，但變幅速度很不均勻；電動機和曲柄之間所需的傳動比大，因而裝置的尺寸和重量均較大；雖有自動限幅功能，但仍需裝設(shè)行程開關(guān)，以免曲柄越過死點后，使變幅運動方向與控制器方向不符，造成操作失誤。,③

25、.應(yīng)用——只用于舊式的小型起重機，現(xiàn)已很少采用。,§11-4 變幅驅(qū)動機構(gòu),一.機構(gòu)構(gòu)造典型方案,3.扇形齒輪變幅驅(qū)動機構(gòu),優(yōu)缺點——由于扇形齒輪本身常兼作部分對重用，并且又常與活動對重做成一體，因而構(gòu)造緊湊，臂架的俯仰角速度較為均勻，制作方便，維修簡單；但減速機構(gòu)比較笨重，開式齒輪傳動的工作條件差，齒輪的磨損較快，且工作中有沖擊，機構(gòu)的體積和重量也大。,§11-4 變幅驅(qū)動機構(gòu),一.機構(gòu)構(gòu)造典型方案,4.齒輪齒條變

26、幅驅(qū)動機構(gòu),①.工作原理——臂架直接由齒條推動，齒條則由裝設(shè)在機器房頂上的電機通過減速器和最后一級驅(qū)動小齒輪來驅(qū)動。,②.優(yōu)缺點——能承受雙向力，結(jié)構(gòu)較緊湊，自重輕，齒條驅(qū)動效率高；但起制動時有沖擊，不平穩(wěn)，齒條工作條件差，較易磨損，必須裝設(shè)可靠的安全限制裝置。,③.應(yīng)用——廣泛應(yīng)用于工作性變幅機構(gòu)。,§11-4 變幅驅(qū)動機構(gòu),一.機構(gòu)構(gòu)造典型方案,4.齒輪齒條變幅驅(qū)動機構(gòu),§11-4 變幅驅(qū)動機構(gòu),一.機構(gòu)構(gòu)造典型

27、方案,5.螺桿變幅驅(qū)動機構(gòu),①.工作原理——和齒輪齒條驅(qū)動類似。螺桿螺紋的頭數(shù)可以是單頭、雙頭、三頭或四頭。采用單頭螺紋可使結(jié)構(gòu)更緊湊，但傳動效率低，用于非工作性變幅。,§11-4 變幅驅(qū)動機構(gòu),一.機構(gòu)構(gòu)造典型方案,5.螺桿變幅驅(qū)動機構(gòu),②.優(yōu)缺點——能承受雙向力；由于螺桿-螺母裝置本身就可獲得較大的傳動比，因而驅(qū)動機構(gòu)的外形尺寸和自重是機械傳動型式中最小的；變幅平穩(wěn)。但傳動效率低，潤滑要求高。,③.應(yīng)用——工作性變幅機構(gòu)中

28、日益廣泛的采用。,§11-4 變幅驅(qū)動機構(gòu),一.機構(gòu)構(gòu)造典型方案,6.液壓缸變幅驅(qū)動機構(gòu),②.優(yōu)缺點——結(jié)構(gòu)緊湊，自重輕，工作平穩(wěn)；不需要中間傳動件不受限制，可無級調(diào)速；對制造和安裝精度及密封防漏要求高。,①.工作原理——擺動液壓缸的活塞桿端部可同臂架或?qū)χ仄胶饬哼B接，推動其工作，由于活塞桿行程有限，作用力臂較小，受力較大，為適應(yīng)雙向受力工作性變幅機構(gòu)的需要，液壓系統(tǒng)必須能隨時保證活塞桿有承受拉力或壓力的可能。,③.應(yīng)用——主

29、要用于結(jié)構(gòu)緊湊的起重機，如甲板起重機，汽車輪胎起重機等。,§11-4 變幅驅(qū)動機構(gòu),一.機構(gòu)構(gòu)造典型方案,7.注意,①.變幅驅(qū)動機構(gòu)，常制成雙聯(lián)推動方式，從而減小尺寸，但應(yīng)考慮均衡裝置和布置方式。,②.為緩解沖擊并消除振動，應(yīng)在臂架之間裝設(shè)緩沖減震裝置。,③.變幅驅(qū)動系統(tǒng)中，應(yīng)考慮裝設(shè)防脫裝置（行程限位裝置）。,§11-4 變幅驅(qū)動機構(gòu),一.機構(gòu)構(gòu)造典型方案,7.注意,§11-4 變幅驅(qū)動機構(gòu),二.臂架系統(tǒng)

30、的運行速度,1.檢查變幅系統(tǒng)的速度均勻性；,2.在計算變幅驅(qū)動機構(gòu)時，需要知道臂架系統(tǒng)各部分的折合轉(zhuǎn)動慣量，這時需要知道它的重心速度與轉(zhuǎn)動角速度；,三.變幅機構(gòu)原始數(shù)據(jù)及主要設(shè)計工作,1.計算變幅阻力，確定計算載荷；各項計算都要以各種不同工況下的變幅阻力為基礎(chǔ)，通過計算滑輪組拉力或油缸、齒條等的推力，作為機構(gòu)和零件的設(shè)計基礎(chǔ)。,2.確定驅(qū)動功率，選擇電機型號。,3.確定制動力矩，選擇或設(shè)計制動器。,4.確定傳動比及分配，選擇或設(shè)計傳動裝

31、置。,§11-4 變幅驅(qū)動機構(gòu),五.變幅阻力的組合,1. Ⅰ類組合——正常載荷,①.用于電機功率和發(fā)熱計算時。,a.對每一幅度，將各種變幅阻力直接相加。,b.對整個變幅過程，由于載荷隨幅度而變化，因此仍必須將變幅過程劃分成若干區(qū)段，求出變幅區(qū)段上的變幅時間和變幅阻力，進而求出影響電機發(fā)熱的齒條等效作用力。,②.接觸疲勞強度的等效Ⅰ類載荷,§11-4 變幅驅(qū)動機構(gòu),五.變幅阻力的組合,2. Ⅱ類載荷——最大載荷,①.穩(wěn)

32、定運動時期,②.非穩(wěn)定運動時期,3. Ⅲ類載荷——驗算載荷,此時按非工作的幅度位置計算，一般取最小幅度位置。,§11-4 變幅驅(qū)動機構(gòu),六.工作性變幅驅(qū)動機構(gòu)計算步驟,①.靜功率,②.考慮電機起動的影響，選用較大的功率，并據(jù)時間的JC值初選電機型號。,2.減速裝置,1.電機功率的選定,①.總速比,②.據(jù)機構(gòu)的傳動比，電機轉(zhuǎn)速，機構(gòu)的JC值，工作級別選用較靜功率為大的減速型號（參照起升機構(gòu)）。,③.如果J2（低速軸）﹥﹥J1（高

33、速軸）則可近似與運行機構(gòu)一樣選減速器（起動功率）。,§11-4 變幅驅(qū)動機構(gòu),六.工作性變幅驅(qū)動機構(gòu)計算步驟,3.驗算電機,①.起動時間的驗算——一個具有典型意義的工況（Ⅰ類載荷）,②.電機短期過載能力的驗算,a.放棄在最大工作載荷下能及時起動的要求，以免選用過大的電機，因為此種情況究竟不是常有的，但應(yīng)保證工作狀態(tài)起重機能承受Ⅱ類風載。,b.規(guī)定規(guī)定——保證起動要求。,③.電機的發(fā)熱驗算,§11-4 變幅驅(qū)動機構(gòu),六

34、.工作性變幅驅(qū)動機構(gòu)計算步驟,4.制動力矩及制動時間,①.制動器的制動力矩應(yīng)當滿足以下條件,a.在工作狀態(tài)與非工作狀態(tài)，應(yīng)有足夠的制動安全系數(shù)。,b.在最不利的工作狀況下，制動時間不應(yīng)太長。tzmax≤4~6s,c.在無負荷的情況下，制動時間不宜太短。 tzmin≤1~1.5s,②.對于平衡變幅機構(gòu)，由于超載對制動軸上靜轉(zhuǎn)矩的影響較小，故選用較小的Kz=1.25。,③.對于非平衡變幅機構(gòu)，其制動安全系數(shù)與起升機構(gòu)相同。,④.驗算制動時間