机械原理四连杆门座式起重机

机械原理2013—2014学年
大作业
设计题目：四连杆式门座起重机
工作机构设计
姓名：瑞
学号： 20116447
专业班级： 11级铁道车辆一班
指导教师：何俊
2013/11/10
题目介绍、要求以及数据
设计题目：四连杆式门座起重机工作机构设计
一、设计题目简介
四连杆门座起重机
是通用式门座起重机,
广泛应用于港口装卸、
修造船厂、钢铁公司,主
要由钢结构、起升机构、
变幅机构、回转机构、
大车运行机构、吊具装
置（抓斗、简易集装箱
吊具、吊钩）、电气设备
及其它必要的安全和辅助设备组成。

通过四连杆控制在吊臂前后运动的时候）起吊节点保持水平高度不变。

二、设计数据与要求
题号起重量
t
工作幅度（米）起升高度（米）工作速度m/min 装机容量
KW L2 L1 H1 H2 起升变幅回转运行
C 10 25 8 15 9 50 50 1.5 25 330
三、设计任务
1、依据设计参数绘出机构运动简图，并进行运动分析，确定实现起
吊点轨迹的机构类型
2、依据提供的设计数据对四连杆起吊机构进行尺度综合，确定满足
使用要求的构件尺寸和运动副位置；
3、用软件（VB、MATLAB、ADAMS或SOLIDWORKS等均可）对执行机构
进行运动仿真，并画出输出机构的位移、速度、和加速度线图。

4、编写说明书，其中应包括设计思路、计算及运动模型建立过程
以及效果分析等。

5、在机械基础实验室应用机构综合实验装置验证设计方案的可行性。

第一章、四连杆式门座起重机的介绍
第一节、四连杆式门座起重机的概述
门座起重机是起重机的一种，是随着港口事业发展起来的。

第一次在港口上运用门座式起重机是在1890年将幅度不可变的固定式可旋转臂架型起重机横跨在窄型码头上，这是门座起重机的第一次运用。

在第二次世界大战之后港用门座起重机迅速发展，在发展的过程中门座起重机还逐渐应用到作业条件与港口相近的船台和水电站等工作地点。

图1-1 M10－30门座起重机总图
⒈电缆卷筒；2.转柱；3.门座；4.转台；5.机器房；6.起重量限制器；7.变幅机构；8.臂架系统；9.防转装置；10.吊钩装置；11.抓斗稳定器；12.抓斗；13.司机室；14.回转机构；15.起升机构；16.运行机构
1、机构的运动简图为：
2、起重机的起升机构为：
起升机构是起重机最主要的机构，用以实现重物的升降运动。

它是有电动机、卷筒、钢丝绳、滑轮组、减速器、制动器和吊钩组成。

滑轮是用来改变钢丝绳的受力方向的，可以作为导向滑轮，更多地用来组成滑轮组，它是起重机起升机构的重要组成部分。

卷筒在起升机构中用来卷绕钢丝绳，它将电动机的回转运动转换为重物升降或水平的直线运动。

制动器在起升机构中是不可缺少的组成部分，制动器的作用主要有：1、支持——保证重物能在空中保持不动；2停止——用摩擦消耗运动部分的动能，以一定的减速度使机构停止下来；3落重——制动器与重力平衡，重物以恒定的速度下降。

减速器可以用来改变转速，获得精准的转速，以达到减速的目的。

电动机通过联轴节与减速器的高速轴相连。

机构工作时，减速器的低速轴带动卷筒，将钢丝绳卷入或放出，经过滑轮系统，使吊钩实现上升或下降。

机构停止工作时，制动器使吊钩连同货物悬吊在空中，吊钩的升降靠电动机改变转向来达到。

3、起重机的变幅机构为：
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—象鼻架；
2—拉杆；3—机架；4—动臂
第三节、门座式起重机的分类
门座起重机可按照以下形式分为：
1、按照门架结构分：全门座起重机和半门座起重机
全门座起重机：具有完整的门架，两条运行轨道在同一水平面上半门座起重机：不具有完整的门架，两条运行轨道不在同一水平面上，一条铺设在地面上，另一条铺设在库房或者特质的栈桥上。

2、按照起重臂结构类型分：四连杆组合臂架门式起重机：净空高度比较大，起重机总高度较低；但结构复杂，重量较大。

单臂梁式门座起重机：净空高度比较小，起重机总高度较高；结
构较简单，总量较轻。

3、按照支撑装置结构分：转柱式门座起重机、定柱式门座起重机、转盘式门座起重机和大轴承式门座起重机。

4、按照用途分：装卸用门座起重机、造船用门座起重机和建筑安装用门座起重机
第二章、四连杆门座式起重机的分析
第一节、起重机的方案确定
方案一：平行四连杆臂
优点：重心易合成易确定，变幅过程中可以沿水平方向运动。

缺点：由于机构是平行四边形所以其稳定性不好，容易变形。

方案二：四连杆式臂架
四连杆式臂架可以用反转法求得，简图过程如下图所示。

此方案的优点：重心以及其他点可以精确的求得，而且相对平行四连杆臂而言有更好的稳定性。

经研究比较最终确定方案为四连杆式臂。

第二节、机构尺寸的确定以及计算
1、尺寸的确定：
由于题目中要求E 点做水平运动，并且给出围是在8~25米之间，根据设计需要，暂且确定摆动臂为24米，CD 间距离设为4米，DE 间距离设为10米，拉杆长度设为22米，A 、B 两脚支架的坐标分别为（0,0）和（-6,8）。

并且用ADMIS 软件进行调试验证，此数据可以使得机构正常运行。

2、计算过程：
如图，最大幅度时臂架、象鼻梁与水平线夹角的下线min α和min θ以及象鼻梁前后端长度L 和l 比值的选取实际设计时都有经验取值围：
min 40~50α︒︒= min 8~30θ︒︒= (0.35~0.5)l L =由图可求出象鼻
梁端点E 的坐标表达式：
cos cos sin sin E E x R L y R L αθαθ
=--=-22
0022
2arccos
arctan()H
S R S H α+=+-
sin arcsin R H L
αθ-=
图中A 点为坐标原点，l0为AD 的杆长，l1为AB 的杆长，l2为BC 间的杆长，l3为CD 间距离，l4为DE 间距离，l5为B 点的纵坐标长度，l6为B 点的横坐标长度；α为AD 杆与x 轴见得夹角，β为BC 杆与水平的夹角，r 为AB 杆与AD 杆见得夹角，θ为AB 杆与x 轴的夹角；H 为悬挂点的高度，即E 点的纵坐标长度。

其中l0、l2、l4、l5、l6均为已知，则： l7在三角形ABD 中根据余弦定理可得：
26
251l l l +=
l7²=l1²+l0²-2l1l0cosr →
l7=√l1²+l0²-2l1l0cosr;
式中的r=θ-α，tanθ=l5/l6；
在三角形BCD中根据余弦定理l2²=l7²+l3²-2l7l3cosФ1可得Ф1=cos-¹（l7²+l3²-l2²/2l7l3）
悬臂梁最大与最小夹角αmax、αmin计算公式：即α的取值围
当摆角α在最大幅度Rmax时，y=H=l0sinα-l4sinΨ
Ψ可以用α表示，因此可以求出αmin=41°；
同理可以求出当摆角α在最大幅度Rmin时αmax=77°
程序：
层：目标函数
function f=myfun1(x)；f=max(x(6))-min(x(6));
将该文件保存为optim1.m
约束条件、设计变量：
function [c,ceq]=mycon1(x)
amx=75*pi/2;smx=65;smn=31;H0=50;c(1)=x(1)-50*pi/180;
c(2)=40*pi/180-x(1);c(3)=x(2)-25*pi/180;c(4)=10*pi/180-x(2);c(5)=x(3)-0.5*x(8); c(6)=0.35*x(8)-x(3);c(7)=x(4)-0.24*x(7);c(8)=0.2*x(7)-x(4);c(9)=x(5)-0.4*x(7); c(10)=0.3*x(7)-x(5);c(11)=x(9)-amx;
c(12)=x(1)-x(9);ceq(1)=(-smx*tan(x(1))-H0)/((cos(x(2))*tan(x(1)))+sin(x(2)))-x( 8);
ceq(2)=(H0+x(8)*sin(x(2)))/(sin(x(1)))-x(7);
ceq(3)=acos((x(7)^2+H0+S0-x(8)^2)/(2*x(7)*sqrt(smn^2+H0^2)))+atan(-H0/smn)-x(9) ;
ceq(4)=asin((x(7)*sin(x(9))-H0)/x(8))-x(10);
ceq(5)=-x(7)*cos(x(9))+x(3)*cos(x(10))-x(11);
ceq(6)=x(7)*sin(x(9))+x(3)*sin(x(10))-x(12);
x(6)=sqrt((x(11)-x(4))^2+(x(12)-x(5))^2);
将该文件保存为optim1c.m
调用函数
x0=[40*pi/180，8*pi/180，10];
[x]=fmincon(optim1,x0,[],[],[],[],[],[],optim1c)
外层：设计变量：
目标函数：function f=myfun2(x)；f=max(x(2))-min(x(1));
将该文件保存为optim2.m
约束条件
function [c,ceq]=mycon2(x)
c(1)=x(3)-amx;c(2)=amn-x(3);
ceq(1)=-R*cos(x(3))-L*cos(sd)-x(1);
ceq(2)=R*sin(x(3))-L*sin(sd)-x(2);
将该文件保存为optim2c.m
调用函数
x0=[40*pi/180，22*pi/180，9.373];
[x]=fmincon(optim2,x0,[],[],[],[],[],[],optim2c)
最终确定杆长为：B （5,8）；R=15.57；L=10；l=4；
H0=8；θmin=20°；αmin=47.083°
结构如下图所示：
3、建模及仿真底座：
中间部分：
运动简图中的AD 运动简图中的BC 运动简图中的CE
装配图：
运动曲线：
X轴方向位移曲线
X轴方向速度曲线
X轴方向加速度曲线
Y轴方向位移曲线
运动仿真综合图：
总结
通过本次机械原理大作业的分析，让我学会了很多知识，其中最深刻最重要的就是真正的懂了这门课程的精华所在。

在做作业期间也曾预见到各种各样的困难，刚刚开始的时候感觉无从下手，手足无措，但是慢慢的通过到图书馆查阅书籍资料和在网上查找相应的资料，慢慢的解决这些问题。

在建模的时候运用三维软件进行建模从而更加了解了四连杆门座式起重机的工作原理，最后当仿真运动动画出来的那刻，我真的很激动。

在此同时也感老师在我做作业期间对我的指导和帮助。