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1、起重机械lifting appliances,新乡学院,第十一章 变幅机构,11-1 概述11-2 载重水平变幅11-3 臂架自重平衡11-4 变幅驱动机构11-5 变幅安全装置,11-1 概述,一.定义,1.起重机中用以改变幅度的专用机构称为变幅机构。,2.幅度在回转类型起重机中，从取物装置中心线到起重机旋转中心线的水平距离称为起重机的幅度。,11-1 概述,二.作用,1.在载重力矩不超过额定值的前提下，改变幅度以调整起重机的起重能力，提高起重机的利用程度，或者通过改变幅度来调整取物装置的工作位置，以适应装卸路线的需要，提高工作的机动性（非工作性变幅）。,2.使物品绕回转轴线作径向水平移动，
2、以提高生产率，扩大服务范围和改善工作机动性（工作性变幅）。,11-1 概述,三.变幅机构的类型,1.根据工作性质分类,.非工作性变幅机构特点：空载下调整工作位置，在物品吊运过程中，幅度不变；或者用来放倒臂架，以利运输。通常用非平衡变幅机构。,.工作性变幅机构特点：带载变幅，实现物品的水平搬运，工作性变幅机构是平衡性变幅机构，常采用吊重水平位移及臂架自重平衡系统，但机构复杂。,11-1 概述,三.变幅机构的类型,2.根据变幅方法分类,.运行小车式变幅机构特点：幅度的改变是依靠运行小车沿着水平臂架上的水平运行来实现，用于工作性变幅。优点：变幅速度均匀，物品摇摆现象减轻，变幅速度快。缺点：臂架承受较
3、大的弯矩，结构自重较大，机动性较差。,11-1 概述,三.变幅机构的类型,2.根据变幅方法分类,.俯仰臂架式变幅机构特点：幅度的改变是依靠动臂绕其铰轴俯仰来实现，可用于工作性和非工作性变幅。优点：臂架受力情况较有利，结构自重较轻，起重机的重心低，稳定性好，机动性较好。缺点：难于获得较小的起重机最小幅度，变幅速度不均匀，物品容易摇摆。解决方法措施复杂。,11-1 概述,三.变幅机构的类型,3.根据变幅性能分类,.非平衡变幅机构（简单变幅机构）臂架俯仰变幅时，会同时引起臂架重心和取物装置及所承载物品的升降运动，在减小幅度时需要耗费很大的功率，而在增大幅度时，则引起较大的惯性载荷，影响使用性能。但它
4、的结构比较简单，常用于非工作变幅，如汽车起重机等。,.平衡变幅机构（复杂变幅机构）采取一定措施，使起重机在臂架俯仰变幅的过程中，其合成重心沿水平方向移动，减小驱动功率和惯性载荷。它的结构较为复杂，常用于工作性变幅，如门座起重机等。,11-1 概述,四.工作性变幅机构的主要问题,当采用简单俯仰臂架方案变幅时，变幅驱动装置除必须克服一般变幅阻力外，还必须克服由于臂架自重、取物装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，既浪费能量又加剧物品摆动，影响起重机工作性能发挥，所以简单俯仰臂架变幅方案不适用于工作性变幅。,1.变幅机构作用,2.简单变幅机构利弊分析,只有采用合宜的措施（
5、工作性变幅）消除或减小这两项阻力的影响，才能使变幅机构所需的驱动功率减小，并且提高机构的可操作性，从而使俯仰臂架式变幅机构适用于工作性变幅。目前解决上述问题的主要措施是：,11-1 概述,四.工作性变幅机构的主要问题,.载重水平变幅使取物装置及其所载物品在变幅过程中沿着水平线或接近于水平线的轨迹运动物品升降补偿装置，如绳索补偿法、组合臂架补偿法等。,.臂架自重平衡使臂架系统的总重心高度在变幅过程中沿垂直方向不发生或少发生变化，或重心运动轨迹为水平线，实现方法如不变重心式等。,3.目前解决上述问题的主要措施是：,11-2 载重水平变幅,一.绳索补偿法,1.特点及类型,特点：被吊运物品在变幅过程中
6、引起的升降现象，依靠起升绳缠绕系统中增加的补偿装置，经合理设计后及时放出或收入相应长度的起升绳，从而使吊运物品保持在同一高度上，达到物品沿水平线或近似水平线移动。,补偿滑轮组法滑轮组补偿法,补偿滑轮法导向滑轮补偿法,11-2 载重水平变幅,一.绳索补偿法,2.补偿滑轮组法,.工作原理：在起升绳的缠绕系统中，增设一个补偿滑轮组，以补偿物品在变幅过程中的升降。如果在变幅过程中的所有位置上，由于臂架上升（或下降）而引起的物品升高值（下降值）刚巧等于因补偿滑轮组长度的缩短（或增长）而引起的物品下降值（升高值），那么物品将沿水平线移动，从而满足物品水平变幅的要求。,.实现条件,H m=(l1-l2)mF
7、,11-2 载重水平变幅,一.绳索补偿法,2.补偿滑轮组法,.特点及应用,构造简单，臂架受力情况比较有利，容易获得较小的最小幅度，但起升绳的长度大，绕过滑轮数目多，磨损快，小幅度时物品摆动幅度大，不能严格走水平，设计中应使工作区域避开抬头问题。用于起重量小的起重机。,11-2 载重水平变幅,一.绳索补偿法,3.补偿导向滑轮法,.工作原理在起升绳缠绕系统中，增加一个导向滑轮补偿装置，从而使变幅过程中，由于补偿导向滑轮位置的变化，使得从卷筒到臂架头部的钢丝绳连接长度发生变化并与吊钩随臂架头部的升降相补偿，则吊钩就实现走水平。,.实现条件（AB+BC）-（AB+BC）=H,11-2 载重水平变幅,一
8、.绳索补偿法,3.补偿导向滑轮法,.特点及应用,改善了钢丝绳的卷绕情况，使起升绳的长度和磨损均得以减小，但构造较复杂，臂架承受弯矩较大，难以获得较小的最小幅度。不能获得严格的水平变幅。用于大、中起重量的门座起重机上。,4.连杆补偿滑轮组法,5.补偿卷筒法,11-2 载重水平变幅,二.组合臂架法,1.特点及类型,被吊运物品在变幅过程中的水平移动是依靠臂架端点在变幅时沿水平线或接近水平线的移动轨迹来保证的。这种方法弥补了绳索补偿法的一些不足。相应又带来一些缺点：臂架系统复杂，自重大，物品难于沿严格的水平线变幅。,四连杆式,平行四边形组合臂架,曲线象鼻梁式,11-2 载重水平变幅,二.组合臂架法,2
9、.四连杆式,组成：臂架、象鼻梁和刚性拉杆以及机架连杆组成四连杆机构。工作原理：象鼻梁的端点将描绘出一条双叶曲线，其中一部分接近于水平线。,3.平衡四边形组合臂架,组成：拉杆、象鼻梁、可移动臂架与连杆组成一个平行四边形四连杆机构。工作原理：平行四边形四连杆机构，可保证吊重在变幅过程中严格地走水平线。,11-2 载重水平变幅,二.组合臂架法,4.曲线象鼻梁式,特殊型式的铰接组合臂架。象鼻梁2与臂架1铰接，拉绳3固接于象鼻梁上，另一端连接到起重机旋转平台的构架上。变幅时，由于象鼻梁转动，拉绳与其接触的点的位置要发生变化，相当于示意图中铰接四边形的一个边长在变化。适当选择四边形各边长的比值即能使变幅时
10、载荷沿近似的水平线移动。,11-2 载重水平变幅,三.补偿滑轮组装置的设计,1.设计目标：确定补偿滑轮组定滑轮夹套的装设位置。,2.作图法的具体步骤,.以一定的比例尺作出最大幅度和最小幅度的臂架位置，并将最大幅度与最小幅度之间等分成若干个幅度间隔，一般取为610个位置。,Rmaxmin,2040,Rminmax,6080,臂架铰点O起升倍率m补偿倍率mF,11-2 载重水平变幅,三.补偿滑轮组装置的设计,2.作图法的具体步骤,.从每一位置臂架端部等，以确定比例截取铅垂线长度等于PQ，以截点为圆心，以钢绳对臂架的合力S=PQ mF m为半径画弧，交臂架轴线于F点等，连接F FQ，并过点等做F F
11、Q的平行线。可得若干条直线的交点簇范围，此点大约在O点上方稍向前偏处。,.确定补偿点A。作出全幅度物品移动的实际轨迹线，=+（l1-l2）mFm，并校验实际最大高度差y3%Rmax。校验未平衡吊重力矩值M max 0.1倍载重力矩。,.若不满足上述条件，修正A点，重复。,11-2 载重水平变幅,三.补偿滑轮组装置的设计,3.解析法简介,解析法求解的依据：在臂架俯仰时，起升滑轮组和补偿滑轮组中的钢丝绳总长度应保持不变。,由几何关系得起升滑轮组动滑轮中心高度即变幅过程中吊钩轨迹y。y所表达的不是一条水平直线，为使y趋向平直，可使y的斜率趋向最小。,y=L sin-l Q,11-2 载重水平变幅,三
12、.补偿滑轮组装置的设计,3.解析法简介,从臂架平衡来看，在变幅过程中控制M0，即控制dyd 的数值，使之趋向于最小较为合理。,功能原理得：PQ dy=M0 d,M0=PQ dyd,=,11-2 载重水平变幅,四.补偿滑轮装置的设计(简介),1.图解法的设计步骤,.初步选定臂架铰轴O和摆动杠杆支点O1的位置，并根据给定的最大尾部半径初步确定补偿导向轮的起始位置B和摆动杠杆与连杆的铰接点的起始位置F。,.作出变幅过程中接近最大、中间和接近最小幅度的三个臂架位置OA、OA和OA。显然，吊钩在上述三个臂架位置上位于同一水平线所必须满足的条件（11-8）。,.确定相应于三个臂架位置的摆动杠杆位置BO1F
13、、BO1F 和BO1F。,.确定臂架与连杆的铰点D。,2.解析设计法,11-2 载重水平变幅,五.四连杆式组合臂架装置的设计（简介）,1.已知条件、设计任务及要求,已知条件：最大、小幅度、起升高度等主要工作参数。,设计任务：a.确定臂架系统的主要尺寸。,b.确定臂架铰点及拉杆铰点的位置。,要求：,a.保证物品在变幅过程中尽可能沿接近于水平线的轨迹移动。,b.臂架系统的尺寸尽可能紧凑、自重小、装卸简单，各个铰点位置应符合总体不知的要求。,11-2 载重水平变幅,五.四连杆式组合臂架装置的设计,2.图解法的设计步骤,11-3 臂架自重平衡,一.主要方案类型,1.不变重心式利用活对重使臂架系统的合成
14、重心始终位于臂架俯仰平面的某一固定点上，从而消除了臂架系统合成重心在变幅过程中发生升降现象。,特点：构造简单，工作可靠，回转部分的尾部半径小，但对重对起重机整体稳定性和回转部分局部稳定性所起的稳定作用不能充分发挥。仅用于船舶甲板起重机。,11-3 臂架自重平衡,一.主要方案类型,2.移动重心式利用活对重使臂架系统的合成重心保持在接近于水平线的轨迹上游动，从而避免或大大减小臂架系统合成重心在变幅过程中发生的升降现象。,移动重心式,杠杆：活动对重法,挠性件：活动对重法，磨损严重。,杠杆平衡梁,垂直滑移平衡重,特点：,.增大对重的升降高度，减少对重的重量，并可充分发挥对重对起重机稳定性的作用；,.在
15、总体布置上比前种方案方便的多，但此种方案只能达到近似的平衡，同时结构也比较复杂；,11-3 臂架自重平衡,一.主要方案类型,2.移动重心式,11-3 臂架自重平衡,一.主要方案类型,3.无平衡重式依靠臂架系统的构造特点，保证臂架重心在变幅过程中沿接近于水平线的轨迹移动。,特点：构造复杂，杆件的受力情况亦较为不利，稳定性较差。,11-3 臂架自重平衡,二.杠杆活动对重式臂架平衡系统的设计,1.选定对重杠杆铰点的位置及对重运动轨迹半径。,2.确定Rmax、Rmin及对应的对重杠杆的摆动角1和3。,3.初步确定对重重量,4.据能量守恒原理求得对重应在的位置g2。,5.确定连杆的铰点及尺寸求得适当的连
16、杆ab。,6.校验最大不平衡力矩。,11-4 变幅驱动机构,一.机构构造典型方案,1.绳索滑轮组变幅驱动机构,.工作原理臂架通过绳索滑轮组联到变幅绞车卷筒上，依靠绞车卷绕或放出变幅钢丝绳实现臂架绕其铰轴俯仰以达到变幅的目的。,.优缺点构造简单，自重轻，臂架受力情况好，总体布置较方便；但存在效率低，绳索易磨损的缺点。,.应用主要适用于非工作性变幅机构以及在变幅过程中不会产生双向受力的工作性变幅机构，如流动式起重机。,11-4 变幅驱动机构,一.机构构造典型方案,2.曲柄连杆变幅驱动机构,.工作原理曲柄连杆驱动对重杠杆，然后再通过杠杆使臂架俯仰。,.特点能自动限制变幅极限位置，使工作可靠性增大，但
17、变幅速度很不均匀；电动机和曲柄之间所需的传动比大，因而装置的尺寸和重量均较大；虽有自动限幅功能，但仍需装设行程开关，以免曲柄越过死点后，使变幅运动方向与控制器方向不符，造成操作失误。,.应用只用于旧式的小型起重机，现已很少采用。,11-4 变幅驱动机构,一.机构构造典型方案,3.扇形齿轮变幅驱动机构,优缺点由于扇形齿轮本身常兼作部分对重用，并且又常与活动对重做成一体，因而构造紧凑，臂架的俯仰角速度较为均匀，制作方便，维修简单；但减速机构比较笨重，开式齿轮传动的工作条件差，齿轮的磨损较快，且工作中有冲击，机构的体积和重量也大。,11-4 变幅驱动机构,一.机构构造典型方案,4.齿轮齿条变幅驱动机
18、构,.工作原理臂架直接由齿条推动，齿条则由装设在机器房顶上的电机通过减速器和最后一级驱动小齿轮来驱动。,.优缺点能承受双向力，结构较紧凑，自重轻，齿条驱动效率高；但起制动时有冲击，不平稳，齿条工作条件差，较易磨损，必须装设可靠的安全限制装置。,.应用广泛应用于工作性变幅机构。,11-4 变幅驱动机构,一.机构构造典型方案,4.齿轮齿条变幅驱动机构,11-4 变幅驱动机构,一.机构构造典型方案,5.螺杆变幅驱动机构,.工作原理和齿轮齿条驱动类似。螺杆螺纹的头数可以是单头、双头、三头或四头。采用单头螺纹可使结构更紧凑，但传动效率低，用于非工作性变幅。,11-4 变幅驱动机构,一.机构构造典型方案,
19、5.螺杆变幅驱动机构,.优缺点能承受双向力；由于螺杆-螺母装置本身就可获得较大的传动比，因而驱动机构的外形尺寸和自重是机械传动型式中最小的；变幅平稳。但传动效率低，润滑要求高。,.应用工作性变幅机构中日益广泛的采用。,11-4 变幅驱动机构,一.机构构造典型方案,6.液压缸变幅驱动机构,.优缺点结构紧凑，自重轻，工作平稳；不需要中间传动件不受限制，可无级调速；对制造和安装精度及密封防漏要求高。,.工作原理摆动液压缸的活塞杆端部可同臂架或对重平衡梁连接，推动其工作，由于活塞杆行程有限，作用力臂较小，受力较大，为适应双向受力工作性变幅机构的需要，液压系统必须能随时保证活塞杆有承受拉力或压力的可能。
20、,.应用主要用于结构紧凑的起重机，如甲板起重机，汽车轮胎起重机等。,11-4 变幅驱动机构,一.机构构造典型方案,7.注意,.变幅驱动机构，常制成双联推动方式，从而减小尺寸，但应考虑均衡装置和布置方式。,.为缓解冲击并消除振动，应在臂架之间装设缓冲减震装置。,.变幅驱动系统中，应考虑装设防脱装置（行程限位装置）。,11-4 变幅驱动机构,一.机构构造典型方案,7.注意,11-4 变幅驱动机构,二.臂架系统的运行速度,1.检查变幅系统的速度均匀性；,2.在计算变幅驱动机构时，需要知道臂架系统各部分的折合转动惯量，这时需要知道它的重心速度与转动角速度；,三.变幅机构原始数据及主要设计工作,1.计算
21、变幅阻力，确定计算载荷；各项计算都要以各种不同工况下的变幅阻力为基础，通过计算滑轮组拉力或油缸、齿条等的推力，作为机构和零件的设计基础。,2.确定驱动功率，选择电机型号。,3.确定制动力矩，选择或设计制动器。,4.确定传动比及分配，选择或设计传动装置。,11-4 变幅驱动机构,五.变幅阻力的组合,1.类组合正常载荷,.用于电机功率和发热计算时。,a.对每一幅度，将各种变幅阻力直接相加。,b.对整个变幅过程，由于载荷随幅度而变化，因此仍必须将变幅过程划分成若干区段，求出变幅区段上的变幅时间和变幅阻力，进而求出影响电机发热的齿条等效作用力。,.接触疲劳强度的等效类载荷,11-4 变幅驱动机构,五.
22、变幅阻力的组合,2.类载荷最大载荷,.稳定运动时期,.非稳定运动时期,3.类载荷验算载荷,此时按非工作的幅度位置计算，一般取最小幅度位置。,11-4 变幅驱动机构,六.工作性变幅驱动机构计算步骤,.静功率,.考虑电机起动的影响，选用较大的功率，并据时间的JC值初选电机型号。,2.减速装置,1.电机功率的选定,.总速比,.据机构的传动比，电机转速，机构的JC值，工作级别选用较静功率为大的减速型号（参照起升机构）。,.如果J2（低速轴）J1（高速轴）则可近似与运行机构一样选减速器（起动功率）。,11-4 变幅驱动机构,六.工作性变幅驱动机构计算步骤,3.验算电机,.起动时间的验算一个具有典型意义的
23、工况（类载荷）,.电机短期过载能力的验算,a.放弃在最大工作载荷下能及时起动的要求，以免选用过大的电机，因为此种情况究竟不是常有的，但应保证工作状态起重机能承受类风载。,b.规定规定保证起动要求。,.电机的发热验算,11-4 变幅驱动机构,六.工作性变幅驱动机构计算步骤,4.制动力矩及制动时间,.制动器的制动力矩应当满足以下条件,a.在工作状态与非工作状态，应有足够的制动安全系数。,b.在最不利的工作状况下，制动时间不应太长。tzmax46s,c.在无负荷的情况下，制动时间不宜太短。tzmin11.5s,.对于平衡变幅机构，由于超载对制动轴上静转矩的影响较小，故选用较小的Kz=1.25。,.对于非平衡变幅机构，其制动安全系数与起升机构相同。,.验算制动时间,
