JDCC1000履带起重机底盘设计

JDCC1000型履带式起重机底盘的设计
摘要履带起重机是工程起重机行业的一个重要门类，是现代工程建设施工中不可缺少的大型设备之一。

本文简要介绍了履带起重机的结构和特点，并针对200吨级履带起重机的底盘进行了设计。

(1) 车架、履带架、四轮一带的方案设计。

根据整机的稳定性、载荷状态、运输尺寸、承载等各种需求，进行了车架、履带架、四轮一带的结构方案设计，运用Proe三维绘图软件绘制完成三维模型，完成相关部件的装配，检查了相关部件的干涉关系。

(2) 车架、履带架、履带板的有限元计算。

利用功能强大的ANSYS有限元分析软件对车架、履带架的结构方案进行优化分析，优化了车架、履带架的箱型截面和各主板及加强板的尺寸，得到了车架、履带架的理想结构。

并对履带板进行有限元分析，优化提升了履带板的结构。

车架、履带架包括履带板都充分采用变截面变板厚的设计理念，以减轻底盘质量，充分发挥材料性能。

(3) 牵引力计算及马达选型。

通过计算整机最大的行走阻力，确定需要的牵引力。

经过对几种行走减速机方案的比较，确定了行走减速机的设计方案，完成了行走马达的选型设计。

并对上车匹配的发动机、行走泵的参数进行了验算。

(4) 针对履带底盘的工作特点，动作需求，设计了履带底盘的液压、电气控制系统。

关键词：履带起重机履带底盘有限元行走机构
THE CHASSIS DESIGN OF JDCC1000 CRAWLER CRANE
Abstract Crawler crane is an important category of the construction crane industry,is one of the indispensable equipment in modern engineering construction. This paper briefly introduces the structure and characteristics of crawler crane, and for the 200 tons crawler crane chassis design is introduced in detail.
( 1) Design for the frame, the crawler frame and the four round area. According to the overall stability, loading, transport, carrying various demand size, the frame, the crawler frame, four round area structure plan design, using Proe 3D drawing software rendering 3D models, complete the relevant parts of the assembly, check out the relevant parts of the interference between.
( 2) Finite element calculation for the frame, the crawler frame and the crawler plate. Using the powerful finite element analysis software ANSYS, the frame of crawler frame structure optimization analysis, optimization of the frame, the crawler frame box section and the motherboard and the strengthening plate size, obtained the ideal structure of frame, the crawler frame. And the track plate finite element analysis, upgrading the track plate structure. Frame, includes a track plate track frame are fully adopts the variable cross-section variable thickness design concepts, in order to reduce chassis quality, making full use of the material property.
( 3) calculation for the traction force and the motor selection. By calculating the maximum walking resistance, identified the need for traction force. After several traveling reducer of plan comparison, determined the walking speed reducer design, completed the walking motor design. And the car matching the engine, the running pump parameter checking.
( 4) According to the working characteristics of tracked chassis, action needs, design a tracked chassis hydraulic, electrical control system.
Key words Crawler crane Crawler chassis Finite element Walking mechanism
目录
引言 (1)
第一章绪论 (2)
1.1概述 (2)
1.2 履带起重机发展现状 (2)
1.2.1国外履带起重机的发展现状 (2)
1.2.2国内履带起重机的发展现状 (4)
1.3履带起重机的发展趋势 (5)
第二章履带起重机的主要构成及技术参数 (7)
2.1 履带起重机的主要构成 (7)
2.1.1工作机构 (7)
2.1.2金属结构 (7)
2.1.3动力装置 (8)
2.1.4控制系统 (8)
2.2履带起重机的主要技术参数及计算载荷 (8)
2.2.1履带起重机的主要技术参数 (8)
2.2.2履带起重机的计算载荷 (9)
第三章底盘的设计 (12)
3.1设计中作为参考的参数 (12)
3.2履带起重机底盘的组成 (12)
3.3车架、履带架的设计 (14)
3.3.1车架的设计 (14)
3.3.2履带架的设计 (15)
3.3.3车架、履带架连接销轴的设计 (17)
3.3.4车架、履带架结构有限元分析计算 (19)
3.3.5车架、履带架结构有限元计算结果 (26)
3.4履带板的设计 (26)
第四章行走机构的设计 (32)
4.1行走机构阻力计算 (32)
4.2行走减速机选型 (35)
4.3行走马达设计 (36)
4.4发动机、行走泵验算 (37)
4.5 行走机构参数确定 (38)
第五章履带底盘液压系统设计 (39)
5.1支腿油缸的设计 (39)
5.2支腿油缸、动力销轴液压系统设计 (41)
第六章履带底盘电气系统设计 (43)
6.1行走控制 (43)
6.2履带底盘集中润滑泵控制系统设计 (43)
结论 (45)
致谢 (46)
参考文献 (47)
引言
近十余年来，随着经济的高速发展，国家基础建设的规模越来越大，需要吊运物品的质量、体积和起升高度都越来越大。

汽车起重机受到其产品特点的限制，无法提供能满足要求的高综合起升性能；龙门起重机、液压提升机等可以提供很高的起重性能，但却无法行走；而履带起重机以其接地比压小、转弯半径小、可适应恶劣地面、爬坡能力大、起重性能高、吊重作业不需打支腿、可带载行驶等诸多优点，愈来愈显示其优越性，市场容量迅速上升，国际国内起重机行业纷纷兴起履带起重机的开发热潮。

第一章绪论
1.1概述
履带起重机是将起重作业部分装在履带底盘上、行走依靠履带装置的流动式起重机，可以进行物料起重、运输、装卸和安装等作业。

履带起重机具有接地比压小、转弯半径小、可适应恶劣地面、爬坡能力大、起重性能好、吊重作业不需打支腿、可带载行驶等优点，并可借助更换吊具或增加特种装置成为抓斗起重机、电磁起重机或打桩机等，实现一机多用，进行桩工、土石方作业，在电力建设、市政建设、桥梁施工、石油化工、水利水电等行业应用广泛。

履带起重机的带载行驶、臂长组合多、起重性能好、作业高度和幅度大是其独有的无与伦比的优势，具有其他起重设备无法替代的地位。

1.2履带起重机发展现状
随着经济的高速发展，国家基本建设的规模越来越大，需要吊运的物品的质量、体积和起升高度都越来越大，履带起重机愈来愈显示其优越性，市场容量迅速上升，引起了国际知名厂商的关注，国内起重机行业也兴起了履带起重机开发热潮。

1.2.1国外履带起重机的发展现状
目前，国外专业生产履带起重机的厂家很多，德国的主要生产厂家有利勃海尔、特雷克斯——德马格、森尼波根公司；美国主要生产厂家有马尼托瓦克、林克——贝尔特公司；日本的主要生产厂家有神钢、日立住友和石川岛公司，其中利勃海尔、特雷克斯——德马格、马尼托瓦克、神钢、日立住友等公司产品系列较全，市场占有率较高。

1）德国利勃海尔公司
利勃海尔公司，一个以塔机起家、拥有50余年历史的家族式跨国公司，是世界著名起重机生产厂家之一，该公司的产品技术先进，其生产的ＬＲ系列履带起重机最大起重量已达1200吨。

该公司产品主要特点有：系统为全液压驱动、电液比例控制，可实现无级调速且传动平稳，具备完善的自拆装功能，主副钩可单独工作亦可交替使用，自动安全保护合理，大
吨位履带起重机安装全球卫星定位通讯系统，厂家对其产品进行实时监控，另外为充分发挥臂架的起重能力、提高整机的稳定性大吨位履带起重机均增加了超起装置。

目前投入市场最大吨位产品为LR11350(1350t)，其专为核电设备吊装等工程建设而设计LR13000（3000t）履带起重机将很快推向市场。

2）德国特雷克斯～德马格起重机公司
德马格原属德国曼内斯曼集团旗下的企业，由于该集团产业结构调整，产权转让给了特雷克斯。

德马格的履带起重机制造和经营历史很长，技术上与利勃海尔有一定差距，但价格比利勃海尔稍低一点，又比日本产品高不少。

但德马格的ＣＣ系列履带起重机，进入中国市场很早，在国内大吨位产品上有一定的市场占有率。

德马格公司主要生产起重量从50吨到3200吨的ＣＣ系列履带起重机。

已投入市场的CC8800-1 TWIN（3200t），是目前世界上已正式投入用户使用的最大吨位的履带起重机，最大起重力矩达43900t.m。

CC8800-1 TWIN底盘和回转采用了可拆分的环轨结构，保证了最大运输宽度仅3.5m，最大单件运输重量60t。

特雷克斯—德马格CC系列履带起重机的结构设计具有鲜明的特点，通用化程度也较高。

尤其是CC8800-1 TWIN双臂起重机，其独特的结构设计为履带起重机的发展开辟了一个新思路。

总的来说德国的履带起重机产品讲究高性能、高新技术，德国利勃海尔公司和特雷克斯——德马格起重机公司的履带起重机代表了国际先进水平。

3) 美国马尼托瓦克公司
美国马尼托瓦克公司是世界著名起重机设计制造厂家之一，它创建于1902年，当时是造船厂，1927年开始生产起重机，1988年开始生产制造多种类、多型号起重机。

其产品包括45~2300t履带起重机。

目前投入市场最大吨位产品为21000型(907t)。

马尼托瓦克产品在一定程度上体现了美国不拘形式的设计风格，21000型的下车有4组8条履带行走装置。

正在研制中的31000型(2300t)产品则具有可变位置配重装置,可以在吊装过程中自动展开。

但其缺点构筑环轨增加了费用，使用中起重机无法带载行走，限制了作业范围。

4）日本履带起重机生产情况
日本的履带起重机起步于50～60年代，以机械传动为主，70年代开始迅速发展，传动以液压为主。

日本的主要生产厂家有神钢公司、日立住友公司和石川岛公司，日立住友是住友和曰立公司在2002年合并的品牌，主要生产起重量从30吨到650吨的ＳＣＸ系列产品。

神钢公司早在1964年，开发了3000系列履带起重机，1977年开发了5000系列履带式起重机，1982年设计成功5650履带起重机，最大起重量650吨，1984年升级换代为7000系列履带式起重机，现在7000系列又升级为ＣＫＥ系列履带起重机，其开发的履带起重机产品系列化程度高、性价比高，瞄准出口市场，深受发展家的欢迎，在全球范围内占有一定比例，主要生产的ＣＫＥ系列产品起重量从60吨到600吨，7000系列产品起重量从35吨到800吨。

总的来说，日本产品的技术性能与德国产品还是有相当差距，但其进步较快，价格比德国产品更有竞争力。

它们在销售的产品规格大都为300吨以下产品，也有少量达到300以上的产品。

1.2.2 国内履带起重机的发展现状
我国生产履带起重机历史较短，“七五”期间以技术贸易相结合的方式，分别从日本和德国引进中小吨位履带起重机生产技术。

2004年以前，国产履带起重机最大吨位仅为150t。

自从2004年以来，以徐工集团、三一科技、抚挖重工、中联重科为代表的国内履带起重机巨头发展日新月异，产品逐渐形成系列化。

1）徐州重型机械有限公司
2003年，工厂斥巨资进行大规模技术改造，从国外进口多种高新设备，大型结构件的焊接和加工制造水平得到了大幅提升。

该公司立足自主研发，向世界先进水平看齐，攻克了桅杆吊、臂架柔性随动调衡腰绳装置、分体式转台、ＰＬＣ计算机集成控制系统等的设计制造核心技术。

已生产销售包括35~2000吨的全系列履带起重机产品，系列齐全，多个产品填补国内空白，目前公司正在研制更大吨位履带起重机，将履带起重机系列做大做强。

2）抚挖重工机械股份有限公司
国内生产履带起重机历史最长的企业，主要包括35~1250吨系列履带起重机产品。

3）中联浦沅
中国工程起重机主要生产企业，2002年开始进军履带起重机行业，2005年初推出200吨履带起重机。

在今年5月28日宣布其3200吨履带起重机下线。

4）三一重工
在2004年11月上海的宝马会上展出了开发的50吨履带起重机，目前在开发准备用于核电吊装的3000吨级履带起重机。

1.3履带起重机的发展趋势
根据海内外履带起重机的发展现状，履带起重机未来发展呈如下趋势：
1）为适应大型工程项目的需要，持续向超大吨位发展。

随着电力、石油、化工、核电等行业的蓬勃发展，工程建设规模越来越大，工期越来越短。

为了提高工程建设的施工质量与施工效益，施工现场提出了以空间换时间的新型作业模式，对超大型起重机的需求愈来愈多。

如核电施工中的美国Lampson公司的LTL-2600型2600t履带起重机，特雷克斯—德马格的CC8800 TWIN型3200t双臂架履带起重机。

履带起重机持续向超大吨位发展，必将引起两点质的飞跃：第一，带超起装置的工况将成为履带起重机的最常用工况，超起原理及超起装置的完善、成熟与技术突破将产品研发的重点；第二，特别结构的设计将成为产品设计的核心。

2）操作控制系统的智能化
随着计算机技术和电子技术的不断发展，逐步完善的计算机控制技术和测试技术在履带起重机上得到广泛的应用。

各种电子监控系统、GPS卫星定位系统、运行作业时的在线故障检测与远程诊断技术等是今后履带起重机不断向智能化发展的方向。

3）安全设计与安全控制策略为重中之重
伴随着千吨级甚至是三千吨级大型设备的一次吊装施工作业，吊重物的单笔价值越来越大，动辄逾亿元，吊装施工的风险也越来越大。

1999年造成经济损失约10亿美元的蓝色巨人（LTL-1500型1360t履带起重机）倾翻事故警示尚在。

2008年7月发生在美国休斯
顿的深南TC3600（2268t）上下机断裂又酿成了迄今最大的单台履带起重机事故。

作为特种设备，履带起重机的安全设计与安全控制策略将成为未来履带起重机发展的重中之重。

4）充分运用新技术、新材料、新工艺和新的设计方法，使整机性能大大提高。

890MPa屈服强度的臂架材料被广泛采用，从而大幅度地降低了臂架自重，提高了产品起重性能。

整机的结构也逐渐采用屈服强度大的高强材料，通过优化设计显著减轻整机重量。

同时为整机稳定性，增加了必要的中央压重，使得大吨位产品能够具有较高的性能和良好的经济性。

5）打造专用和多功能的变型产品。

面对越来越成熟的市场和差异化细分的客户需求，具有领先意识的企业越来越重视打造专用的履带起重机变型产品，加快技术驱动以巩固行业地位。

随着风力发电项目的开发力度加大，风机设备的安装高度及重量也不断加大，一些专为此设计的新型起重机应运而生，如LIEBHERR公司推出了窄轨距的LR1400/2-W型400t产品、伸缩臂履带起重机LTR11200等。

6）产品设计模块化、系列化、人性化
随着履带起重机核心技术和专用技术的日益成熟，具备完善的产品系列化型谱的专业化制造厂家越来越多。

面对竞争激烈的国际市场，实现产品模块化、系列化开发，提高通用化与模块化程度，重视人性化与人机工程学，降低安装拆卸和维修保养的劳动强度、降低成本、提升产品竞争力，是产品持久生存的立足之本。

第二章履带起重机的主要构成及技术参数
2.1履带起重机的主要构成
履带起重机主要由工作机构、金属结构、动力装置、控制系统四部分构成。

2.1.1工作机构
工作机构是为实现履带起重机不同的运动要求而设置的，包括起升、变幅、回转、行走机构四种。

1）起升机构由减速机、液压马达、卷筒、钢丝绳、滑轮组和吊钩组成。

液压马达及减速机的旋转运动，通过卷筒——钢丝绳——滑轮组机构变为吊钩的垂直上下直线运动。

2）变幅机构实现吊钩中心与起重机回转中心轴线之间距离的改变。

采用钢丝绳变幅形式，与起升机构相似，所不同的是变幅卷筒引出的钢丝绳不是连接在吊钩上，而是连接在吊臂端部。

3）通过回转机构实现上车部分相对于下车部分的360 °以上全回转运动。

由液压马达经减速机将动力传递到回转机构的小齿轮，小齿轮既作自转又作沿着固定在底架上的大齿圈的公转，从而带动整个上车部分的回转。

4）行走机构为整机的行走提供动力，行走马达经行走减速机将动力传递到驱动轮，带动驱动轮旋转，驱动轮与履带板啮合，通过四轮一带、履带架、车架的共同作用，实行整机的行走。

2.1.2金属结构
履带起重机的金属结构是履带起重机的骨架，通常包括吊臂、转台、人字架、桅杆、车架、履带架等。

有它们共同承受起重机的自重以及作业时的各种外部载荷，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。

1）吊臂包括主臂、固定副臂、塔式副臂等多种形式，采用多节组装桁架结构，调整节数后可改变长度，其下端铰装于转台前部，顶端用变幅钢丝绳滑轮组悬挂支承，其倾角可改变。

2）转台上安装有多个动力、传动系统，结构型式主要有两种：大型产品转台采用两个高度较大的工字型或箱型截面组成的封闭式转台结构；小型产品中采用的小箱型转台结构。

3）人字架用来改变变幅力的方向，改善吊臂和变幅绳的受力状态。

由前撑杆和后拉杆组成。

前撑杆为箱形双肢结构，装有顶升油缸；后拉杆为可收缩或折叠式结构。

4）桅杆由箱形双肢结构组成，两肢之间增设横梁。

在作业和起臂状态均可改善主变幅绳、拉板和臂架的受力。

5）车架承担着通过回转支承传递下来的所有载荷。

根据履带起重机产品吨位的不同，通常会采用大H型、X型、或小H型的箱型结构。

当履带行走装置不能随主机一体运输是，车架上须配置支腿油缸，用于起重机的自装拆，通过销轴铰接于车架外侧。

6）履带架一般全长采用宽肢薄壁箱型结构。

当行走机构选用四驱型式时，履带架的结构随之改进，其张紧通过张紧梁套接于履带架结构中实现。

2.1.3动力装置
履带起重机动力装置采用柴油发动机，一般整机仅需一台发动机为起升、变幅、回转、行走机构提供动力，但对于近期发展的采用前后履带车的超大吨位履带起重机，就要采用不同的发动机分别对前后车的机构提供动力。

2.1.4控制系统
履带起重机控制系统设有离合器、制动器、液压传动中的各种泵、阀、调速装置、安全装置，电气控制中的各种传感器、安全装置等。

通过这些控制系统创造的条件，改变起重机的运动特性，实现各机构的启动、调速、改向、制动、停止，从而达到起重机作业所要求的各种动作。

2.2履带起重机的主要技术参数及计算载荷
2.2.1履带起重机的主要技术参数
1）起重量
起重机起吊重物的质量称为起重量，通常以Q表示，单位t。

通常以额定起重量表示。

额定起重量指起重机在各种工况下安全作业所容许起吊重物的最大质量。

起重量随着幅度的加大而减小。

是起重机最主要的技术参数。

2）幅度
起重机回转中心轴线至吊钩中心的距离称为幅度。

某一长度的吊臂处于与水平面成某
一夹角时，这个幅度值也就确定了，但当吊臂处于同一夹角时，吊重状态与空钩状态时的幅度值是不等的。

所以标定起重机幅度参数时，通常指额定起重量下起重机回转中心轴线至吊钩中心的水平距离，用R表示，单位m。

幅度也是衡量起重机能力的一个重要参数。

3）起重力矩
起重机的幅度与此幅度下起重量的乘积称为起重力矩，以M表示，则M=Q×R，单位t m。

它是综合起重量与幅度两个因数的参数。

所以，起重力矩这个参数可以比较全面和确切地反映起重机的起重能力。

4）起升高度
起升高度是指自地面到吊钩钩口中心的距离，以H表示，单位m。

在标定起重机技术参数时，通常以额定起升高度表示。

额定起升高度是指满载时吊钩上升到极限位置，自吊钩中心到地面的距离。

5）工作速度
履带起重机的工作速度主要包括起升、变幅、回转和行走速度。

工作速度选择合理与否，对起重机性能有很大影响。

一般来说，起重机工作效率与各机构工作速度有直接关系。

当起重量一定时，工作速度越高，生产效率也越高。

但速度高也带来一系列不利的影响因素。

如惯性增大，起制动时引起的动力载荷增大，从而机构的驱动功率和结构强度也要相应增大。

所以，合理选择工作速度要考虑与之相关的一系列因素。

6）自重及重量指标
起重机自重是指起重机处于工作状态时起重机本身全部重量，以G表示，单位t。

起重机自重这一参数是评价起重机的一个综合性指标。

它反映了起重机设计、制造和所选用材料的技术水平。

随着技术的进步和材料性能的提高，起重机自重可以相应地减少。

2.2.2履带起重机的计算载荷
设计履带起重机时，必须首先确定作用在起重机上的外载荷，以作为计算起重机稳定性、结构零部件和金属结构强度以及选择发动机功率的依据。

作用在起重机上的外载荷，应根据实际情况确定，主要有：起重载荷、起重机自重载荷、风载荷、重物偏摆引起的水平惯性力载荷、冲击引起的动力载荷等。

1）起重载荷Ｑ+q
对于吊钩式起重机，起重载荷包括最大起重量Ｑ和吊钩、锁具自重q。

2）自重载荷
指除起重载荷外起重机各部分的总重量，它包括结构自重、机构和液压电气设备等重量。

起重机自重，在设计前是未知的，初步设计时可根据同类型、参数相近的机型进行初步估计，但最后核算的重量如与估计重量出入较大时，则应重新进行调整和核算。

自重载荷根据具体结构形式，以集中或均布载荷作用在相应位置上。

3）风载荷Ｗ
履带起重机主要在野外工作，必须考虑风产生的载荷。

风载荷风工作状态风载荷和非工作状态风载荷，其计算公式为：
qA
P
CK
=
h
w
式中：P w——作用在起重机上或物品上的风载荷
C ——风力系数
K h——风压高度系数
q ——计算风压（N/m2）
A——起重机或物品垂直于风向的迎风面积（m2）
4）重物偏摆引起的水平惯性力载荷Ｔ
回转动臂式起重机挠性悬挂重物时，因受水平风力、起重机回转时的离心力、变幅时重物水平移动惯性力、以及回转加速、制动时的切向惯性力等原因使重物偏摆一个角α，而引起水平了力Ｔ：
Ｔ＝（Ｑ+q）tgα
5) 振动和冲击引起的动载荷
由于起重机是弹性系统，在骤然加载或减载时，会引起系统的弹性振动，这种振动会产生振动效应，通常把相应于振动应力的载荷称为振动载荷。

这是一种动力载荷。

对于金属结构和支承零件，由于起升机构工作时，被提升的重物骤然离地或下降时骤然制动，就会产生这种动力载荷；对应于传动零件，由于起重机各机构起动、制动要引起动力载荷，因而机构传动零件也要承受这种载荷。

为了便于计算，通常动力载荷以静载荷（当不平稳时还包括惯性载荷）乘以一个大于1的系数ϕ，系数ϕ称之为动载荷系数。

具体选取可分别按金属结构和传动零件由起重机设计手册所推荐的公式和数值进行计算和选取。

其动载荷可按下列近似公式计算：
ϕ=1+V
α
式中V ──重物起升速度（m/s）；
α──对于动臂型起重机α≈0.20~0.40
第三章履带底盘的设计
3.1 履带起重机底盘的组成
履带起重机底盘，主要由中间的车架、两侧的行走装置、传递上车动力与控制的中心回转体、提供行走机构运行动力的液压系统组成，在200吨及以上对四轮采用集中润滑的产品上还包括集中润滑系统。

其中，行走装置还包括履带架、行走机构、四轮一带。

图3-1 履带底盘
图中：序1、行走机构序2、行走装置序3、集中润滑
序4、车架序5、中心回转体序6、液压系统
图3-2 行走装置
图中：序1、履带架序2、四轮一带序3、行走机构
3.2 设计中作为参考的参数
履带底盘金属结构的设计需要明确知道上车经回转支承传递到履带底盘上的最终载荷，需要明确整机起重性能计算时设定的履带底盘倾翻线，给定履带底盘的大约重量，行走机构的设计需要明确整机的最大行走质量，行走速度需求，发动机能提供的转速、功率，。