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一种起重机的结构及装置机械原理计算与分析

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张佳宇

摘要：起重机是从传统工业逐渐发展起来，并在现代工业继续得到发展的大型机械装置，其作业范围广，作业条件要求宽松，随着核电行业的重启复苏，西部基建投资的加大，以及铁路网路轨的建设按照计划展开，起重机作为相关上下游产业，将获得较大的市场机会，因此分析目前的产业现状，对起重机进行适应性的优化设计，将为该行业开拓更广阔的市场。

关键词：起重机；转动关节；力矩；力的分布；稳定性

在日常生活中，大型机械设备已经出现在各个行业，其形态令我们眼花缭乱，比如起重机、潜水钻孔机、压路机、混凝土搅拌机等等。常见的起重设备有根据行走方式的区别可以分为履带式吊车与轮胎式起重机两种；轮胎式起重机一般用于码头或仓库应用，它一般用于吊装大型的集装箱。还有一种常见的起重机称为汽车起重机，其特点是不展开其中装置时其与汽车无异，而在展开时有需要有支撑装置保证其平稳而不会被吊起的重物失去平衡。

汽车起重机一般用于工程上，这种大型的机械设备自然而然就会存在一些隐患。比如汽车起重机，在日常生活中，这种机械设备当然不难见到，但是因为操作导致汽车起重机侧翻而造成财产损失或人员伤亡的事件屡见不鲜。出现这种事故的主要原因就是吊的重物超过了汽车起重机所规定的重量，其力矩超过了起重机的自重力矩导致起重臂损坏而使起重机侧翻。

按照上图所示结构，起重机由以下几个主要组成部分构成：

支腿主要负责起重的稳定性、起重臂负责具体实施吊装、转动卷筒负责力臂长短的调节、钢丝绳则相当于柔性受力机构，以上是起重机的主要结构。运行结构是通过起重机吊起后，通过底部支撑平台水平运行来实现水平搬运物料的结构。而变幅结构为臂架起重机特有的工作结构，它类似于人的手臂可以伸展握紧等动作，起重手臂则通过操纵变幅结构实现臂架的长度和仰角的变化，即力臂的变化，在许多特殊的情形中，由于力臂太大，将起重机的自重拔起，而导致了起重机侧翻。旋转结构是臂架绕着起重机的垂直轴进行旋转所采取的机械组成部分。起升结构类似于电梯的升降原理，是用来实现的垂直升降的结构，通过其实现在环形空间运移动物料，配合之前其他结构组成部分，起重臂可以实现3D空间的自由运转。

平常生活当中我们见到不少汽车起重机，不管是大型的或者稍微小型的起重机，它们在起吊货物之间都会将汽车两边的像支架的东西升起来，这是因为在起吊重型货物时，为了防止起重机在提重物时容易爆胎，或者把地面压烂，这些支腿可以分散压力，降低压强，加大与地面的接触面积，有些时候我们也会看到支腿下面还要垫大枕木的，这也是为了降低压强。

而汽车起重机的起重臂是其中最复杂最重要的部分，起重臂实际含多个转动关节，由于转动关节的互相串联使用，可以像手一般灵巧。吊臂为了灵活性，在设计主臂的基础上设计了副臂，汽车起重机副臂的作用是补充主臂的不足，当主臂的高度不能满足作业实际需求时，可以在主臂末端临时连接副臂，相当于延展了臂的作用范围，以达到在更高的高度提升重物的目的，如高层营救等特殊场合。但副臂一般只有一节臂，其横截面较小，刚度相对有限，只能提升较轻的物体。

如图为建筑工地上常见的塔式起重机示意图，这种起重机主要用于房屋建筑施工中物料的竖直或水平输送。

以下基于上图对其工作原理进行分析，分析将从静力学稳定性，力矩稳定性，稳定性改善措施以及起吊自由度等4个方面展开。

1 静力学稳定性

起重机在起吊的作业过程中其竖直方向上的力由起重机本身的自重，以及吊起物的质量之和组成，因为这两个力在过程之中不会改变，因此本文不研究在竖直方向上的静力学稳定性。

在水平方向，由于起吊时全重心在起重机自重重心之外，起重机本身对地之间的挤压力较小，只能产生较小的静摩擦力，而当重物举起过顶时，与地面有最大的挤压力，此时的静态稳定性最好：

从以上的分析可以看出，在静态二点稳定性，当起重机的设计重心确定后，其主要依靠在作业过程中的起吊幅度，如果转运幅度过大，则易引起起重機离地侧翻，破坏静态力学稳定性。

2 力臂稳定性

由于起重机的力臂由多根通过转动关节连接而成，即力臂是一组受力集合体，其最脆弱的受剪力部分在于转动关节，其次，由于设计可伸缩，则远端的力臂的截面积要远小于近端的截面积，因此从受力的强度来说，最近的一支有着最好的刚度，而最远的一支相对最为脆弱。

由杠杆的平衡条件可知，通过自重的平衡，塔式起重机的起重重量随起吊力臂的伸展幅度而变化，起吊幅度越大，起吊重量越小，然而，通过扩大起重机的地面支撑有效面积，则有效的伸展幅度将减小，从而达到了提升起重重力的效果，因此，在准备起吊重物时，通过起重机自身重心的就近调整，可以提高起吊的稳定性。

典型的，若最大起吊幅度为10M，配重距支架4M，若配重质量为3T，则该起重机最大起吊幅度时能吊起的重的估算过程为：

可知，当动力与动力臂不变时，阻力与阻力臂成反比，即阻力臂越大，阻力越小；阻力臂越小，阻力越大。

配重的重力为：G=mg=3000kg *10N/kg=300000（N）

根据杠杆平衡原理得：

起重机在最大起吊幅度时能吊起物体的重力

如图是液压起重机的示意图，O为支点，F1为动力，B为阻力作用点，已知B点悬挂了一个重量为4000KG的物体，OB为40米，已知动力臂OA为20米，根据杠杆的平衡原理估算F1动力为：

以上通过静力学平衡列出了力学方程，以及力矩方程，分析的前提是力学稳定性。

3 稳定性改善措施

随着在大型机械施工的复杂性提高，就如何在复杂地貌条件下去保证大型机械操作的安全性以及实用性，需要我们深入研究机械装置以及机械结构，对将来怎样改进这些大型的机械设备至关重要。

对于力臂较长的起重装置，在力臂上增设滑块，可以有效配平不对称重量，将稳定性提高，其理由在于：

其中活动滑块作为调度因子，可以作为调节项，起到均衡作用。

4 起吊自由度

起重臂具有类似人的手臂的灵活性，在设计中，参考了人体的运动规律和组成结构；考虑一个6自由度的机械手，其在作业过程中，机械手在从一个自由度构型移动到另一个自由度构型的时候，无法保持末端机构始终不动，既发生了扭转。由此可以证明，6自由度不满足实际应用条件，因此自由度必须不小于7个，但同时，大于7个的自由度，由产生了一个自由度的冗余，如果不考虑设计备份，则更多的自由度会带来2的幂次的控制复杂度。

在此基础上考虑的7个自由度，能保证在移动末端机构的朝向的过程中不会由侧向的位移和转动过程，因此移动的时候末端机构的三维位置可以维持平动。纵向又可以其余自由度通过调节高度来实现，因此7自由度实现了三维空间的自由移动。正如人手时进行类似打羽毛球的精细动作，这个情况下是人胳膊的末端机构即手的三维位置可以不变，而在扣球的瞬间通过扭动手腕实现切向加速。人能够实现这个复杂的动作，就是因为我们的胳膊恰好有7个自由度。如果将自由度减小至6个自由度的话，则最后的扭臂动作不能完成。同时因为自由度处对应扭转关节，即受剪力最弱部分，则自由度越多必然导致机械手刚性越差。考虑机械手有8个自由度，那么其折断的概率会更加很多。机器人学科中对机械手臂的研究已经证明这个问题。

5 起重机未来发展趋势

起重机未来的发展趋势一方面是市场容量的扩张，一方面时是细分类型的增长。随车起重机市场规模高速增长，预计未来五年中国随汽车市场规模达 150亿元。考虑到起重机向高吨位和高端化发展，伴随起重机市场设备单价上升，市场规模增速应大于销量增速，这就为其正常发展预留出了空间。在细分类型方面，大吨位汽车起重机加速渗透，作为起重机行业新的型号增长点。随着对起重机力学研究的深入，未来满足高空作业，以及恶劣条件作业的高稳定性产品也即将面世，丰富起重机的产品目录。

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