李克勤,姜翠香

(1湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,湖北 武漢,430068; 2武漢科技大學(xué)理學(xué)院,湖北 武漢,430065)

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雙紐線型起重機(jī)兩種類型變幅機(jī)構(gòu)的比較

李克勤1,姜翠香2

(1湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,湖北 武漢,430068; 2武漢科技大學(xué)理學(xué)院,湖北 武漢,430065)

雙紐線型變幅機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是臂架和后搖桿活動范圍大、外觀和幾何形態(tài)特別、重心低.該雙紐線型變幅機(jī)構(gòu)有兩種型式:一種是后搖桿驅(qū)動型,另一種是臂架驅(qū)動型.運(yùn)用反求設(shè)計和機(jī)構(gòu)學(xué)原理來分析該雙紐線型的兩種類型變幅機(jī)構(gòu),分析和研究它們的運(yùn)動學(xué)和變幅力矩,并以一臺起重量為160 kN的該類型起重機(jī)加以驗(yàn)證.

變幅機(jī)構(gòu); 運(yùn)動學(xué)分析; 變幅力矩; 雙紐線型起重機(jī)

LI Ke-qin1,JIANG Cui-xiang2

(1.School of Mechanical Engineering,Hubei University of Technology,Wuhan 430068,China;2 College of Science,Wuhan University of Science & Technology,Wuhan 430065,China)

針對歐洲的專利[1]產(chǎn)品,運(yùn)用反求設(shè)計和機(jī)構(gòu)學(xué)原理來分析雙紐線型起重機(jī)的兩種類型的變幅機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)和變幅特性.雙紐線型起重機(jī)的變幅機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是臂架與后搖桿的活動范圍大、外觀和幾何形態(tài)特殊、重心低.雙紐線型起重機(jī)已在歐洲一些重要港口的轉(zhuǎn)載、過駁等裝卸作業(yè)中發(fā)揮著顯著作用,作業(yè)效率高.以一臺起重量為16 t的雙紐線型起重機(jī)為例,抓取鐵礦石時,700 t·h-1,抓取散糧等時,500 t·h-1[2].現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)有16,25,36,50 t等系列的產(chǎn)品[3].

雙紐線型起重機(jī)的變幅機(jī)構(gòu)有兩種類型:一種為后搖桿驅(qū)動型[2],另一種為臂架驅(qū)動型[1,3].

1 雙紐線型變幅機(jī)構(gòu)的驅(qū)動形式比較

1.1 后搖桿驅(qū)動型

后搖桿驅(qū)動型雙紐線型變幅機(jī)構(gòu)的最大特點(diǎn)是臂架和后搖桿的活動范圍很大,自重平衡系統(tǒng)設(shè)在后搖桿的尾部,后搖桿既受拉力又受彎矩作用.后搖桿由特殊裝置驅(qū)動,實(shí)現(xiàn)水平平衡變幅作業(yè).圖1所示為后搖桿驅(qū)動型雙紐線型變幅機(jī)構(gòu).

1.2 臂架驅(qū)動型

臂架驅(qū)動型雙紐線型變幅機(jī)構(gòu)的最大特點(diǎn)是驅(qū)動臂架,且臂架的活動范圍很大,使后搖桿的受力情況大為改善.臂架有專門裝置驅(qū)動,可實(shí)現(xiàn)水平平衡變幅作業(yè)操作.圖2為臂架驅(qū)動型雙紐線型變幅機(jī)構(gòu).

圖1 雙紐線型變幅機(jī)構(gòu)(后搖桿為主動件)

圖2 雙紐線型變幅機(jī)構(gòu)(臂架為主動件)

2 吊點(diǎn)的水平分速度比較

2.1 后搖桿驅(qū)動型的吊點(diǎn)水平分速度

后搖桿驅(qū)動型雙紐線型變幅機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖如圖3所示.圖3中,X1為臂架;X2為象鼻架后臂;X3為后搖桿(主動件);X4為象鼻架前臂;X5為后搖桿下鉸點(diǎn)O3與臂架下鉸點(diǎn)O1之水平距離;X6為后搖桿下鉸點(diǎn)O3與臂架下鉸點(diǎn)O1之鉛垂距離;X7為象鼻架的下沉量;X8為回轉(zhuǎn)中心線與臂架下鉸點(diǎn)O1之水平距離;R為幅度;γ為臂架與象鼻架后部之夾角;θ1為臂架與水平線之夾角;θ3為后搖桿與水平線之夾角;β為A點(diǎn)速度向量與水平線之夾角;β0為象鼻架前臂與后臂之夾角;α為象鼻架前臂與水平線之夾角;ω3為驅(qū)動后搖桿之角速度.

后搖桿驅(qū)動型的吊點(diǎn)水平分速度對變幅作業(yè)的影響直接,鉸接點(diǎn)C為共同點(diǎn),其水平分速度可由式(2)得到.

(1)

式中:vC為鉸接點(diǎn)C的線速度；ω3為驅(qū)動后搖桿之角速度；ωP為繞速度瞬心P的瞬時角速度.

(2)

式中:vA為吊點(diǎn)A的線速度;vAX為吊點(diǎn)A的水平分速度.

圖3 后搖桿驅(qū)動雙紐線型變幅機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖

2.2 臂架驅(qū)動型的吊點(diǎn)水平分速度

臂架驅(qū)動型雙紐線型變幅機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖如圖4所示.同樣,臂架驅(qū)動型的吊點(diǎn)水平分速度對變幅作業(yè)性能的影響很大,鉸接點(diǎn)B為共同點(diǎn),吊點(diǎn)A的水平分速度vAX可由式(4)得到.

(3)

式中:vB為鉸接點(diǎn)B的線速度；ω1為驅(qū)動臂架之角速度.

(4)

3 兩種變幅機(jī)構(gòu)的變幅力矩的比較

3.1 后搖桿驅(qū)動型的變幅力矩

從圖3可知,后搖桿驅(qū)動型的變幅機(jī)構(gòu)的變幅力矩[4-9]是對鉸接點(diǎn)O3的.

圖4 臂架驅(qū)動雙紐線型變幅機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖

其變幅力矩MQ可由式(5)求得.

(5)

式中:Q為起重量.

(6)

式中:XA,XP為吊點(diǎn)A、速度瞬心P的橫坐標(biāo).

3.2 臂架驅(qū)動型的變幅力矩

從圖4可知,臂架驅(qū)動型的變幅機(jī)構(gòu)的變幅力矩[10-11]是對鉸接點(diǎn)O1的.

其變幅力矩可由式(7)求得.

(7)

(8)

4 兩種變幅機(jī)構(gòu)的實(shí)例分析與比較

由文獻(xiàn)[12],后搖桿驅(qū)動型變幅機(jī)構(gòu)的已知數(shù)據(jù)有:X1=19.3 m,X2=6.5 m,X3=14.7 m,X4=16 m,AC=22.3 m,X5=6.4 m,X6=5.3 m,最大外伸距(從回轉(zhuǎn)中心線算)30 m時θ3=49°,最小外伸距10.5 m時θ3=132°.

但是,臂架驅(qū)動型變幅機(jī)構(gòu)就找不到原始數(shù)據(jù).由于其兩者外形的相似,可以將后搖桿驅(qū)動型變幅機(jī)構(gòu)的相關(guān)信息借鑒過來用于臂架驅(qū)動型變幅機(jī)構(gòu),故可推測得到θ1=60～120°.

通過MATLAB軟件包編程計算求解得兩種變幅機(jī)構(gòu)的水平分速度VAX、變幅力矩MQ,其結(jié)果見圖5和圖6.

圖5 水平分速度的比較(假設(shè)驅(qū)動角速度為1)

圖6 變幅力矩的比較

5 結(jié)論

雙紐線型起重機(jī)的象鼻架為長型,加之其構(gòu)型特別,非常適宜帶載變幅作業(yè).

其后搖桿驅(qū)動型,雖然水平分速度和變幅力矩均很理想,適合帶載變幅作業(yè),但是,后搖桿既受拉力作用又受彎矩的作用,受力狀況復(fù)雜,不利于后搖桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計.

其臂架驅(qū)動型,雖然水平分速度和變幅力矩都有所增大,但是,使得后搖桿的受力狀況大為改善.

[1] NIEUWENHUIS G,DORRESTEIJN J J.Crane:Netherland,EP1048606A1 [P].2000-11-02.

[2] 李克勤.后搖桿驅(qū)動臂架型起重機(jī)變幅系統(tǒng)分析與優(yōu)化設(shè)計的研究[D].武漢:武漢交通科技大學(xué),1993.

LI Keqin.Research on analysis and optimal design of luffing system of jib type crane with back-rocker driving [D].Wuhan:Wuhan University of Water Transportation,1993.

[3] KENZ-FIGEE B V.Brochure of Kenz-Figee:offshore & harbour cranes[EB/OL].2011-02-08.http:// www.Kenz-Figee.com.

[4] 李克勤,姜翠香.后搖桿驅(qū)動臂架起重機(jī)的變幅機(jī)構(gòu)反求設(shè)計[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2002(5):8-9.

LI Keqin,JIANG Cuixiang.Inverse design of luffing mechanism of jib type crane with back-rocker driving[J].Hoisting and Conveying Machinery,2002(5):8-9.

[5] 李克勤.具有近似水平直線運(yùn)動軌跡雙搖桿變幅機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)分析與計算[J].港口裝卸,2002(2):5-7.

LI Keqin.Kinematics analysis and calculation of a double-rocker luffing mechanism(with back-rocker driving) with approximately horizontal Locus[J].Port Operation,2002(2):5-7.

[6] 李克勤,姜翠香.一種新型四連桿變幅機(jī)構(gòu)的反求與MATLAB實(shí)現(xiàn)[J].湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2008(3):76-77,80.

LI Keqin,JIANG Cuixiang.An inverse design of a new double-link luff mechanism and realization on MATLAB[J].Journal of Hubei University of Technology,2008(3):76-80.

[7] LI Keqin,JIANG Cuixiang.Inverse design of a new double-link luffing mechanism and realization on MATLAB [C].Proceedings of the Third International Conference on Mechanical Engineering and Mechanics,Monmouth Junction:Science Press USA Inc.,2009:301-304.

[8] 李克勤,姜翠香.新型后搖桿驅(qū)動四連桿變幅機(jī)構(gòu)的傳力特性與變幅力矩分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2011(35):8723-8730.

LI Keqin,JIANG Cuixiang.Transmission characteristic and luff moment of a new double-link luff mechanism with back-rocker driving[J].Science Technology and Engineering,2011(35):8723-8730

[9] 李克勤,姜翠香.新型后搖桿驅(qū)動四連桿變幅機(jī)構(gòu)的受力分析與程序?qū)崿F(xiàn)[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2012(13):3231-3234.

LI Keqin,JIANG Cuixiang.Force analysis and implementation of a new double-link luffing mechanism with back-rocker driving[J].Science Technology and Engineering,2012(13):3231-3234.

[10] LI Keqin,LI Junning.Kinematics and luffing moment of lemniscate type crane with boom driving[J].Advanced Materials Research,2012,503-504:923-926.

[11] LI Keqin,LI Junning.Force analysis of luffing mechanism of lemniscate type crane with boom driving[J].Advanced Materials Research,2012,538-541:2618-2621.

[12] UICKER J,PENNOCK G R,SHIGLEY J E.Theory of machines and mechanisms [M].4th ed,New York:Oxford University Press Inc.,2010.

Comparative study on two luffing mechanismsof lemniscate type cranes

Due that the luffing mechanism of lemniscate type cranes possesses such features as bigger range of boom and rear rocker,special pattern of shape and geometric and low height of weight,two types of luffing mechanisms regarding boom and rear rocker are analyzed using the inverse design and mechanism theory.Based on the kinematics and luffing moment,a crane with 160 kN loading capacity is used for verification.

luffing mechanism; kinematical analysis; luffing moment; lemniscate type crane

李克勤(1965-),男,副教授.E-mail:leekeqin@163.com

TH 218

A

1672-5581(2016)01-0050-04