150KN液压单臂起重机的设计与
分析
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天津理工大学。。。
摘要: 150KN液压单臂起重机由吊臂、转轴、斜拉杆、主油缸、旋转油缸组、机座等组成。起重高度5.6米，装有双油缸180度旋转结机构，本文介绍了总体设计，主要部件的结构和设计方法，介绍了液压系统的设计原理。
关键词：单臂液压起重机 双油缸180度旋转 液压原理
一、概述
汽车模具是大型模具，长、宽可达四米多，重达几十吨。模具由上模和下模组成，在模具制造和调试中，上模需要经常吊起和翻转，经研磨等工艺修整后，再翻转、吊回装配。翻转上模采用的方法是用两台起重机吊起，然后放开其中一个，翻转后再重新吊起，两台起重机同时放下，可实现模具上模的翻转。模具的上模重量按30吨计算，则一个起重机的起重量是15吨。车间中只有一台天车，所以需要一台150KN的起重机，此机要求结构紧凑、占地少。分析起重机的工作条件，本机采用液压驱动单臂结构。
二、总体结构设计
起重机由吊臂、转轴、斜拉杆、主油缸、旋转油缸组、机座等组成（参见图1），吊臂垂直方向起升角度范围为-14度～60度，起重高度为5.6米，吊臂可左右转动180度，全载荷有效工作角度为90度。主油缸是双耳环工程液压缸，内径200毫米、行程1200毫米。机底部分用混凝土固定于地面以下。起重机配有专用液压站。
起重机各部件的受力分析和计算结果见图2.
图1 15吨液压吊机
图2 起重机主要部件受力分析图
三、主要部件设计
1、吊臂的钢结构设计
吊臂可分为吊臂主体、吊钩、支承轴架几部分。吊臂主体主要承受弯曲载荷，经材料力学计算可知，其最大弯矩在B处，其数值为463.5KNm。经过数种截面形式的综合分析，采用图3左示图所示的组合结构，由四个14号等边角钢和中间的12毫米厚钢板形成的组合截面。经优化设计计算，确定了如图所示的尺寸，此时其最大弯曲应力是70Mpa，符合液压机构件的许用应力。
支承轴架如图3俯视图所示。在工作当中，吊臂会存在水平方向摆动的运动惯性，所以两个轴支板间要有一定的距离以克服吊臂的惯性扭矩，经计算此距离选为500毫米。
吊臂的三个销轴，均按许用应力70Mpa进行设计。
2、带重载转动转轴的设计
转轴的结构如图4所示，设计时考虑受力特点，结构上作了如下设计：
图3 吊臂结构图
图4 转轴总成
其一，显然吊臂的力和油缸的力，分别通过吊臂轴和油缸轴作用在转轴上。转轴的横截面受有拉力，其值经计算为385KN。为了避免在转轴上形成偏心拉伸力矩，采用大拉板把两个力的作用点联接起来，则支轴截面的拉力全部由拉板承载。拉板是由两个厚12毫米、宽250毫米的钢板组成。
其二，转轴的上部受有斜拉杆的拉力，在转轴的下部，与基座相接的部位受有向上的530KN反力和水平方向的276.2KN反力，这两个部位工作时都要转动，设置了两个青铜滑动轴承，采用脂润滑。
3、双油缸180度旋转结构
驱动承载的吊臂在水平方向转动时，必然会存在极大的转动惯性，如果采用蜗轮结构、齿轮结构驱动其转动都是容易损坏的。本机采用油缸驱动，采用杆机构实现转动，通常一个油缸只能驱动转动约90 度，采用如图5所示的结构，两个油缸采用杆串联的方式，可实现180度转角。图中油缸AB的A轴是固定轴，通过B点驱动杆GE，G轴是也固定轴，则油缸可推动GE转动约90度。油缸DC以C为基点通过D点推动杆GF，则油缸DC可推动杆GE转动约90度。这样，两个油缸滿行程工作，可使杆GF转动约180度，杆GF与转轴固联，实现吊臂的180度转动。两个油缸均为直径63毫米、行程280毫米的双耳环工程油缸。采用双油缸驱动重型构件的转动，可以有效地缓冲巨大的转动惯性，是安全可靠的方法。
图5 双油缸驱动180度旋转示意图
4、宽区域承载底座的设计
底座的作用是承载作业空间形成的倾倒弯矩和整机的重力载荷。
底座的最大弯矩位于转轴处，由计算可知约是709 KNm，按许用应力70Mpa计算，所需的抗弯截面模量8864cm3。采用63c热轧工字钢，其抗弯截面模量是3300cm3。在工字钢的上、下两面焊装宽1米、厚20mm的钢板，使其抗弯截面模量大于8864cm3。
工字钢上的弯矩隨远离转轴而变小，所需焊装钢板的宽度也相应变窄，如图1所示，距离转轴左、右分别为2530mm和1545mm的位置上，其弯矩已变小，不必再焊装增加强度的钢板了。焊装的钢板呈梯形状。
吊臂在水平方向的工作范围是90度，所以布置了三条相同结构的工字钢，组成抗弯力系钢结构件，保证吊臂在各工作位置均有可靠的力学支承，每条工字钢所焊装的钢板最宽处大于1米，实际上是如图1所示的形状。
底座构件装于地面以下，设预埋件，焊接固定。
四、起重机液压系统的设计
液压系统原理如图6所示，系统的额定工作压力是20Mpa，吊钩的平均上升速度设计为每秒30 mm，主油缸内径200毫米，经计算选用25ml/转的变量柱塞液压泵、电动机功率为11kw。需要说明的设计原理主要有两点：
1、吊钩下降时，往往是带有重载进行下降，为了安全，主油缸的运动速度不能过快，所以装有单向调速阀7。当吊钩悬停在高位时，要确保其悬停而不下降，为此装有液控单向阀6，只有当油缸上腔供油时，受上腔油压的控制，液控单向阀6才能打开，活塞才能下行。单向调速阀7选用管式结构，直接装在主油缸的油管接口上，这样最安全，如果装在远端，油管的意外破裂会造成吊臂的失控而发生事故。
2、两个转动油缸10和11，是并联油路，工作时两个油缸中哪个油缸先动作和后动作，对吊臂的转动效果都是一样的。油路中装有调速阀9，调整后使吊臂的转动具有适合的转动速度。
参考文献：
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