【毕业设计】刚性四连杆变幅机构的运动分析与综合 28页

专业课课程设计刚性四连杆变幅机构的运动分析与综合专业机械设计制造及其自动化班级机设一班学号姓名胡继武成绩教师李克勤刘小鹏2011年12月20日\n目录一，设计步奏二，门座起重机概述三，变幅机构四，运动分析五，设计小结六，参考文献\n一、设计步骤1、起重机械概述2、比较几种变蝠机构，各自特点等3、四连杆式变幅机构的运动学分析（解析表达式）4、用matlab软件将吊点轨迹、水平分速度、变幅力矩等曲线绘出（能力强的同学可做加速度分析内容——可加分）5、设计小结6、参考文献二、门座起重机概述1.简史门座起重机是随着港口事业的发展而发展起来的1890年,第一次将幅度不可变的固定式可旋转臂架型起重机装在横跨于窄码头上方的运行式半门座上，成为早期的港用半门座起重机随着码头宽度的加大,门座和半门座起重机并列发展，并普遍采用俯仰臂架和水平变幅系统。第二次世界大战后，港用门座起重机迅速发展为便于多台起重机对同一条船进行并列工作,普遍采用了转动部分与立柱体相连的转柱式门座起重机(图1[转柱式门座起重机]),或转动部分通过大轴承与门座相连的滚动轴承式支承回转装置,以减小转动部分的尾径,并采用了减小码头掩盖面（门座主体对地面的投影）的门座结构。在发展过程中，门座起重机还逐步推广应用到作业条件与港口相近的船台和水电站工地等处。\n2.分类　　按用途可分为3类：①装卸用门座起重机:主要用于港口和露天堆料场，用抓斗或吊钩装卸。起重量一般不超过25吨，不随幅度变化。工作速度较高，故生产率常是重要指标。②造船用门座起重机：主要用于船台、浮船坞和舣装现场，进行船体拼接、设备舣装等吊装工作，用吊钩作为吊具。最大起重量达300吨,幅度大时起重量相应减小。有多档起升速度，吊重轻时可提高起升速度。有些工作机构还备有微动装置，以满足安装要求。门座高度大者，可适应大起升高度和大幅度作业的要求，但工作速度较低，作业生产率不高。③建筑安装用门座起重机：主要用在水电站进行大坝浇灌、设备和预制件吊装等，一般用吊钩。起重量和工作速度一般介于前两类起重机之间。它具有整机装拆运输性好、吊具下放深度大、能较好地适应临时性工作和栈桥上工作等的特点。3.组成门座起重机有起升、回转、变幅和运行机构，前3种机构装在转动部分上,每一周期内都参加作业。转动部分上还装有可俯仰的倾斜单臂架或组合臂架及司机室。运行机构装在门座下部，用以调整起重机的工作位置带斗门座起重机（图2[带斗门座起重机]）还装有伸缩漏斗、带式输送机等附加设备，以提高门座起重机用抓斗装卸散状物料时的生产率。除电气保护装置外，还装有起重量或起重力矩限制器、起重机夹轨器等安全装置。\n3.系统门座起重机大多采用水平变幅系统。①重物和臂架系统各自的重心在变幅过程中几乎无垂直位移。其方法之一是靠增设活动平衡重来平衡臂架系统俯仰时的合成重心的升降变化这种方法布置较方便,工作也较可靠，应用广泛。方法之二是靠臂架系统的机构特性来保证变幅时合成重心的移动轨迹接近水平线，无活动平衡重。②所吊重物在变幅过程中沿着近于水平线的轨迹移动，可采用补偿法和组合臂架法。补偿法是通过特种储绳系统在变幅过程中自动收放相应起升绳，以补偿臂架升降造成的吊具垂直位移。组合臂架法是依靠组合臂架的机构特性保证臂端在变幅过程中接近水平移动。两种方法都得到广泛应用。二、变幅机构1、变幅机构的类型及特点变幅机构是用来实现臂架俯仰，以改变工作幅度的机构。它主要有两个方面的作用：一是在满足起重机工作稳定性的条件下，改变幅度，以调整起重机有效起重量或调整取物装置工作位置；二是在起重量的最大幅度与最小幅度之间运移货物，以扩大起重机的作业范围。港口装卸用门座起重机变幅机构的作用主要是指后者，它与其他机构联合作业，实现货物的运移。1.变幅机构根据变幅方法可分为两种基本形式：运行小车式和摆动臂架式。\n运行小车式变幅机构用于小型固定式旋转起重机，作为制造和修理车间的小型起重机设备，在港口装卸作业中很少采用。摆动臂架式变幅机构，幅度的改变是靠摆动臂来实现的。港口门座起重机的变幅机构几乎全属此类。摆动臂架式变幅机构主要由摆动臂架、驱动装置、传动装置、制动装置所组成。此外，还有操纵设备、安全装置等。2.根据变幅机构的工作性质有可分为非工作性变幅机构和工作性变幅机构。非工作性变幅机构只是用来调整幅度，在装卸作业中，幅度不变。工作性幅度机构在装卸作业时，通过改变幅度来运移货物，以扩大起重机的服务面积和提高工作机动性。港口起重机为提高装卸效率，要求变幅机构能够实现工作性变幅。其特征是：这种变幅是在带载条件下进行的，变幅频繁，变幅过程成为起重机每一个工作循环的主要工序之一，变幅速度对装卸生产率有直接的影响，故在这类变幅机构中，一般都应采用较高的变幅速度，以提高装卸生产率。2、对工作性变幅机构的要求为了适应工作性变幅的需要，变幅机构应满足下面两点要求：1．载重水平位移使载重在变幅过程中沿水平线或接近于水平线的轨迹移动。2．臂架自重平衡使臂架系统的总重心高度在变幅过程中保持不变或变化很小。3、载重水平位移的补偿原理\n为使载重在变幅过程中沿水平线或近似水平线移动，可以采用多种形式来达到，但基本上可以归纳为两种类型：起升绳补偿法和组合臂架法。常用的组合臂架法。组合臂架法的基本原理是：采用组合式臂架，依靠组合臂架端点在变幅过程中，沿水平或接近水平线的轨迹移动，从而使载重在变幅过程中的高度不变或变化很小。组合臂架法最常见的有两种：刚性拉杆式组合臂架和挠性拉索带曲线形象鼻架式组合臂架。港口装卸生产使用的门座起重机大多采用刚性拉杆式组合臂架——四连杆机构。图3-1刚性拉杆的组合臂架补偿原理\n图3-1所示为采用刚性拉杆式组合臂架来使载重水平变幅的补偿原理图。组合臂架是由主臂架、直线型象鼻架和刚性拉杆三部分组成的。连同机架ea一起考虑，组合臂架实际上构成一个四连杆机构。其补偿原理是：当臂架摆动时，象鼻架端部滑轮的轨迹是一个双叶曲线，如果臂架系统的尺寸和支点e、a的位置选择适宜，则在双叶曲线中相当于起重机有效工作幅度的ef部分，接近一水平线。因此，臂架端点在变幅过程中，接近于水平线移动。此时，如果起升绳平行于主臂架（或刚性拉杆）布置，则在变幅过程中，起升绳的各部分长度均不发生变化，从而实现载重接近于水平线移动。这种方案的主要优点是：臂架下的工作空间较大，钢丝绳的悬挂长度不变，货载摆动现象减小。其缺点是：臂架为葙型结构，自重较重，结构复杂，迎风面积也较大，在变幅过程中，臂架难以沿严格的水平线变幅。4、臂架自重平衡的补偿原理利用臂架的俯仰来改变幅度时，臂架系统重心的高度也在不断的变化，为了使臂架系统的重心尽可能不发生升降现象，以免由于重心升降时需要做功而引起变幅机构驱动功率的增大，可以采用多种构造形式来达到。在这里只向大家介绍港口普遍采用的利用活配重使臂架系统合成重心位置在变幅过程中，接近于水平线的轨迹移动的方案。图3-2杠杆-活配重法臂架平衡系统工作原理图\n图3-2所示为利用杆杠活配重法来获得臂架自重平衡的工作原理简图。活配重与臂架分离，绕各自铰轴摆动，采用杠杆连接使之组成非平行四边形的四杆机构。这种平衡法的基本原理为：不再是保持臂架和配重的合成重心位置不变，而是根据变幅过程中，臂架位能的增加（或减少）值等于活配重位能相应地减少（或增加）值，使臂架系统在各个变幅位置保持总位能不变。这种方案与尾重法相比较，在臂架摆动角度相同的条件下：活配重摆动角度显著增大，从而增大了活配重的升降高度，以至于减轻了活配重的重量。同时它把臂架系统分成臂架与配重两部分，配重被移到起重机旋转中心线较远的地方，两者用杠杆联系起来，由于杠杆的放大原理，使配重重量大大地减轻，并可充分发挥配重对起重机稳定性的作用，它在总体布置上，要比尾重法方便得多。但是这种平衡方案不能做到臂架系统的完全平衡。只要把四杆机构的尺寸和配重的重量选得合适，可以使误差缩减到很小的程度，安全能满足对臂架平衡系统提出的要求。由于这种方案优点较多，因此，目前应用最普遍，门座起重机基本上都采用此种平衡方法。5、变幅机构的传动形式为使臂架绕其铰轴摆动来改变起吊货物的位置，就必须有一套专门的驱动机构。根据变幅机构工作性质和要求不同，出现了多种传动机构，如齿条、螺杆螺母、液压等。一、螺杆螺母变幅驱动机构\n图3-3螺杆螺母传动变幅机构筒图1.电动机；2－减速器；3－转动的螺母；4－不转动的螺杆；5－臂架；6－转动的螺杆；7－不转动的螺母图3-3为螺杆螺母传动变幅机构筒图。这种传动方案的主要优点是：由于螺杆螺母传动本身具有很大的传动比，因而使整个传动装置紧凑、重量轻、变幅平稳无冲击。主要缺点是：效率低，非密封条件下工作或润滑不良时，磨损快，螺母的螺纹磨损后不易检查。如果没有可靠的安全保护装置，臂架也有超程坠落的危睑。近来出现的滚珠螺杆（见图3-4）能够克服上述的这些缺点。这是一种有前途的变幅传动方式。但由于制造工艺复杂，还没有广泛采用。\n图3-4滚动螺杆1-支座；2-键槽；3-螺杆；4-滚珠；5-驱动齿轮；6-轴承；7-螺母二、齿条变幅驱动机构图3-5为齿条传动的变幅机构简图。臂架直接由齿条推动，齿条则由装设在机器房顶上的电动机通过一个封闭式的三级圆柱齿轮减速器减速后，带动一个小齿轮，由小齿轮的旋转运动驱动齿条做直线运动，从而推动臂架绕其轴心摆动。对于较大型的起重机，齿条常制成针齿的形状，以便制造和维修工作。图3-5齿条传动的变幅机构驱动简图\n1-电动机；2-液压推杆制动器；3-圆柱齿轮减速器；4-齿型连轴节；5-齿条因为在变幅时振动和冲击都较大，所以在齿条头部装设橡胶缓冲装置或液压缓冲装置。另外，为了避免由于齿条超程而使臂架脱落，确保变幅机构安全工作，齿条在变幅有效区段内两端都设有行程开关。这种传动方式的主要优点是：结构紧凑，重量轻，可以双向受力，效率高。缺点是：因为存在齿间间隙，起、制动时有冲击；齿条传动是开式传动，工作条件差，所以齿面易磨损。这种传动方式由于可以在效率较高的前提下，获得相当紧凑的结构，因而，在工作性变幅机构中得到广泛的应用。3、四连杆组合臂架各杆件尺寸的确定首先假定在三个幅度时，吊钩的位置均在同一水平线上如下图1、求取臂梁长度a及象鼻架前段长度d按上图，可列出方程组：(1)其中Rmax=22.2,Rmin=5.7,H=11.2根据经验，角度选取范围为,考虑到为获得比较均匀的变幅速度并使载荷对臂架下铰点的力矩较小，应取较小值：\n取较大值。为了缩短a和d的长度以减轻臂架系统重量，有时使取较大值；取较大值。由方程组（1)解出：（2）(3)2.定出拉杆铰点O1，即定出A和B的值；A=(0.25~0.4)a，B=(0.15~0.3)a,对于码头作业的门座起重机，A取较大值，B取较小值，这里取A=0.4a，B=0.15a。可根据经验取这里取R=18这样根据图又可列出方程组（4）方程组的右边均为已知的，所以可设：代入方程组（4），可解得：\n(6)(7)其中M=E1^2-E2^2+F1^2-F2^2N=E2^2-E3^2+F2^2-F3^2这样就可以算出a、c、d、及值。2.把变幅范围分为6~10个位置。根据求出的尺寸检验变幅性能，并进行局部修改。（1），吊钩水平位移差值，一般要求；（2）水平位移曲线的斜率。亦即由载荷引起对臂架下铰点的力矩要求尽量小；（3）臂架等角速旋转时，象鼻架断点的水平移动速度不能相差太大，一般要求如水平速度相差悬殊，则会招致物品剧烈摆动。经多次选择和查阅资料可得出四连杆组合臂架系统的尺寸及性能参数。见下表；RmaxRminHABCDEFGS@H@H/SVmax/Vmin22.25.711.26.53.819.9317.82.888.20.3516.50.30.0182.62\n四、刚性四连杆变幅机构的运动分析1、机械运动分析的目的和方法所谓机构的运动分析，就是根据原动件的已知运动规律，求该机构其他构件某些点的位移，轨迹，速度和加速度，以及这些构件的角位移，加速度和角加速度。上述内容，无论是对于设计新的构件，还是了解现有机械的运动性能，都是十分重要的。例如，通过对机构进行位移或轨迹的分析，可以确定某些构件在运动时所需的空间；判断当机构运动时各构件之间是否会互相干涉；确定机构中从动件的行程；考察构件上某一点能否实现预定的位置或轨迹要求等。通过对机构进行速度分析，可以了解从动件速度变化规律能否满足工作要求。例如，就牛头刨床来讲，要求刨刀在工作行程中应该接近于等速运动，而空回行程的速度则应高于工作行程时的速度，因为这样才既能提高加工质量，延长刀具寿命，又能提高功效。那么所设计的刨床能否满足这种要求呢？这就要对它进行速度分析。其次，由于功率是速度和力的乘积，所以在功率已知的条件下，通过速度分析还可以了解机构的受力情况。此外，机构的速度分析还是进行加速度分析的必要前提。通过对机构进行加速度分析，可以确定各构件及构件上某点的加速度，了解机构加速度的变化规律。这是计算构件性能和研究出机械动力性能的必要前提。\n下面介绍几种分析的方法，主要有图解法和解析法。图解法的特点是形象直观，对于平面机构来说，一般比较简单。但精度不高，而且就机构的一系列位置进行分析时，需要反复作图，也相当繁复。而解析法的特点是把机构中已知的尺寸参数和运动变量与未知的运动变量之间的关系用数学式表达出来，然后求解。因此解析式一旦列出，则机构在各位置时的运动变量的计算就很便捷了，而且可获得很多的计算精度，同时还可把机构分析问题和机构综合问题联系起来，便于进行更深入的研究。其缺点是不像图解法那样形象直观，而且计算式有时比较复杂，计算工作量可能很大。1、图解法1、轨迹分析根据已知条件将机构的运动过程均分为20等份，即分为20个不同阶段，将多个阶段机构输出点的位置绘出，用平滑的曲线将其连接即可得到点的轨迹，图解法的分析过程及结果见大图12速度分析利用瞬心法可方便快捷地求出输出点的速度。如下图，P、P'点即为机构在变幅最大和最小处的速度瞬心，各点的速度均可直观在图中看出\n3、利用matlab进行四杆变幅机构进行结构参数分析1、变幅机构象鼻梁前端轨迹方程O点为直角坐标原点，图中，X1为OB之间的长度，X2-臂架OD的长度，X3-CD的长度，X5-B点Y坐标，X6-B点的X坐标，X7-BD的距离，X8-DM点之间的距离，-臂架OD的摆角，-OB与X轴的夹角，\n-象鼻梁前后臂之间的夹角。（1）象鼻梁M点的轨迹关系式如图得其中X2,X4，X5，X6，E,F,G为已知条件1。2.X7可根据余弦定理求出在中有式中3.在中可得在中，根据正弦定理所以为OD杆与Y轴的夹角所以\n（2）臂架最大最小摆角计算公式；即摆角的取值范围当结构参数确定后，就要确定摆角的取值范围了，可用解析法，求得摆角在最大幅度Rmax，和最小幅度Rmin时的值如图可得当摆角在最大幅度是Rmax时，Y=H，即可通过等式式中可用的表达式表达出来，这样就可求出43同理可求出当在最小幅度Rmin时，77计算到此，未知数的范围已给出，利用matlab编程就可得到象鼻梁M点的轨迹图2.象鼻梁M点轨迹曲线绘制的matlab程序及轨迹图在求得臂架摆角之后在臂架摆角的行程内，以摆角为自变量，即可计算出象鼻梁头部M点的X,Y值并绘制成曲线。可先将计算公式编制成子程序M文件，再在主程序中调用程序进行计算并绘制曲线以下是matlab程序文件及输出点M的轨迹曲线图\n轨迹程序alpha=[43:0.01:77]*pi/180;x2=22.2;E=2.88;F=8.2;G=0.35;x3=sqrt(E.*E+G.*G);x4=17.8;x5=6.5;x6=3.8;x1=sqrt(x5.*x5+x6.*x6);theta=atan(x5/x6);beta=pi-theta-alpha;x7=sqrt(x1.*x1+x2.*x2-2.*x1.*x2.*cos(beta));x8=sqrt(F.*F+G.*G);phi1=atan(E/G)+atan(F/G);phi2=acos((x3.*x3+x7.*x7-x4.*x4)./(2.*x3.*x7));phi3=asin((x1./x7).*sin(beta));phi4=pi/2-alpha;phi=2.*pi-phi1-phi2-phi3-phi4;x=x2.*cos(alpha)+x8.*sin(phi)+2.5;y=x2.*sin(alpha)-x8.*cos(phi);plot(x,y)3、变幅机构象鼻梁前端速度分析（1）象鼻梁M点速度的表达式\n简图如下图中，与OB之间的夹角；——BC与CD之间的夹角；——PC与PD之间的夹角；a——PC与CM之间的夹角b——DC与CM之间的夹角；C——PC与PM之间的夹角d——CM与MD之间的夹角；PCB共线；PDO共线X9——OP之间的距离X10——PD之间的距离X11——PC之间的距离X12——PB之间的距离X13——PC之间的距离1.在中，根据正弦定理其中OP=X9BO=X1在BCD中根据余弦定理\n2.3.在POB中，有正弦定理4.在PCM中余弦定理这样就求出了瞬心P的位置即P点X坐标为OPcos=X9cosY坐标为OPsin=X9sin根据X2*w=X10*w1所以v=X13*w1水平分速度V1=v*cos（）下面即为M点速度瞬心及速度的M文件及图形\nalpha=[43:0.01:77]*pi/180;x2=22.2;E=2.88;F=8.2;G=0.35;x3=2.9012;x4=17.8;x5=6.5;x6=3.8;x1=7.5293;x8=8.2075;theta=atan(x5/x6);beta=pi-theta-alpha;x7=sqrt(x1.*x1+x2.*x2-2.*x1.*x2.*cos(beta));phi1=atan(E/G)+tan(F/G);phi2=acos((x3.*x3+x7.*x7-x4.*x4)./(2.*x4.*x3));phi3=asin((x1.*sin(beta))./x7);phi4=pi/2-alpha;phi=2.*pi-phi1-phi2-phi3-phi4;x=x2.*cos(alpha)+x8.*sin(phi);y=x2.*sin(alpha)+x8.*cos(phi);beta2=acos((x4.*x4+x3.*x3-x7.*x7)./(2.*x4.*x3);beta1=2.*pi-beta-beta2-phi2-phi3;beta3=pi-beta1-beta;x9=(x1.*sin(beta1))./sin(beta3);x10=x9-x2;x12=(x1.*sin(beta))./(sin(beta3));x11=x12-x4;b=atan(G/E);d=atan(G/F);a-pi-b-beta2;x13=sqrt(x11.*x11+(E+F)^2-2.*x11.*(E+F).*cos(a));w1=(x2.*w)./x10;w=1;v=x13.*w1;m=x9.*cos(alpha);n=x9.*sin(alpha);plot(m,n)\n速度alpha=[43:0.01:77]*pi/180;x2=22.2;E=2.88;F=8.2;G=0.35;x3=2.9012;x4=17.8;x5=6.5;x6=3.8;x1=7.5293;x8=8.2075;theta=atan(x5/x6);beta=pi-theta-alpha;x7=sqrt(x1.*x1+x2.*x2-2.*x1.*x2.*cos(beta));phi1=atan(E/G)+tan(F/G);phi2=acos((x3.*x3+x7.*x7-x4.*x4)./(2.*x4.*x3));phi3=asin((x1.*sin(beta))./x7);phi4=pi/2-alpha;phi=2.*pi-phi1-phi2-phi3-phi4;x=x2.*cos(alpha)+x8.*sin(phi);y=x2.*sin(alpha)+x8.*cos(phi);beta2=acos((x4.*x4+x3.*x3-x7.*x7)./(2.*x4.*x3));beta1=2.*pi-beta-beta2-phi2-phi3;beta3=pi-beta1-beta;x9=(x1.*sin(beta1))./sin(beta3);x10=x9-x2;x12=(x1.*sin(beta))./(sin(beta3));x11=x12-x4;\nb=atan(G/E);d=atan(G/F);a=pi-b-beta2;x13=sqrt(x11.*x11+(E+F)^2-2.*x11.*(E+F).*cos(a));w=1;w1=(x2.*w)./x10;v=x13.*w1;t=alpha./w;Plot(t,v)设计小结为期三个星期的课程设计即将结束，在这三个星期的课程设计中有很多收获，同时也存在不少的遗憾。收获是因为从这个课程设计中，我将书本上得知识重新复习了一遍，是自己的知识结构得以巩固，特别是工程优化及matlab实现这门课程，以前没有弄懂的问题也得到了解决，而matlab的应用，编程也让我基本了解了这个软件的使用和注意事项。\n遗憾的就是还存在不少的问题和不足，像运动分析中的加速度分析没有做出来。总之，一个课程设计的完成除了结果之外，还是有很多的东西值得我们去反思去借鉴。在整个设计的过程中得到了李克勤老师和刘小鹏老师的指导和同学们的热情帮助，在此表示感谢！参考文献1.刚性四连杆变幅机构的反求设计2.基于Matlab的铰链四杆机构仿真分析3.基于MATLAB的四杆变幅机构结构参数分析4.门座起重机设计5.门座起重机专业知识6.起重机设计手册\n1.起重机运动机构参数优化设计设计小结为期三个星期的课程设计即将结束，在这三个星期的课程设计中有很多收获，同时也存在不少的遗憾。收获是因为从这个课程设计中，我将书本上得知识重新复习了一遍，是自己的知识结构得以巩固，特别是工程优化及matlab实现这门课程，以前没有弄懂的问题也得到了解决，而matlab的应用，编程也让我基本了解了这个软件的使用和注意事项。遗憾的就是还存在不少的问题和不足，像运动分析中的加速度分析没有做出来。总之，一个课程设计的完成除了结果之外，还是有很多的东西值得我们去反思去借鉴。在整个设计的过程中得到了李克勤老师和刘小鹏老师的指导和同学们的热情帮助，在此表示感谢！\n参考文献1.刚性四连杆变幅机构的反求设计2.基于Matlab的铰链四杆机构仿真分析3.基于MATLAB的四杆变幅机构结构参数分析4.门座起重机设计5.门座起重机专业知识6.起重机设计手册7.起重机运动机构参数优化设计