机械毕业设计716高空作业车的转台结构设计及有限元分析设计

高空作业车的转台结构设计及有限元分析

高空作业车转台的结构设计及分析

摘 要

本课题针对GKZ系列车型转台部分的要求工作装置，对GKZ型高空作业车回转机构进行设计及分析。高空作业车由液压马达、回转减速器及回转小齿轮、回转支承等组成。进行回转时，液压马达输出动力，通过回转减速器减速后带动输出轴上的小齿轮旋转，小齿轮与回转支承的齿圈啮合，由于回转支承的齿圈与车架刚性连接，因而回转减速器带动与之相连的转台回转。

本课题确定了高空作业车回转机构的传动方案，采用的单排四点接触球式回转支承，此类支承的主要优点是同时承受轴向、径向力和复合力矩。适用子中小型起重机。转台的结构设计采用的是倒π型结构，前后两个高强板，左右各一个支承板，再加两个加强筋形成。对转台采用PRO/E进行建模，将建好的模型通过转化放入ANSYS中进行有限元分析，分析出变形最大和受应力最大的接触面，对分析的结果的提出改进方案，对改进后的方案进行有限元分析比较, 确定最佳方案。本方案的设计为同类转台的结构设计提供了理论依据和分析方法。

在课题设计的过程中使用的方法有：（1）在结构设计过程中主要对转台的的受力情况进行分析，计算出转台的受力大小和转台的自重，对传动齿轮的设计及强度校核，运用绘图软件PRO/E进行建模。（2）将模型导入ANSYS中，对转台的受力情况进行分析查看其分析的结果，确保转台的变形和所受的应力均能符合设计要求。

[关键词]：高空作业车； 转台结构设计；有限元分析；ANSYS

高空作业车的转台结构设计及有限元分析

Constructional design and analysis for turn-table of aerial work platforms

Abstract

According to the requirement of working devices of turn-tables in the machine series type GKZ, this paper presented the constructional design and analysis for slewing mechanism of aerial work platforms. The aerial work platforms comprised hydraulic motors, rotary speed reducers, revolving pinions, slewing bearings and so on. When the turn-table slewed, the hydraulic motor transmitted power output which enabled pinions on the output shaft to revolve. Pinions were meshed with ring gear on slewing bearings. Due to rigid connection between the ring gear on slewing bearings and the chassis, turn-tables were rotated by rotary speed reducers. Gear plan for slewing mechanism of aerial work platforms and constructional design for turn-table were presented.

Gear plans transmission for slewing mechanism of aerial work platforms was provided in which single-row four-point contact ball slewing bearings were adopted. The advantage of this type of bearing, which suited small and medium crane, was that it can bear axial force, radial force and compound moment at the same time. Configurations of anti type π were adopted in constructional design for turn-table, in which there were two high strength plates in tandem, two eudipleural supporting plates and two stiffened panels. Modeling and simulation of turn tables were obtained using PRO/E. The obtained modeling was transformation and analyzed by ANSYS Finite Element Analysis software. Consequently, contact area in the maximum of deformation and stress were analyzed. According to the results, improved schemes were presented, which were further analyzed and compared by finite element analysis. Finally, the best scheme was founded. This project provided the approaches of constructional design for the similar type of turn-table in theory.

The following methods were used in this project: 1) Force situation of turn tables were analyzed in

constructional design, and force variation and mass of turn-tables were calculated. The design and intensity of transmission gear were checked. Modeling and simulation were obtained using drawing software PRO/E; 2) The modeling were imputed into ANSYS and bearing force of turn-tables were analyzed. The results ensured that the deformation of turn-tables and their bearing force would meet the design requirements.

[Keywords]: Aerial work platform; Turn-tables; Constructional design; Finite element analysis;

ANSYS

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目 录

第一章 绪 论 ................................................................................................................................ 1

§1．1 引 言 .......................................................................................................................................... 1 §1．2 高空作业车的国内外发展概况 .................................................................................................... 1

1.2.1高空作业车的国外发展趋势与动向 ........................................................................... 2

1.2.2高空作业车国内现状、差距与如何提高的方法 ..................................................... 3

§ 1.3 高空作业车的组成 .......................................................................................................................... 5

1.3.1工作机构 ............................................................................................................................. 5 1.3.2金属结构 ............................................................................................................................. 6 1.3.3动力装置 ............................................................................................................................. 6 1.3.4控制系统 ............................................................................................................................. 7

§ 1.4 本课题研究的意义 .......................................................................................................................... 7

第二章 高空作业车的转台的结构分析 .................................................................... 8

§2.1 高空作业车的转台总体结构设计 ................................................................................................... 8

2.1.1转台的组成 ......................................................................................................................... 8

§2-2 转台的受力分析 ............................................................................................................................. 13

2.2.1转台的自重G .................................................................................................................. 14

§2-3 上下臂的受力分析及计算 ............................................................................................................. 16

2.3.1上臂的受力分析 .............................................................................................................. 17

2.3.2下臂的受力分析 .............................................................................................................. 19

§2-4 回转支承装置的计算 ..................................................................................................................... 21

2.4.1回转支承装置的计算载荷............................................................................................ 21

2.4.2转盘式回转支承装置的计算 ....................................................................................... 22 2.4.3按承载能力曲线选取合适的回转支承型号 ............................................................ 22 2.4.4转盘式回转支承装置的计算 ....................................................................................... 24 2.4.5按承载能力曲线选取合适的回转支承型号 ............................................................ 24

§2.5 传动齿轮的计算 ............................................................................................................................. 25

第三章 转台的有限元分析 ................................................................................................ 28

§3.1 有限元方法的基础知识 ................................................................................................................. 28 §3.2 有限元分析软件ANSYS ............................................................................................................... 30 §3.3 转台结构的有限元分析 ................................................................................................................. 34

3.3.1 实体建模 ........................................................................................................................ 34

3.3.2计算模型 ........................................................................................................................... 34 3.3.3有限元模型 ....................................................................................................................... 36

第4章 结 论 ........................................................................................................................... 43 致 谢 .......................................................................................................................................... 44 参 考 文 献 .......................................................................................................................................... 45

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第一章 绪 论

§1．1 引 言

工程机械广泛应用于经济建设的各部门，并且在整个经济发展中占有十分重要的地位。解放以后，我国的机械工业在十分薄弱的基础上，经过近五十年的艰苦努力，从小到大，从修配到制造，从仅仅仿造一般机械产品到能制造大型、中型、精密设备，从制造单机到制造重大成套设备，逐步形成了一个门类比较齐全，具有较大规模，较先进技术水平和成套水平不断提高的工业体系。

80年代以来，工程机械发展速度快。其主要原因:一是我国在改革开放政策指引下，

经济发展快，对工程机械的需要增多;二是从中央到地方给与发展的优惠政策，增加资金注入，加以扶植;三是引进国外多项先进技术，经过消化吸收，产品技术水平提高;四是，企业经过组织结构调整，相互合作，并在竞争中促使相互提高。但是我国工程机械与国外工业发达国家相比较以及与国内建设要求相比还有不少差距，还有许多问题A待研究解决。随着目前高科技产业的发展，尤其是计算机的出现及其广泛应用，它带动了整个工业的发展，在机械行业更为引人注目，设计上的优化等使机器向高精密化发展，带来了一场新的变革。当然一向以笨重著称的大型工程机械，更有着广阔的发展余地。

高空作业车作为一种大型的工程机械设备，日前广泛应用在船舶、建筑、市政建设、消防、港口货运等行业，是新兴的技术产业，有着广阔的发展前景。高空作业机械是在工程起重机械基础上发展起来的产业系统，只有二十几年的历史。尽管我国在高空作业车设计制造上取得了一些成绩，但是国内生产制造的高空作业机械同国外同类型高空作业机械产品相比仍有一定差距，土要表现为技术含量低、大型的较少、结构笨重、作业时微动性能差等问题。

§1．2 高空作业车的国内外发展概况

高空作业车的分类方式有好多种，按臂架的展开方式分类，有折叠式和伸缩式及混合式三种;按臂架的形状分类有，直臂式和曲臂式;按驱动方式分类，有自动式、拖动式和手动式等等。

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1.2.1高空作业车的国外发展趋势与动向

国外高空作业机械属新兴行业，是在工程起重机械基础卜发展起来的高新技术产业系统，只有二十几年的历史。目前，专业生产高空作业机械的公司比较少。近年来，由于汽车起重机销售量下降及市场平淡，一批汽车起重制造公司，相继发展高空作业机械，但总计年产量仍不能满足市场需求，正处于发展时期。[1] 1.2.1.1作业车的发展趋势

国外高空作业机械，发展迅速，技术水平不断提高。工业发达国家，一般都有

专门的跨国公司和集团主营和兼营高空作业机械，如美国GROVE公司(格鲁夫)和GENIE(吉尼公司)、英国COLES公司、S I-MON公司(西蒙)、意大利RICO(利高)、芬兰BRONTO公司(波浪涛公司)、日本的多田野和爱知株式会社等。高空作业机械的底盘分通用型和专用型，采用通用汽车底盘的高空作业机械，机动灵活，能快速转移，作业高度较高，采用专用底盘的高空作业机械，即自行式高空平台车，适用于固定场所作业，具有微动行驶，扩大作业半径等特点。

为了满足实际工程的需要，高空作业车的作业高度越来越高，随之作业半径也

越来越大。 操作越来越简单可靠，自动化程度不断提高。如GENIE(吉尼公司)的自行式直臂式高空作业车、自行式曲臂式高空作业车、自行式剪型高空作业车。由于采用自动化控制，高空作业车的微动性能好，定位也来越来越准确。但根据不同的工况条件，考虑到造价等原因，拖动式和手动式很有实用价值，目前在一些场所仍被广泛使用。此类高空作业车有拖动式曲臂高空作业车和手动式物料升降机。 1.2.1.2作业车的发展动向

高空作业车的发展主要动向是实现六化、三性，以提高高空作业机械的适用性。 六化:即液压化、最优化(采用计算机辅助设计)、轻量化(采用高强度材料减轻构

件重量)、机电液一体化(如安全保护、报警装置等)、通用化、系列化。 三性：可靠性、安全性和舒适性。

各大公司产品技术水平、品种、数量、质量均有较大发展和提高，竞争激烈，

不断向世界各地推销，占领市场。 1.2.1.3新技术及其作用

为了满足高层建筑的复杂情况，要求人们不断改进举高车，以适应施工、灭火

等需要，以及举高车制造公司间日趋激烈的竞争，促进了举高车技术的发展。

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新技术的采用，使发达国家80年代的举高车在性能和安全上有较大的提高，这主要体现在三个方面：

(1)在公安消防上，提高救生和灭火能力。在80年代，发达国家通过改进举高

消防车的臂架结构和液压系统，使其救人和灭火能力有了大幅度的提高。登高平台消防车，70年代的最大工作高度是40m, 80年代后期，芬兰波浪涛公司又推出67.5m的登高平台消防车，而且这两种车的登高平台载重能力达450 kg，显著地提高了救生能力。

(2)提高应付不利环境的能力。在高层建筑火场上或在施工现场上，有时会遇到

地面不平、场地狭窄等情况。如何在这些不利情况下使举高车充分发挥救生和灭火能力或载人施工的能力，也是举高车新技术开发的主要方向之一。在这方面比较突出的日本森田泵公司，在新一代云梯消防车上采用了电子计算机调平技术。

(3)提高安全性。如在80年代德国的马基路斯、麦茨、森田和芬兰的波浪涛公司

等纷纷采用了靠电子计算机控制举高消防车的支腿梯架的操作和显示等技术，这种技术提高了云梯操作自动化程度，从而避免了因操作人员的失误而导致的危险。 1.2.2高空作业车国内现状、差距与如何提高的方法

国内高空作业机械发展刚刚起步，只有十几年的发展历史，虽然起步晚，由于高空作业机械制造企业的努力，已逐步走向稳定的发展轨道。[2][3] 1.2.2.1现状

从80年代开始抚顺起重机总厂、武汉起重机厂、四川度岩机械厂、长江起重

机有限责任公司、杭州园林机械厂、北京攀尼高空作业车有限公司、徐州重型机械厂等开始着手研制高空作业车和登高平台消防车，投放市场。抚顺市起重机总}一生产的CDZ32型登高平台消防车已出口泰国。最近四川长江起重机有限责任公司，研制的QZC5120JGKS25型高空作业车是最近向推向市场的一种新产品。该产品采用现代设计手段设计，填补了国内25m伸缩臂式高空作业车的空白。 1.2.2.2差距

尽管我国在高空作业车设计制造上取得了一些成绩，但是国内生产制造的高空

作业机械同国外同类型高空作业机械产品相比仍有一定差距，主要表现为技术含量低、大型的较少、结构笨重、作业时微动性能差等问题。在开发研制过程中，应采取有效措施、试验研究，逐项加以解决，以缩小差距。

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同时对目前存在的技术关键，有待于组织力量攻关解决，其关键是电液比例操纵、微动性能问题，支腿调平技术问题，数显微机自动程序控制以及机电一体化问题等。

为了提高我国高空作业的生产水平，从目前的状况来看应首先从如下的几个方面来进行。

1).解决工程汽车底盘问题，这样才可使高空作业车轻便、可靠，使用上既灵活又可承担繁重的工作任务；

2).提高液压元件的制造质量，这样就可以提高使用寿命和可靠性，相应的也就提高了高空作业车的质量；

3).改变高空作业车的生产方式，向规模化发展，这不但可保证质量还可降低成 本；

4).要扩大新型高空作业车的使用范围，可刺激本行业的发展，并投入力量加强对新产品的开发；

5).应用现代的设计方法和手段对现有的产品进行改造。

据不完全统计，国内各企业高空作业机械的总产量，远远不能满足国家经济建设的需求，供需矛盾突出，其表现：

船舶行业，当前我国造船业发展迅猛，己逐步进入了国际船舶市场。船舶产量从80年代初的30多万，提高到现在的200多万，约占世界船舶市场份额的6%。船舶的设计和建造，从建造万吨级散货船开始，发展到能建造六万吨级巴拿马型船舶和十五万吨级大型油船。最近几年，又开始建造高速集装箱船、成品油船、液化气船和自卸式散货船等技术难度大、附加值高的船舶。随着船舶行业的发展，大型船舶增多，造船和修船中越来越多的需要高空作业，因此高空作业车的应用也是与日增加Usl。中国船舶系统，需要直臂式16-25m高空作业平台大约80-100台左右。 公安消防系统，随着大中城市高层建筑增多，消防设施“滞后”，登高平台消防车己属紧迫需要。

我国百万人口城市30个，以平均每个城市需要作业高度30-50 m大型登高平台消防车4台计算，需要量为120台左右。全国几十万人口以上的城市近500个，以平均每个城市拥有1620 m中型登高平台消防车2台计算，需要量为1000台左右。 全国大型油田、炼油厂、大型储油库系统，对大型登高平台消防车的需要量约70台左右。

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城乡电业部门。电站、变电所、各种低压输电线路的建设维修带电作业迫切需要有绝缘性能的高空作业车，预计电力部门需要各类绝缘高空作业车(12 m -3 0 m)大约200台左右。

城市路灯园林部门。需要6 --16m中小型高空作业车大约1000台左右。

国防军工系统。对20 -40m越野高空作业车需求量也较大，主要用于用于航天、导弹发射等。

综上所述，在目前的高空作业车的生产水平上，改进高空作业车的工作性能，开发研制机动灵活、技术含量高安全、可靠的高空作业机械具有重大的意义。

§ 1.3 高空作业车的组成

高空作业车正常进行作业，需要工作机构、金属结构、动力装置与控制系统四部分。这四个部分的组成及其作用分述如下：[4][5]

1.3.1工作机构

工作机构是为实现高空作业车不同的运动要求而设置的。高空作业车一般设有变幅机构、回转机构、平衡机构和行走机构。依靠变幅机构和回转机构实现载人工作斗在两个水平和垂直方向的移动；依靠平衡机构实现工作斗和水平面之间的夹角保持不变，依靠行走机构实现转移工作场所。

高空作业车变幅是指改变工作斗到回转中心轴线之间的距离，这个距离称为幅

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度。变幅机构扩大了高空车的作业范围，由垂直上下的直线作业范围扩大为一个面的作业范围。高空作业车变幅机构一般采用液压油缸变幅。

高空作业车的一部分（一般指上车部分或回转部分）相对于另一部分（一般指下车部分或非回转部分）做相对的旋转运动称为回转。为实现高空作业车的回转运动而设置的机构称为回转机构。它是由液压马达经减速器将动力传递到回转小齿轮上，小齿轮既作自转又作沿着固定在底架上的回转支承大齿圈公转，从而带动整个上车部分回转。有了回转运动，从而使高空作业车从面作业范围又扩大为一定空间的作业范围。

高空作业车在工作臂起伏时，工作斗与水平面夹角必须保持相对稳定，才能保证工作人员正常工作。平衡机构就是为了实现这一功能。对于伸缩臂或混合臂型式的高空作业车，通常有自重平衡、液压伺服缸平衡、电液平衡几种方式。

高空作业车的行走机构就是通用或专用汽车底盘。 1.3.2金属结构

工作臂、回转平台、副车架（车架大梁，门架、支腿等）金属结构是高空作业车的重要组成部分。高空作业车的各工作机构的零部件都是安装或支承在这些金属结构上的。金属结构是高空作业车的骨架。它承受高空作业车的自重以及作业时的各种外载荷。

组成高空作业车金属结构的构件较多，其重量通常占整机重量的一半以上，耗钢量大。因此，高空作业车金属结构的合理设计，对减轻高空作业车自重，提高作业性能，节约钢材，提高高空车的可靠性都有重要意义。 1.3.3动力装置

动力装置是高空作业车的动力源。由于高空作业车采用汽车底盘作为行走机构，通常不再另外设置动力源，而是直接采用汽车底盘发动机作为整车的动力源。高空作业装置需要的功率不大，一般约 10~20kw，而载重汽车底盘发动机的功率根据载重量不同从 50kw 一直到 150kw 以上，且高空作业装置工作时不允许底盘行驶，因此底盘发动机的动力足以保证高空作业装置工作。因为高空作业装置需要功率不大，通常高空作业车采用变速箱取力方式，通过安装在底盘变速箱侧面的取力器取出发动机的动力，并驱动液压油泵向高空作业装置供油。取力系统中还设置控

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制装置，在底盘行驶时，取力器没有输出，液压油泵不工作，需要进行高空作业时，取力器输出，油泵工作。 1.3.4控制系统

高空作业车控制系统是解决各机构怎样运动的问题。如动力传递的方向，各机构运动速度的快慢，以及使机构启动停止等。控制系统包括操纵装置、执行元件和安全装置。当今的高空作业车全部采用电气液压操纵，因此控制装置包括各种液压操作阀，电控装置等，以实现机构的起动、调速、换向、制动和停止。执行元件包括变幅用的液压油缸、回转马达、油泵等，用来推动结构件实现动作。安全装置包括各种传感器、行程开关、报警器、液压锁止阀，用来检测危险工况保证工作安全。

§ 1.4 本课题研究的意义

高空作业车作为一种工程机械设备，目前广泛应用在船舶、建筑、市政建设、消防、港口等行业，有着广阔的发展前景。

本课题以徐州海伦哲工程机械有限公司研制开发 “GKZ14型高空作业车” 为研究对象，对该车上的重要结构----回转机构转台进行结构设计和有限元分析。

高空作业车转台回转机构由液压马达、回转减速器及回转发小齿轮、回转支承等组成。进行回转时，液压马达输出动力，通过回转减速器减速后带动输出轴上的小齿轮旋转，小齿轮与回转支承的齿圈啮合，由于回转支承的齿圈与车架刚性连接，因而回转减速器带动与之相连的转台回转。转台是高空作业车的主要承载构件之一，构造及受力复杂。转台结构的合理设计对高空作业小车在工作时有着极为重要的作用。

转台传统的手工计算方法，通常是将转台底板作为固定，臂铰点轴孔受力的一个简支悬臂梁来计算。一般取几个截面来计算其强度、刚度，计算复杂，且未考虑变幅集中力等载荷的影响，误差大，难以反映转台真正的受力状况。随着有限元理论的不断完善和有限元软件功能的不断提高，有限元法在工程实践得到越来越广泛的应用。以有限元方法为工具对转台进行强度和刚度有限元分析，其分析结果对产品开发设计具有指导意义。

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第二章 高空作业车的转台的结构分析

§2.1 高空作业车的转台总体结构设计

回转平台，俗称为转台，它是构成轮式全回转起重机的三大承载结构件之一。常见的转台形式有:框架式、单板加肋式、单墙大箱式、箱形立板式和箱形积木式等。转台结构为高空作业车组成的重要组成部分,属于金属结构部分在设计的过程中要综合考虑转台的结构大小、转台的选材、以及转台受到的力的大小。 2.1.1转台的组成

转台的结构主要有：底板、转台的回转支承、传动齿轮、以及转台组成。

一 底板：不论转台采用何种结构，都必须具有很大的整体刚度，以保证它所承受的载荷能有效的传递，起重机可以平稳地工作。而转台底板的平面刚度则对保证回转支承的转动灵活及转台整体刚度起着至关重要的作用。在高空作业小车中底板放在固定转塔上。在此不做详细的介绍一般均采用圆盘型结构。如下图：

图2-1 转台的底板

转盘的大小通常根据设计者对转台设计的尺寸来确定，根据不同型号的作业小车所需要的不同结构的转台来设计底板的大小[6][7]。

二 转台的回转支承：转台的回转支承属于回转机构。回转机构由回转支承装置和回转驱动装置两部分组成。前者将起重机的回转部分支持在固定部分上，后者驱动回转部分

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相对于固定部分回转。[8]

回转支承装置简称回转支承，主要分为柱式和转盘式两大类，根据不同的使用要求各 种回转支承的特点以及制造厂的加工条件等合理地选定。回转支承保证作业车回转部分有确定的回转运动，并承受作业车回转部分作用于它的垂直力、水平力和倾覆力矩。 1 柱式回转支承装置

(1)定柱式回转支承装置

定柱式回转支承装置结构简单、制造方便，起重机回转部分的转动惯量小，自重和驱动功率较小，能使起重机的重心降低。

(2)转柱式回转支承装置

转柱式回转支承装置结构简单，制遣方便。适用于起升高度和工作幅度较大而起重机的高度尺寸没有严格限制的起重机(如塔式、门座起重机)。 2 转盘式回转支承装置

现代转盘式回转支承装置主要有滚子夹套式和滚动轴承式(过去中小吨位起重机上使用的滚轮式回转支承已由滚动轴承式取代)。

(1)滚子夹套式回转支承装置(图2一2)

图 2-2 滚子夹套式回转支承装置

1—转盘 ；2—转动轨道；3一中心轴枢； 4一固定轨道;5一拉杆;6—滚子7一反抓滚子

它由许多圆锥或圆柱形滚子装在上下两个环形轨道之间.固结在转台底面的轨道通常在受力大的前后方制成两段圆弧形。

圆锥滚子用于轨道直径较小的情况，可以避免附加的摩擦阻力与磨损。由于圆锥形滚

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子产生轴向力，因此滚子装在由许多拉杆构成的保持架上。

在轨道直径较大的情况下，可以采用圆柱形滚子。圆柱形滚子可制成单轮缘或双轮缘装在由槽钢制成的保持架上。这种保持架应该有足够的强度和刚度。滚子夹套式回转支承装置已逐渐被滚动轴承式回转支承装置所取代。

(2) 滚动轴承式回转支承装置(图2—3——2—6)

图2-3 单排四点接触球式回转支承

图2-4 双排式回转球轴承

图2-5 单排交叉镶柱式回转支承

图2-6 三排滚柱式回转支承

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图2-3它由两个座圈组成，结构紧凑、重量轻、高度尺寸小。内外座圈上的滚道是两个对称的圆弧面，钢球与圆弧面滚道四点接触，能同时承受轴向、径向力和覆复力矩。适用子中小型起重机。

图2-4它有二个座圈，采用开式装配，钢球和隔离块可直接排入上下滚道，上下两排钢球采用不同直径以适应受力状况的差异。滚道接触压力角较大(60度—90度)，因此能承受很大的轴向载荷和倾覆力矩。适用于中型塔式起重机.汽车起重机。

图2-5它由两个座圈组成，滚柱轴线1：1交叉排列，接触压力角为45度,由于滚柱与滚道间是线接触，所以承载能力高于单排钢球式。这种回转支承制造精度高。装配间隙小，安装精度要求较高，适用于中小型起重机。

图2-6它由三个座圈组成，上下及径向滚道各自分开。上下两排滚柱水平平行排列，承受轴向载荷和倾覆力矩，径向滚道垂直排列的滚珠承受径向载荷，是常用四种形式的回转支承中承载能力最大的一种，适用于回转支承直径较大的大吨位起重机。

在本设计中采用的转台辅助支承是单排四点接触球式回转支承，其与上部转台的底板的连接方式如下图：

上部转台回转支承

图2-7 转台与支撑的联结

采用此种支承的主要优点是：结构紧凑、重量轻、高度尺寸小且能同时承受轴向、径

向力和复合力矩适用于中小型起重机。

由上图可以看出转台的 底板与下部的回转支承之间采用的是螺栓连接。当液压马达输出的转矩带动传动轴做回转运动时，这时传动齿轮与传动轴之间也用了几个小螺钉连接，将动力传给了传动齿轮，传动齿轮带动回转支承上的齿轮，支承上的齿轮的外圈与上部转台底板用了6个螺栓联结将动力传给了转台，而齿轮的内圈上则用螺钉与底盘连接固定。

三 传动齿轮：在起重机机构中应用最多的是齿轮传动，蜗杆传动使用较少，链传动只在

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个别情况下使用。 齿轮传动分开式传动和闭式传动，电动起重机的所有机构都采用闭式齿轮传动(减速器)，开式齿轮传动只在特殊情况下使用(如回转机构的布置，要求末级传动为开式齿轮传动，设计机构时无合适的减速器可供选用)。使用开式齿轮传动时，齿轮圆周速度一般不超过1 .5 m/s。[8]

齿轮传动还有定轴传动(或普通齿轮传动，齿轮的几何轴线固定不动)和行星传动〔齿轮的几何轴线可动〕之分。

平行轴传动多采用圆柱直齿或斜齿轮:相交轴传动多采用锥齿轮或蜗杆传动;两轴不平行不相交时，可采用双曲面齿轮、蜗杆传动、交错轴斜齿轮和曲线锥齿轮传动等。

在齿轮传动中，如果从动齿轮直径很大(一般大于3 m),或者从动部分为大模数齿条(模数大于16mm)，齿轮圆周速度又在0. 6 m/s以下，为了简化制造，可使用针轮柱销传动。门座起重机的回转机构和变幅机构有时采用针轮柱销传动。

链条传动只用子传动距离较大、不便于采用齿轮传动的场合(如某些门式起重机的大车运行机构)。

在本次设计的过程中传动齿轮与固节在转台支承的齿轮是开式传动，采用的是外啮合由小齿轮的转动来带动外啮合齿轮转动，由于外啮合齿轮和转台之间是用螺栓联结从而来带动转台运动，最后带动杆臂工作。所以这里的传动齿轮起着重要的作用，通过传动齿轮才能把动力传给转台，来控制臂工作的时候所需要的条件。 四 转台结构[9][10] （方案1）

转台结构的主要作用是连接下部传动齿轮与杆件，也也是此次设计的重点。转台结构采用前后两个高强板，在前后高强板上再加上加强筋形成倒π型结构，底部采用圆盘形结构。如下图2-8

图2-8 转台的外部结构图1

由图可以看出转台上圆孔主要用于装下臂的销轴，下圆孔用来装升缩缸的销轴。上下盖板及两侧与高强板构成了箱形结构，在外侧加了两个加强筋以提高强度、刚度和稳定性。

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在本图中没有涉及到底板与回转支承的连接。两个加强筋均采用的是三棱形，又省材，体积和重量均比较小。前后加强筋的在中间位置开有小孔，主要是省材和减轻重量，来减小转台支承承受的重量。 （方案2）

转台同样采用前后两个高强板，在前后高强板之间采用再加上加强筋形成倒π型结构，底部采用方板形结构。如下图2-9

图2-9 转台的外部结构2

§2-2 转台的受力分析

转台受到的力是我次此设计中的重点部分，所以我们应该重点关注受力分析。高空作业小车转台作为一个复杂的空间结构体系受到的力包括拉力、压力及扭矩的组合作用。

图2-10 转台的受力图

在转台结构上受到装下臂销孔的的铰支座的正交力F2x和F2y,和装伸缩缸受到的力F6，以及转台的自重G。由于可以通过计算材料能够得到，而其他的力均是未知必须通过上下

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臂的受力来进行计算。 2.2.1转台的自重G （方案1）

根据所给的尺寸及重要参数来计算转台的自重，由于转台前后高强板的厚度为20mm 1

前后板的自重计算

已知：长=500mm；宽=600mm；厚=20mm；ρ=7850kg/m3查手册可得采用45#钢

3 V总?0.5(0采用四棱柱的体积) ?0.?60.?02m0.06 V1?0.5?0.4?0.0?2230.0m02（截去右边的空缺部分）

2 V2孔?3.1?40.0?5?43 ?0.02?1.m57（连接下臂的孔）10V3孔?3.14?0.022?0.02?2.512?10?4m3

V?V总?V1-V2-V3?0.006?0.002?0.000157?0.00002152?3.82?10m?33

现在知道了前板的体积了根据密度来求出质量 m m=ρV= 7.85?103?3.28?10?3?25.748kg

G?gm?9.8?25.748?293N(一块前板的重) 注：g=9.8m/s2

前后两块的重量为583N，则到此前后两高强板的重量已经算出了。那么接下来要计算的是三块加强筋的重量。 2

前后加强筋的自重的计算

采用的为三角形的肋板则可以算出三棱形的体积，从而来近一步计算出加强筋的自重 已知：底=140mm； 高=400mm；厚=150mm; V?0.1?420.4?0.1?50.0m0318 （三棱柱的体积）

三棱柱也才用的材料为45#刚，在此说明本转台的材料均采用的是45#钢则密度均为

309.?8?4.?2?10N 3207850kg/m3 则 G?785?由于前后加强肋板在中间位置开有小孔来减轻重量，所以在此也应该把小孔的重量算出来，这样算出来的重量才相对精确。 根据上述说明：

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已知：小孔的直径为100mm，柱高为100mm时;

2 V1?3.14?0.0?50.?1427.??8m5m 104 G2?785?09.?87.?8?5?10N 60?2?6?0?2N52前后加强肋板的重量为 320 03 左侧板的自重

已知：长=360mm；宽=400mm；厚=20mm V2?0.3?60.?40.?023 02880.m0 G2?785?09.?80.0?028N8 222挖去的小圆柱体：V3?3.14?0.052?0.02?0.000157m3 G3?785?09.?80.00?01N5 7则左侧的板的自重为：G2?G3?222?12?210N 4

右侧板材的自重

已知：长=360mm；宽=100mm；厚=20mm；

12V4?0.36?0.1?0.02?0.00072m3 G4?0.00072?7850?9.8?55N

5

底板的自重

已知：底板采用圆盘形时D=760mm;H=20 mm

3.14?0.762V?H??0.02?0.0091m3

44G???V?g?7850?0.0091?9.8?700N

?D2综合上述计算可得整个转台部分的自重 G?293?2?520?210?55?700?2068N

（方案2）

根据所给的尺寸及重要参数来计算转台的自重，由于转台前后高强板的厚度为20mm 1 前后板的自重计算

由于方案2和方案1中的前后板采用的是相同的结构所以自重和方案1相等

前后两块的重量为583N。

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2 中间加强筋的自重的计算

采用的为三角形的肋板则可以算出三棱形的体积，从而来近一步计算出加强筋的自重 已知：底=140mm； 高=400mm；厚=100mm; V?0.1?420.43?0.1?0.00m2 8 （三棱柱的体积）

三棱柱也才用的材料为45#刚，在此说明本转台的材料均采用的是45#钢则密度均为

309.?8?2.?8?10N 2157850kg/m3 则 G?785?由于前后加强肋板在中间位置开有小孔来减轻重量，所以在此也应该把小孔的重量算出来，这样算出来的重量才相对精确。

??2前后加强肋板的重量为 2154N30

3 左侧板的自重

左侧板和方案1的结构是一样的则自重相等。 则左侧的板的自重为：G2?G3?222?12?210N 4

右侧板材的自重

同方案1则自重为：G4?0.00072?7850?9.8?55N 5 底板的自重

已知：底板采用方形时长500 mm；宽400 mm;H=20 mm

V?0.4?0.5?0.02?0.004m3

G???V?g?7850?0.004?9.8?308N

综合上述计算可得整个转台部分的自重 G?293?2?430?210?55?308?1589N

§2-3 上下臂的受力分析及计算

由于转台上的三个力是未知的必须通过上下杆臂的受力分析才能够计算出下部的力的大喜哦所以在此有必要对上下臂进行受力分析。在分析的过程中可以采用整体式力的分析也可以采用分离式，在此选择了后者。整个转台与杆件之间有联系的受力情况如下图所式：

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45QG16F2YG22F2XF6

图2-11 上下臂的受力图

由图上可以看出上下臂的受力情况,由于图上杆件的尺寸以给出那下面将分别介绍上下力臂的受力情况. 2.3.1上臂的受力分析

单独把上臂拿出来进行受力分析由图可知上臂一共受到5个力的作用分别是外作用里

Q、杆件1的自重G1、铰支点6受到的力F4，以及铰支点5受到的正交二分力F5X、F5Y

F4F5YF5X4QG15 图2-12 上臂的受力分析

根据设计要求高空作业小车的平台的承载能力为 m?200kg 则高空作业小车平台受到的力为 Q?mg?200?9.8?1960N 由于上臂采用的是方钢机构且截面积尺寸也是已知如下图：

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