定柱式懸臂起重機結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析含proe三維及16張CAD圖+說明書
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****學(xué)院****屆畢業(yè)設(shè)計中英文翻譯
Crane Work Needs More Technique
The invention of crane has greatly increased people’s work efficiency .People can use crane to handle with huge articles which used to be taken a long time to do, especially in a small are The bridge type hoist crane is required to handle with huge accessory? or?huge device.
The birth worldwide industry early post-war years, the crane industry came to an aImost complete standstill. By the end of the decade, however, crane construction had diversified and spread around the world and the industry seemed infused with newfound energy that left it flourishing as never before. Lightweight cranes that arrived on site ready for use came to dominate construction sites as people realised the advantages of not having to dismantle them between jobs. These new designs did away with the need to have other lifting equipment assisting during rigging - a big contrast to the cumbersome rigging of previous designs. But, before all this could happen came the horrors of the Second World War. By 1940 of Europe was completely caught up in the conflict. By the time the war ended, Europe and other parts of the world had been subjected to extraordinary political, economic and social changes that would affect the entire fabric of society, including the construction and crane industries, for many decades to come. In the US, steam locomotives were starting to be replaced by diesel - by 1953 more than 50 per cent of all locomotives would be diesel. During the war the mass production of excavators, scrapers and cranes continued. 1940, for example, saw Thew launch the new 'Lorain Motocrane' series. This consisted of three cranes which, for the first time in history, were mounted on chassis built by the crane manufacturer itselfi The smallest crane, the MC-2, could lift 7.6 tonnes, the MC-2 9.9 tonnes and the MC-3 13.5 tonnes. These cranes were delivered to the army by the thousand, and were also mounted on portals for use as harbour cranes (the MC-4 model). The war had, of course, taken its toll on the number of able-bodied men available to work in the crane industry and there was a serious shortage of good crane drivers. At Thew, newcomers were taught crane operations over a two-day course presented by A.C Burch, an experienced mechanic and graduate of the Naval Academy, and L.K Jenkins. These two gentlemen were probably the originators of 'operator training' as we know it today. As they had actually designed the Motocrane, both knew it inside out and were pleased to pass on this knowledge.
When the Japanese National Railways committed itself to buying the prototype of a machine designed to remove railway clips, the tide turned. The machine worked splendidly and iVlasuo Tadano toured Japan showing on 35 millimetre film just what it could do. He collected numerous orders for the machine along the way and at the same time seems to have been an early pioneer of the company videos so beloved by today's marketing professionals!
Other countries were also building noteworthy cranes. Italy, in particular, was developing into a source of innovative ideas for the industry.In1948 in Legnano,near Milan,Carlo Raimodi built his first slewing tower crane,a classic top slewer The company was originally established in 1863 as a foundry and had, until making its crane debut, built machines and components for the millwright and other industries. There was now a worldwide boom in construction and this attracted the attention of specialist equipment manufacturers, many of whom followed the launch of crane ranges with the introduction of concrete mixing equipment. This combination of equipment was supplied in a variety of forms: Reich, Ibag and Liebherr, for example, supplied cranes and concrete mixing machines designed to be used together. Important slewing tower crane manufacturer.
The bridge type hoist crane car consists of protmoted organization，the car frame，the car movement organization，hoisting mechanisms and so on. Its operation structure is composed of reducer，the driving wheel group，the driven wheel group，the transmission shaft and some connect fitting. The core of this structure is the design of the reducer.
This bridge type hoist crane is be used to the hydroelectric power station. It is installed in the expanded workshop of Fengman water and electricity station.It is used to installing,examining and repairing the water-turbine generator set and its accessorial equipments.the equipments in the water and electricity station are large?or?medium-size. These equipments have a high request on the load of bridge type hoist crane , so they also have a high request on the capability of the reducer.
Grab bridge bridge crane is running on the elevated track, the car driven by the lifting of materials crawl grab a bridge-crane. Bridge laying on both sides along the elevated track on the vertical run, lifting trolley along the bridge in laying the track on the horizontal run, a rectangular scope of work, you can make full use of space below the bridge lifting material from Ground equipment hindered. Grab bridge cranes widely used in power plants, Mei Chang, and other needs of bulk material handling of the occasion, because of the heavy equipment, transportation difficulties installation, testing the quality of their products in general need in the field. Therefore, control equipment requirements for wiring, small size and portability. And the use of fixed-site conditions, also called a random testing equipment manual control functions to ensure the safety of operation. With the lifting of the transport requirements of the mechanical control continuously improve, more and more advanced means of control. At present the domestic bridge crane control system requires people at the scene to control, control methods are backward. In small and medium-sized crane, the most direct control over the use of controllers, car running, Lord, vice hook upgrade, dropped weights and speed
Crane work needs more technology. Construction of tower cranes are the main vertical transportation equipment and also a measure of construction companies and equipment strength of the important logo, in today's increasingly competitive construction market, to meet the construction needs of many construction companies have bought the tower crane. With the tower crane at the construction site of the widely used by the tower crane accident also caused more and more to people's lives and property brought about great losses. According to national statistics, the departments concerned, the tower crane accident rate reached 2.77 percent. Its security problem is still the urgency of the construction
Loose training, testing and oversight requirements for the people who work around construction cranes have fostered a false sense of security in our industry. The recent deadly tower-crane collapse at a congested New York
City building site should be a wake-up call for us to question and step up our current safety practices.
Training and testing is king when it comes to safety. But the construction industry is putting unqualified personnel in the seats of construction cranes, even with today's testing. In many places, no experience is necessary after passing a standardized test. One week of study will give some people enough knowledge to pass a certification examination, and then they can jump into the cab of a crane.
Imagine that a commercial airline pilot had the same training as a certified crane operator. How would you feel the next time you decided to fly? In California, it takes more hours of training to wield a pair of scissors in a hair salon than to operate potentially dangerous lifting machinery. How does this make sense?
Riggers and signal persons also need standard training and testing to ensure safety under the hook. Employers usually allow any craft to signal a crane on a jobsite, despite best practices that require only qualified people do so. How is it then that uncertified and untrained people are allowed to signal and rig under the hook of a licensed or certified operator?
Tower cranes are particularly risky as urban sites become more congested, and the risk of a catastrophic event is very high during climbing operations. Yet most tower-crane climbing crews are trained in a non-traditional manner, via secondhand knowledge that has been passed down over time. The problem with this type of hand-me-down knowledge is that it changes over the years, leaving out small-but-important details along the way. This "osmosis" of knowledge leads crews to develop their own tricks for climbing cranes, often forsaking basic safety in an attempt to save time and energy.
In many cases, there are no safety devices or alarms to warn of a serious problem. Climbing crews are subjected to pressures that affect safety-critical decision-making. It is not uncommon for climbs to continue with damaged or leaking hydraulic systems, out-of-adjustment or jammed guide rollers, often working in the dark and for extended hours. This "MacGyver" method of climbing, where every jump becomes a new adventure, should not be the norm.
Climbing-frame designs vary among manufacturers, but the operational steps are similar in principle. The climbing process is relatively straightforward, with a mixture of physical work and technical procedure. It is not complex; it is more about knowing the proper sequence of what needs to be done and then following the steps, one by one, making sure each step has been successfully completed before moving onto the next. It is essential that everyone know exactly what is going on and what the dangers are at every stage.
When these needs are satisfied, crane operations should be carried out in strict accordance with the manufacturers' instructions, engineering principals and governmental laws. But industry stakeholders and lawmakers need to step up their lax standards to protect the public. New York City residents, who have seen their homes turned into dust and debris, would be shocked at the way the industry deals with these issues.
That's why the industry needs standardized training, testing and oversight for this work, including a practical assessment of competence. Technicians should have model-specific training directly from the manufacturer, along with a level of practical experience. Inspectors, too, should be required to have specific technical training. They should be independent from all aspects of installation and maintenance to allow for objective decisions. Key personnel on erection crews should have standard training and testing.
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起重機工作需要很多科技
起重機的出現(xiàn)大大提高了人們的勞動效率，以前需要許多人花長時間才能搬動的大型物件現(xiàn)在用起重機就能輕易達到效果，尤其是在小范圍的搬動過程中起重機的作用是相當明顯的。
戰(zhàn)后的前幾年，世界性的工業(yè)誕生了，起重機行業(yè)幾乎完全停止。然而到這個年代末，起重機的建造變得多元化并傳播到世界各地，它的前所未有的蓬勃發(fā)展似乎整個工業(yè)注入了新能源。輕型起重機投入到工作地點并準備作為主要機械，因為人們意識到了在工作間不用拆除他們的的優(yōu)點。這些新的設(shè)計也不再需要其他起重設(shè)備協(xié)助操縱——相比以前在安裝前要進行繁瑣的設(shè)計。但是，在這一切之前發(fā)生了恐怖的第二次世界大戰(zhàn)。到1940年，歐洲完全陷入了戰(zhàn)爭中。到戰(zhàn)爭結(jié)束后的幾十年來，歐洲和世界其他地區(qū)發(fā)生了巨大的政治，經(jīng)濟和社會變化，將影響整個社會結(jié)構(gòu)，包括建造業(yè)和起重機行業(yè)。在美國，蒸汽機已開始改為柴油機——到1953年超過百分之五十的機車將使用柴油機。戰(zhàn)爭期間，挖掘機，鏟運機和起重機的大規(guī)模生產(chǎn)在繼續(xù)。例如1940年，看到Thew推出新的'Lorain Motocrane'系列。這其中包括三種起重機，是歷史上首次自身安裝了底盤的起重機。最小的MC - 2 ，起重量達7.6噸， MC – 2起重量為9.9噸，MC – 3起重量為13.5噸。這些起重機許多被用于軍隊，有的還安裝在港口用作港灣式起重機（在MC - 4型） 。當然，這場戰(zhàn)爭已經(jīng)削弱了能在起重機行業(yè)工作的健壯的男人的數(shù)量，并且優(yōu)秀的起重機司機嚴重短缺。在Thew ，一位畢業(yè)于美國海軍學(xué)院的經(jīng)驗豐富的技工A C Burch和L K Jenkins進行了為期兩天的起重機業(yè)務(wù)課程的教授。這兩位紳士好比是我們今天所知的“經(jīng)營者培訓(xùn)”的創(chuàng)始人。他們實際上已設(shè)計了動力起重機，都深深地了解起重機，并很高興傳授這方面的知識。
當日本國家鐵路公司致力于采購一種旨在搬動鋼軌扣板的原型機，潮流逆轉(zhuǎn)。該設(shè)備工作極為出色。iVlasuo Tadano環(huán)游日本，用35毫米的電影展示該設(shè)備的強大用途。沿路上，他獲取了大量訂單。同時，他好像成為當今市場營銷專家所寵愛的公司影像傳播的先驅(qū)！
其他國家也在大力發(fā)展起重機。特別是意大利，逐漸發(fā)展成為該行業(yè)的創(chuàng)新基地。1948年Carlo Raimodi在米蘭附近的Legnano，首次建造了回轉(zhuǎn)塔式起重機，一種經(jīng)典的頂端回轉(zhuǎn)起重機。公司最初成立于1863年，在生產(chǎn)起重機之前，是一間鑄造廠并為技工和其他行業(yè)生產(chǎn)機械設(shè)備。當時全球建筑業(yè)空前繁榮，吸引了專業(yè)設(shè)備制造商的注意。其中許多公司在推廣起重機后，推出了混凝土攪拌設(shè)備。提供了多種不同組合，例如，Reich，Ibag和Liebherr設(shè)計開發(fā)了起重機與混凝土攪拌設(shè)備一起使用的組合。
橋式起重機小車運行機構(gòu)設(shè)計主要包括起升機構(gòu)、小車架、小車運行機構(gòu)、吊具等部分。其中的小車運行機構(gòu)主要由減速器、主動輪組、從動輪組、傳動軸和一些連接件組成。橋式起重機是水電站橋式起重機，安裝于豐滿水電站擴建工程廠房內(nèi)，用于水輪發(fā)電機組及其附屬設(shè)備的安裝和檢修工作。水電站內(nèi)設(shè)備一般都是大中型設(shè)備，對橋式起重機的載荷要求較高，所以對減速器性能要求較高。
橋式抓斗起重機是橋架在高架軌道上運行，由起重小車帶動抓斗抓取物料的一種橋架型起重機。橋架沿鋪設(shè)在兩側(cè)高架上的軌道縱向運行，起重小車沿鋪設(shè)在橋架上的軌道橫向運行，構(gòu)成矩形的工作范圍，就可以充分利用橋架下面的空間吊運物料，不受地面設(shè)備的阻礙。橋式抓斗起重機廣泛應(yīng)用于電廠、煤廠等需要散料裝卸的場合，由于該設(shè)備笨重，運輸安裝困難，對其產(chǎn)品質(zhì)量檢測一般需要在現(xiàn)場進行。所以要求控制設(shè)備接線方便，體積小便于攜帶。又由于使用現(xiàn)場條件不動，還要求檢測設(shè)備有隨機手動控制功能，以保證運行時的安全。隨著對起重運輸機械控制要求的不斷提高,控制手段也越來越先進。目前國內(nèi)的橋式起重機控制系統(tǒng)都需要人在現(xiàn)場進行控制，控制方式都比較落后。在中小型起重機中, 大都采用控制器直接控制大、小車運行, 主、副鉤提升、下降重物及調(diào)速。
塔式起重機是建筑施工垂直運輸?shù)闹饕O(shè)備，也是衡量一個建筑施工企業(yè)裝備實力的重要標識，在當今競爭日益激烈的建筑市場，為滿足施工需要，很多施工企業(yè)都購置了塔式起重機。隨著塔式起重機在施工現(xiàn)場的廣泛使用，由塔式起重機引發(fā)的傷亡事故也越來越多，給人民的生命財產(chǎn)帶來重大損失。據(jù)國內(nèi)有關(guān)部門統(tǒng)計資料表明，塔式起重機的事故率已達2.77%。其安全問題仍然是建筑施工中的憂患。
松散的培訓(xùn)，測試和監(jiān)督的要求, 周圍的建筑起重機給這些工作的人樹立了一種虛假的安全感，在我們的行業(yè)。最近塔式起重機倒塌在一個繁忙的紐約市建筑地盤應(yīng)敲響警鐘，提醒我們問題的存在，并加強我們目前安全的做法。
當談到安全問題時，訓(xùn)練和測試是關(guān)鍵。不過，建造業(yè)是把不合格人員放在建筑起重機的駕駛位上，甚至沒有通過今天的測試。在許多地方，沒有任何經(jīng)驗必須合格的通過標準化的測試。一周的學(xué)習(xí)將給予一些人足夠的知識足以通過認證考試，然后他們可以跳轉(zhuǎn)到的起重機的駕駛室。
想象一下一個商業(yè)航空公司飛行員和一個認證的起重機操作員有相同的訓(xùn)練。你會如何感覺，下一次你決定要坐飛機？在加利福尼亞州，掌握一對剪刀在頭發(fā)沙龍比操作有潛在危險的起重機械需要更多的時間訓(xùn)練。如何，這是否合理？
裝配工人和發(fā)信號的人也需要標準的培訓(xùn)和測試，以確保安全下鉤。雇主通常允許任何工人發(fā)信號指揮起重機上工地 ，盡管最佳做法是需要合格的人這樣做。怎么能允許那么無證和未受過訓(xùn)練的人來代替有工作證或經(jīng)核證的操作者呢？
塔式起重機是特別危險的，尤其是在市區(qū)用地變得更加擁擠時。攀登行動更是一個風(fēng)險的行動，其災(zāi)難性非常高。然而，大多數(shù)塔式起重機攀登員的訓(xùn)練，在一個非傳統(tǒng)的方式，通過二手知識已流傳一段時間。問題與這種類型的現(xiàn)成的知識是，多年來，留下來的非常少，但最重要的細節(jié)卻丟失了。這種“滲透”的知識，導(dǎo)致操作者只能發(fā)展自己的技巧攀登起重機，往往放棄基本的安全，企圖以節(jié)省時間和能源.
在許多情況下沒有安全裝置或警報來提醒嚴重的問題的存在。攀登人員容易遭受到影響安全性至關(guān)重要的決策所帶來的壓力。攀登時，使用損壞或泄漏的液壓系統(tǒng)，沒有任何的調(diào)整，這并不鮮見。在黑暗中工作和延長工作時間是時有發(fā)生的。這種攀登方法，其中的每一次攀登都會成為新的冒險，不應(yīng)該作為規(guī)范被采納。
攀爬架的設(shè)計，在制造商之間存在不同，但設(shè)計的步驟在原則上是相似的。攀登過程中是相對比較明了的，配合著的體力勞動和技術(shù)程序。這是并不復(fù)雜，它是更多地了解知道正確的序列需要做什么，然后按照下列步驟，一個又一個，確保每一步在做下一步前成功完成。這是十分重要，每個人都清楚的知道事情進展的怎么樣，在每一個階段存在什么樣的危險。
當這些需要得到滿足，起重機作業(yè)應(yīng)進行嚴格按照有關(guān)制造商的指示，工程原則和政府的法律。但業(yè)內(nèi)人士和國會議員，要加強他們的寬松標準，以保障公眾利益。看到自己的家園變成了塵埃和碎片的紐約市居民，會對處理這些問題的方式感到震驚。
這就是為什么業(yè)界需要規(guī)范的培訓(xùn)，測試和監(jiān)督，其中包括一個實際的評估能力。技術(shù)人員應(yīng)該隨著實際經(jīng)驗的提升，直接從制造商哪里獲得標準訓(xùn)練。視察員同樣也也須有具體的技術(shù)培訓(xùn)。他們應(yīng)獨立于安裝和維修的各方面，這由客觀決定。架設(shè)的關(guān)鍵人員應(yīng)該有標準的訓(xùn)練和測試.
定柱式懸臂起重機結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析
摘要：
定柱式懸臂起重機是由立柱、回轉(zhuǎn)臂、懸臂驅(qū)動裝置和電動葫蘆組成。立柱下端底座通過地腳螺栓固定在混凝土基礎(chǔ)上，由電機帶動減速機驅(qū)動裝置使懸臂回轉(zhuǎn)，電動葫蘆在懸臂工字鋼上作往返運行作業(yè)。它的特點有：自重輕，懸臂長，起重量大，安裝、操作、維修簡單。它們完全獨立，是一種理想的工作崗位起重機，并適用于室外的貨場和裝卸平臺。定柱占地面積小。對于起升凈空非常小的情況下也能獲得最大的起升高度。
本設(shè)計從整體設(shè)計出發(fā)，依次設(shè)計計算了2t定柱式懸臂起重機的懸臂和立柱的主要機構(gòu)部件。選取了螺栓，開式齒輪等主要零部件。設(shè)計了符合要求的懸臂結(jié)構(gòu)，并校核了軸承，焊縫強度和轉(zhuǎn)動軸鍵的強度和剛度等力學(xué)性能參數(shù)。在設(shè)計過程中，運用優(yōu)化設(shè)計的方法，使各個結(jié)構(gòu)盡量達到最合理的布置和選擇。
關(guān)鍵詞:定柱式懸臂起重機金屬結(jié)構(gòu)
****學(xué)院****畢業(yè)設(shè)計說明書
column cantilever crane’s structure design and analysis
Abstract:
Slewing cantilever crane is a column, rotating arm, cantilever drive and the composition of electric hoist. Column bottom of the base fixed to the concrete foundation by anchor bolts on the gear driven by the motor drives the cantilever rotary, electric hoist for the cantilever-beam on the run from job . Its characteristics are: light weight, arm length, lifting capacity, installation, operation and maintenance simple. They are completely independent, is an ideal job cranes, and applies to the outdoor yard and loading platforms. Set column small footprint. For lifting the case of very small clearance can get the Maximum lifting height.
At the beginning of this design of main mechanism of 0.8t in the column cantilever crane cantilever and the column component calculation.The main parts such as bolts, open gear. Designed to meet the requirements of the cantilever structure, and check the bearing, weld strength and the rotating shaft to bond strength and stiffness and other mechanical properties. In the design process, using the method of optimal design, the structure to achieve the most reasonable layout and selection.
Key words: Slewing cantilever crane Metal structure
目錄
1 緒論 1
1.1 課題的背景 1
1.2國內(nèi)外定柱式懸臂起重機的現(xiàn)狀與發(fā)展前景 2
1.2.1 國內(nèi)起重機現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 2
1.2.1 國外起重機現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 2
1.3 本設(shè)計的主要內(nèi)容、目標和方法 3
1.3.1主要內(nèi)容 3
1.3.2目標 3
1.3.3方法 3
1.4定柱式旋臂起重機設(shè)計制造中應(yīng)注意的問題 4
1.4.1 撓度設(shè)計 4
1.4.2 導(dǎo)繩器的設(shè)計 4
2 懸臂起重機基本參數(shù)確定 5
2.1起重機結(jié)構(gòu)方案的擬定 5
2.2起重機主要目標設(shè)計參數(shù)的確定 6
2.2.1 基本參數(shù)的選擇 7
2.2.2 電動葫蘆的選擇 8
3 關(guān)鍵零部件設(shè)計 11
3.1懸臂工字鋼尺寸確定 11
3.2緩沖器的選擇 11
3.2.1緩沖器型號的選擇 11
3.2.2緩沖器參數(shù)的選擇 12
3.2.3緩沖器強度校核 12
3.3橫梁結(jié)構(gòu)尺寸的確定及校核 12
3.3.1橫梁簡化模型 12
3.3.2橫梁結(jié)構(gòu)尺寸的確定 13
3.3.3橫梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析及強度校核 14
3.4立柱尺寸及強度校核 15
3.4.1立柱相關(guān)尺寸確定 15
3.4.2立柱強度校核 17
3.7定柱式旋臂起重機撓度計算 17
3.8立柱外形尺寸設(shè)計 19
3.9法蘭盤尺寸的計算 20
3.10地腳螺栓強度校核 21
3.11 定柱式旋臂起重機確定參數(shù) 21
4 懸臂起重機三維實體建模及二維圖 22
4.1 起重機的三維實體建模 22
4.1.1 橫梁的建模 22
4.1.2 立柱的建模 22
4.1.3立柱與軸承室連接 23
4.1.4軸承室主要零部件的建模 23
4.1.5 斜臂支撐部分建模 24
4.1.6 球面墊圈、錐面墊圈 24
4.1.7 整體裝配 25
4.2 懸臂起重機二維圖 25
4.2.1起重機總體結(jié)構(gòu)圖 25
4.2.2橫梁 26
4.2.3軸承室 27
4.2.4立柱 27
4.2.5法蘭盤 28
4.2.6立柱外筋板 28
4.2.7滾道 29
4.2.8滾輪及其支架 30
4.2.9懸臂支架 30
4.2.10立軸 31
5 關(guān)鍵零部件有限元分析 32
5．1 工程有限元分析的基本步驟 32
5．2 主梁建立實體模型分析 33
5．3 主梁分析報告 35
5.3.1 主梁應(yīng)力結(jié)果 35
5.3.2 主梁應(yīng)變結(jié)果 36
5.3.3 主梁位移結(jié)果 37
5.3.4 主梁設(shè)計檢查結(jié)果 39
5．4 立柱建立實體模型分析 39
5．5 立柱分析報告 42
5.5.1 立柱應(yīng)力結(jié)果 43
5.5.2 立柱應(yīng)變結(jié)果 43
5.5.3 位移結(jié)果 44
5．6 設(shè)計改進 45
6 軸承的選用與裝配體 48
7 總結(jié) 49
參 考 文 獻 50
致謝 51
1 緒論
1.1 課題的背景
懸臂起重機是近年發(fā)展起來的中小型起重裝備，結(jié)構(gòu)獨特，安全可靠，具備高效、節(jié)能、省時省力、靈活等特點，三維空間內(nèi)隨意操作，在短距、密集性調(diào)運的場合，比其它常規(guī)性吊運設(shè)備更顯示其優(yōu)越性。本產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)的不同場所。懸臂起重機工作強度為輕型，起重機由立柱，回轉(zhuǎn)臂回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置及電動葫蘆組成，立柱下端通過地腳螺栓固定在混凝土基礎(chǔ)上，由擺線針輪減速裝置來驅(qū)動旋臂回轉(zhuǎn)，電動葫蘆在旋臂工字鋼上作左右直線運行，并起吊重物。起重機旋臂為空心型鋼結(jié)構(gòu)，自重輕，跨度大，起重量大，經(jīng)濟耐用。定柱式懸臂起重機又稱立柱式懸臂起重機，起重量在125Kg-5000Kg，定柱式旋臂吊具有結(jié)構(gòu)新穎、合理、簡單、操作方便、回轉(zhuǎn)靈活、作業(yè)空間大等優(yōu)點，是節(jié)能高效的物料吊運設(shè)備，可廣泛適用于廠礦、車間的生產(chǎn)線、裝配線和機床的上、下工作及倉庫、碼頭等場合的重物吊運。定柱式旋臂吊根據(jù)其旋臂所使用型鋼的不同可以分為：BZD型和BZD-JKBK型。近年來，隨著電子計算機的廣泛應(yīng)用，許多起重機制造商從應(yīng)用計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)（CAD），提高到應(yīng)用計算機進行起重機的模塊化設(shè)計。根據(jù)市場調(diào)查預(yù)測的統(tǒng)計數(shù)字和積累的資料、圖表、圖線規(guī)律，在嚴密的科學(xué)理論指導(dǎo)下，擬定起重機結(jié)構(gòu)、機構(gòu)、部件等多層次的標準化、模塊化單元。起重機采用模塊單元化設(shè)計，不僅是一種設(shè)計方法的改革，而且將影響整個起重機行業(yè)的技術(shù)、生產(chǎn)和管理水平，老產(chǎn)品的更新?lián)Q代、新產(chǎn)品的研制速度都將大大加快。對起重機的改進，只需針對幾個需要修改的模塊；設(shè)計新的起重機只需選用不同的模塊重新進行組合；提高了通用化程度，可使單件小批量的產(chǎn)品改換成相對批量的模塊生產(chǎn)。亦能以較少的模塊形式，組合成不同功能和不同規(guī)格的起重機，滿足市場的需求，增加競爭能力。隨著我國國民經(jīng)濟建設(shè)進一步深入，商品流通量大幅度增加，交通運輸業(yè)快速發(fā)展，起重運輸機械的需求量越來越大，其實用性能的要求也越來越高。懸臂起重機設(shè)備，非常適用五噸以下的工件定點頻繁起吊運輸。在機械加工領(lǐng)域，懸臂起重機具有強大的購買市場和廣闊的發(fā)展前景。
1.2國內(nèi)外定柱式懸臂起重機的現(xiàn)狀與發(fā)展前景
1.2.1 國內(nèi)起重機現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
中國的起重機產(chǎn)業(yè)誕生于上世紀70年代，經(jīng)過40余年的發(fā)展，經(jīng)歷了70年代引進蘇聯(lián)技術(shù)，80年代初引進日本技術(shù)和90年代初引進德國技術(shù)等三次主要技術(shù)改進，始終走著一條自主創(chuàng)新的道路。2000年以來，隨著國內(nèi)外技術(shù)交流的日益頻繁和國產(chǎn)自主研發(fā)能力的顯著增強，更多的國外先進技術(shù)被成功引進應(yīng)用，并進行了自主創(chuàng)新，獲得自主知識產(chǎn)權(quán)。隨著國產(chǎn)起重機產(chǎn)業(yè)制造水平的全面提升，與國外先進技術(shù)的差距不斷縮小，中國起重機產(chǎn)品開始在國際市場上體現(xiàn)出明顯的競爭力。懸臂起重機設(shè)備屬于通用機械，在二十多年高速發(fā)展過程中，已經(jīng)逐漸實現(xiàn)了規(guī)模化、集團化、機械化。在輔助加工生產(chǎn)中和自動化的作用，大大提高了勞動生產(chǎn)效率，減輕工人勞動強度。具有工作平穩(wěn)可靠，操作維護簡單、方便等優(yōu)點。根據(jù)當前我國情況來看，機械工業(yè)處于上升勢頭，汽車工業(yè)、機動車行業(yè)都處于強省發(fā)展期。專家預(yù)測，隨著國民經(jīng)濟的的增長，機械行業(yè)有很長一段時間處于旺盛發(fā)展階段，整體機械行業(yè)以及未來發(fā)展過程中，懸臂起重機的使用處于不可替代、不可缺少的地位，在整體工業(yè)化過程中發(fā)揮著重要的輔助生產(chǎn)的作用。因此，我們在設(shè)計中應(yīng)大膽采用先進的設(shè)計理念，充分利用計算機輔助工藝規(guī)劃、計算機輔助制造、柔性自動化系統(tǒng)等新技術(shù)、新工藝，縮短設(shè)計和生產(chǎn)周期、降低成本，調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、企業(yè)結(jié)構(gòu)，增強企業(yè)參與市場競爭的能力，使中國起重機制造行業(yè)趕上世界先進水平。
1.2.1 國外起重機現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
近二十年來，世界工程起重機行業(yè)發(fā)生了很大變化，世界工程起重機市場進一步趨向一體化。目前世界工程起重機年銷售額已達75億美元左右，主要生產(chǎn)國為美國、日本、德國、法國、意大利等，世界頂級公司有十多家，主要集中在北美、亞洲（日本）和歐洲。美國既是工程起重機的主要生產(chǎn)國，又是最大的世界市場之一。但由于日本、德國起重機工業(yè)的迅速發(fā)展，美國廠商在世界市場獲取的主導(dǎo)地位逐步受到削弱，從而形成了美國、日本和德國三足鼎立之勢。
1.3 本設(shè)計的主要內(nèi)容、目標和方法
1.3.1主要內(nèi)容
該課題是以定柱式懸臂起重機的結(jié)構(gòu)設(shè)計為主要內(nèi)容的機械產(chǎn)品設(shè)計，課題涉及機械結(jié)構(gòu)與傳動、機械加工與裝配等。其中，分析了該起重機所要求實現(xiàn)的功能和相應(yīng)結(jié)構(gòu)，了解起重機的工作原理，基本結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)組成及功能，掌握PROE的使用技術(shù)并完成橋式起重機的三維建模，繪制關(guān)鍵零部件的二維工程圖，并學(xué)會運用軟件做有限元分析。參考其他文獻可知，定柱式旋臂起重機主要由上立柱、下立柱、主梁、主梁拉桿、起升機構(gòu)（電動葫蘆）、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、電氣系統(tǒng)、爬梯及檢修平臺組成，其結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，操作方便可靠。本研究主要是對該起重機的懸臂梁設(shè)計及旋轉(zhuǎn)功能部分的機構(gòu)設(shè)計及參數(shù)的選擇。包括起升，回轉(zhuǎn)，變幅及金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計。最終使其能很好地實現(xiàn)起重機的運行，而且互不干涉且配合良好。并且通過此次設(shè)計，要提高自己的分析問題和解決問題的能力，將自己所學(xué)運用到實際的工作中，提高自己的實踐能力。此次設(shè)計主要取長補短，利用現(xiàn)有各種關(guān)于起重機械技術(shù)的優(yōu)點，結(jié)合實際對定柱式旋臂起重機做出更合理的設(shè)計。
1.3.2目標
本次設(shè)計為2T定柱式懸臂起重機，完成了定柱式懸臂起重機懸臂和立柱等構(gòu)件的設(shè)計驗算。功能實現(xiàn)合理，結(jié)構(gòu)簡單適用，工作可靠。
1.3.3方法
懸臂起重機由立柱，回轉(zhuǎn)臂回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置及電動葫蘆組成，立柱下端通過地腳螺栓固定在混凝土基礎(chǔ)上，由擺線針輪減速裝置來驅(qū)動懸臂回轉(zhuǎn)，電動葫蘆在懸臂工字鋼上作左右直線運行，并起吊重物。如圖1-1：
圖1-1 定柱式懸臂起重機簡圖
本設(shè)計采用規(guī)范的設(shè)計計算對定柱式懸臂起重機各結(jié)構(gòu)進行了分析。首先，通過查閱相關(guān)書籍和資料，學(xué)習(xí)定柱式懸臂起重機的相關(guān)知識，了解定柱式懸臂起重機的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀，掌握定柱式懸臂起重機金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，學(xué)習(xí)并掌握PROE繪圖軟件的使用，掌握一般的繪圖方法和計算分析步驟；其次，根據(jù)現(xiàn)今國內(nèi)外生產(chǎn)定柱式懸臂起重機采用的各種結(jié)構(gòu)類型，結(jié)合課本知識和參考文獻信息，設(shè)計符合使用要求的結(jié)構(gòu)；然后，根據(jù)參考文獻，分析定柱式懸臂起重機的受力情況，并對定柱式懸臂起重機的緩沖器，橫梁結(jié)構(gòu)，立柱，地腳螺栓進行校核，檢驗結(jié)構(gòu)的靜剛度、強度和穩(wěn)定性。本文還對結(jié)構(gòu)進行了PROE三維和二維繪圖，便于生產(chǎn)制造。以及運用有限元分析軟件進行了有限元的分析。
1.4定柱式旋臂起重機設(shè)計制造中應(yīng)注意的問題
1.4.1 撓度設(shè)計
JB／T8906--1999《懸臂起重機》5．2．4條允許下?lián)隙纫螅捍怪毕聯(lián)隙葢?yīng)達到這樣的程度以保證：(1)臂架上運行的小車在正常作業(yè)時不會失控；(2)臂架不能自行回轉(zhuǎn)；起重機設(shè)計應(yīng)使額定起重量在有效半徑處產(chǎn)生的垂直下?lián)隙葟S不應(yīng)超過：(R+UA)/250；其中R為有效半徑；UA為工作地面至懸臂下側(cè)的高度。
1.4.2 導(dǎo)繩器的設(shè)計
采用單層纏繞的電動葫蘆應(yīng)設(shè)置導(dǎo)繩器；當采用導(dǎo)繩器時，應(yīng)能保證當?shù)蹉^下降，鋼絲繩沒有其他外力作用時，鋼絲繩仍能自由地從導(dǎo)繩的出口中排出，當起升、下降額定載荷，鋼絲繩對卷筒軸線垂直面的偏角為30°，能正常工作。
2 懸臂起重機基本參數(shù)確定
本次設(shè)計的目標是設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單，占地空間少，作業(yè)范圍大，操作方便，轉(zhuǎn)動靈活，適用于車間，倉庫及車間等固定場所的懸臂起重機。通過一定的市場調(diào)查后，初步總結(jié)為：
（1） 市場需求的絕大多數(shù)懸臂梁起重機為輕中級工作制，起重量在5噸和5噸以下的中小型號。
（2）為能在環(huán)境復(fù)雜的倉庫、車間等各種工況下正常工作必須具備占地空間小，轉(zhuǎn)動靈活和工作范圍大的特點。
（3）由于日常作業(yè)量普遍較大，所以要求起重機必須結(jié)構(gòu)簡單，便于拆裝維護。
2.1起重機結(jié)構(gòu)方案的擬定
對于立柱式懸臂起重機來講，按產(chǎn)品構(gòu)造分主要分為以下幾種：
A.具有下支座的立柱式旋臂起重機： 回轉(zhuǎn)角度≤270° (見圖2-1)；
B.具有下支座的立柱式旋臂起重機： 回轉(zhuǎn)角度≤360° (見圖 2-2)；
C.具有上下支座的立柱式旋臂起重機： 回轉(zhuǎn)角度≤360°(見圖 2-3)。
這三種構(gòu)造分類中，方案A的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度最為簡單，它的懸臂驅(qū)動裝置的驅(qū)動軸與立柱軸線并不在一條直線上，這種結(jié)構(gòu)使懸臂驅(qū)動裝置獨立于立柱之外，另外設(shè)立懸臂回轉(zhuǎn)軸，簡化了立柱的結(jié)構(gòu)。但是，由于懸臂回轉(zhuǎn)軸與立柱軸線并不共線，懸臂的回轉(zhuǎn)會受到立柱的阻礙，所以沒有辦法使懸臂的回轉(zhuǎn)角度達到360°。經(jīng)過估算這種結(jié)構(gòu)所能達到的最大回轉(zhuǎn)角度只可以達到270°，應(yīng)此與方案B相比器作業(yè)面積要小25%，由于存在作業(yè)盲區(qū)，所以不太適合在一些空間狹小，同時又要求大范圍作業(yè)的工況。方案C需要有上下支座支撐，加大了固定難度，環(huán)境局限性強。經(jīng)過分析折中，選定功能全面，安裝方便的方案B作為結(jié)構(gòu)方案。
圖2-1 下支座立柱式懸臂起重機 圖2-2 下支座的立柱式懸臂起重機
圖2-3 上下支座立柱式懸臂起重機 圖2-4 小車外懸掛 圖2-5 小車內(nèi)懸掛
電葫蘆（或小車）是懸臂起重機直接吊裝載荷的重要裝備。它與懸臂梁的連接主要采取輪軌方式，這種懸掛方式主要分為兩種：
外懸掛式，如圖2-4；
內(nèi)懸掛式，如圖2-5。
外懸掛方式的運行軌道為工字軌，如圖2-4所示，加工軌面簡單，維護容易，加工以及維護成本較低。相對于外懸掛式，內(nèi)懸掛式的軌面在懸臂內(nèi)，這樣的設(shè)計加工難度較大，不易維護，加工成本高。但是由于軌面在內(nèi)側(cè)，不易受環(huán)境影響，滑動平穩(wěn)，精度較高。由于本次設(shè)計的懸臂起重機主要用在倉庫及車間等場所，對精密吊裝要求較低，故選擇A方案。
2.2起重機主要目標設(shè)計參數(shù)的確定
在機械行業(yè)標準JB/T8906-1999《懸臂起重機》中所推薦的起重機基本參數(shù)中起重機起重量為0.125-10t,有效半徑2-10m,通過調(diào)查和查閱資料，用戶所需的定柱式旋臂起重機的基本參數(shù)90%在以下范圍：起重量0.5-3t,起升高度3-5.5m,有效半徑3-5.5m。
2.2.1 基本參數(shù)的選擇
（1）起升重量
起重機正常工作時允許一次起升的最大重量稱為額定起重量。起重機中的懸臂起重機對應(yīng)不同的臂架長度有不同的額定起重量，額定起重量不止一個時通常稱額定起重量為最大起重量，或簡稱起重量,用“Q”表示，單位噸（t）。根據(jù)最大起重量國際標準,選定額定起重量為2t。
（2）起升高度
起升高度是指自地面到吊鉤鉤口中心的距離，用“H”表示單位米（m），它的參數(shù)標定值通常以額定起升高度表示。旋臂起重機的起升高度為定值，設(shè)計值定為3m。
（3）工作幅度
工作幅度是指在額定起重量下，起重機回轉(zhuǎn)中心軸線到吊鉤中心線的水平距離，通常稱為回轉(zhuǎn)半徑或工作半徑，用“R” 表示，單位為米（m）。選定R為3m。
（4）回轉(zhuǎn)角度
回轉(zhuǎn)角度為：Φ=360°。
起重機按照GB/T 3811的規(guī)定確定起重機的工作級別：
表1 起重機工作級別
根據(jù)市場調(diào)查，此型起重機在工作中，有時起升額定載荷，一般起升中等載荷。選定其載荷狀態(tài)為Q2-中，Kp=0.25 ，起重機利用等級定位為經(jīng)常中等的使用，即U5，總的工作循環(huán)次數(shù)2.5×105，由此確定工作級別為A4。
2.2.2 電動葫蘆的選擇
環(huán)鏈電動葫蘆是一種新型小型起重設(shè)備；是起吊、運送、裝卸貨物、工件的理想設(shè)備。它廣泛用于各行各業(yè)的加工車間、倉庫、碼頭、建筑業(yè)、各類商店及各種現(xiàn)代化的生產(chǎn)流水線，裝配線。在空間較小的工作場所使用更是靈活迅捷，安全方便。
PK型環(huán)鏈電動葫蘆是一種新型產(chǎn)品，具有提升速度快、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、機體緊湊、體積小、重量輕、操作方便、外形美觀等特點。可廣泛應(yīng)用于工廠、礦山、碼頭、商店、倉庫等方面用作起吊重物；亦可同架空行車配套組成空間運輸系統(tǒng)具有當代世界先進水平。在國際市場上享有盛譽。如圖2-6青島新中原起重設(shè)備有限公司生產(chǎn)的PK型環(huán)鏈電動葫蘆。最終選擇定為PK10N-2F型。
圖2-6 PK型電動葫蘆
表2 PK型環(huán)鏈電動葫蘆技術(shù)參數(shù)
所選電動葫蘆參數(shù)：
PK10N-2F:
1) 起重量：2000Kg
2) 起重鏈條行數(shù)：2行
3) 起升高度：3m
4) 起升速度：（1）快速：4m/min
(2) 慢速：1m/min
5) 起升電機功率：（1）快速：1.5
(2) 慢速：0.35Kw
6) 電源：3~380V 50Hz
與電動葫蘆匹配的電動運行小車參數(shù)：
1）型號：EU10PK
2）運行速度：14m/min
3）電機功率：0.2Kw
4）負載持續(xù)率：40%
5）工字鋼型號：GB706 18~56c
6）最小轉(zhuǎn)彎半徑：1.4m
該型電動葫蘆尺寸：a=318mm h=810mm e=280mm h1=700mm
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3 關(guān)鍵零部件設(shè)計
3.1懸臂工字鋼尺寸確定
由電動葫蘆相關(guān)參數(shù)可知，工字鋼選擇區(qū)間為GB706 18~56c 初選32a 材料為Q235-A,相關(guān)尺寸如表3
表3 工字鋼32a尺寸參數(shù)
尺寸
h
b
d
t
r
r1
截面面積/cm2
理論重量Kg/m
數(shù)值
320
130
9.5
15.0
11.5
5.8
67.156
52.717
3.2緩沖器的選擇
3.2.1緩沖器型號的選擇
選擇上海青立起重設(shè)備有限公司生產(chǎn)的起重機用ZLA型緩沖器。
圖樣及相關(guān)技術(shù)參數(shù)如圖3-1和表4。
圖3-1 起重機用ZLA型緩沖器
表4 起重機用ZLA型緩沖器技術(shù)參數(shù)
3.2.2緩沖器參數(shù)的選擇
由起重機參數(shù)可知，起升重量為2000Kg,速度最大為14m/min,假設(shè)接觸緩沖器到停止位用時t=3s,則有公式：
Ft=mv 則F=2000Kg×(14/60)m/s/3s=0.1556KN
由計算數(shù)據(jù)可知選擇的緩沖器型號為ZLA-1型，具體參數(shù)如表5。
表5 ZLA-1型緩沖器技術(shù)參數(shù)
尺寸
D
H
t
m
h
緩沖容量
緩沖行程
緩沖力
重量
數(shù)值
65mm
80mm
10mm
16mm
35mm
0.243KN/m
48mm
56.11KN
1.03Kg
3.2.3緩沖器強度校核
按14m/min的平均值作為緩沖過程的速度，則緩沖時間為：
t=0.411s
由Ft=mv可得F=0.568KN<<56.11KN
由校核數(shù)據(jù)可知該型緩沖器滿足要求。
3.3橫梁結(jié)構(gòu)尺寸的確定及校核
3.3.1橫梁簡化模型
圖3-2 橫梁結(jié)構(gòu)載荷模型
圖中符號的含義:G為小車質(zhì)量;Q為起重量;H為立柱高度;q為橫梁自重載荷集度;R1為最小幅度;R2為最大幅度;L為橫梁總長;L1為橫梁懸臂長度;L2為支架重心至橫梁懸臂根部距離L4=R1-(L2+L3)為支架邊緣至立柱中心距離;NA為A點水平反力;ND為D點水平反力;R為A點垂直反力;g為重力加速度。
由選取的橫梁鋼材型號可知：q=52.717Kg/m
3.3.2橫梁結(jié)構(gòu)尺寸的確定
由所選則的電動葫蘆小車的尺寸，即：
1）型號：EU10PK
2）運行速度：14m/min
3）電機功率：0.2Kw
4）負載持續(xù)率：40%
5）工字鋼型號：GB706 18~56c
6）最小轉(zhuǎn)彎半徑：1.4m
該型電動葫蘆尺寸：a=318mm h=810mm e=280mm h1=700mm
可知圖4-2 橫梁結(jié)構(gòu)載荷模型中的L1
L1=有效回轉(zhuǎn)半徑R+2×緩沖器長度H+2×小車長度一般+緩沖器螺栓長度h+橫梁自由端余量L
即L1=3000mm+2×80mm+2×318/2mm+35mm+87mm=3600mm
L2=400mm
L3=300mm
L4=300mm
H1=985mm
L= L1+L2+L3+L4=3600mm+400mm+200mm+300mm=4500mm
經(jīng)查閱計算可得：W=80Kg
則橫梁所有參數(shù)如下：
Q=2000kg H=3840mm q=52.717kg/m
R1=1000mm R2=3600mm L1=3600mm L2=400mm
L3=300mm L4=300mm W=80Kg H1=985mm
3.3.3橫梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析及強度校核
(1)內(nèi)力分析
根據(jù)靜力平衡原理，由ΣA=0，得
=99337.6N·m
由∑X=0，得=，∑Y=0，得
R = (G+Q + qL+ W)g，R = 23972.3N
由結(jié)構(gòu)節(jié)點B彎矩平衡∑=0，得
= 21361.5N·m
=78296.1N·m
= + = =99657.6 N·m
（2）強度校核
節(jié)點B的彎矩圖如圖4-3：
圖4-3 節(jié)點B彎矩圖
比較橫梁B點最大彎矩:取={，}，則
滿足強度要求
:旋臂B 點所在截面的正應(yīng)力。
:鋼材的許用應(yīng)力,鋼材選擇Q235-A,則
:旋臂梁的截面抗彎模量。
3.4立柱尺寸及強度校核
3.4.1立柱相關(guān)尺寸確定
立柱的作用是將起重機旋轉(zhuǎn)部分支撐在固定部分上，其上部分由承受徑向力的單列圓錐滾子軸承組成。立柱內(nèi)力如圖3-4。
圖3-4 立柱內(nèi)力圖
立柱內(nèi)外徑的確定：外徑D=400mm
立柱內(nèi)徑的確定：選擇立柱材料為HT-200 受力如圖3-5
Fa Fb Fc
圖3-5 立柱受力圖
Fc=Mg=2407.77×10N=24077N
ΣFy=0 Fc-Fn=0
ΣMo=0 Fa-M=0
則Fn=Fc M=FcL=2080kg+52.717Kg/cm2×4.7cm2+80Kg=2407.77Kg
立柱所受彎矩：Mmax=MB=FC(L1+L2)
立柱截面積：
Fc/A≤[σ]即：24077.7/3.14（0.04-r2）≤[σ]
得r≤190mm,取r=190mm 則d=380mm
圖3-6 立柱
如圖3-6立柱相關(guān)尺寸如下
H=3840mm H1=985mm D=400mm d=380mm
3.4.2立柱強度校核
立柱強度校核公式：
立柱材料為HT200，=200Mpa
立柱既承受壓應(yīng)力又承受拉應(yīng)力，應(yīng)分開進行校核：
（1） 壓應(yīng)力
其中：；
(2) 拉應(yīng)力
=64.47Mpa≤[σ]=200Mpa
由于塑性材料的壓應(yīng)力遠遠大于其拉應(yīng)力，所以強度滿足要求。
3.7定柱式旋臂起重機撓度計算
與計算相關(guān)的尺如下：E=210Gpa I=11100cm4 L=4500mm
Q=20000N h=2820mm H=3840mm
由于定柱式懸臂起重機由懸臂和立柱組成，懸臂端極限位置的撓度應(yīng)計及這兩部分的組合影響。
(1)旋臂的撓度由均布載荷和集中載荷共同作用產(chǎn)生，如圖3-7：
圖3-7 旋臂梁產(chǎn)生的撓度
懸臂總撓度：
(2)立柱撓度由頂端彎矩產(chǎn)生,如圖3-8；
圖3-8 總體產(chǎn)生的撓度
其中:
將上述位移疊加，懸臂端總的撓度
=4.32mm+0.405mm
=4.725mm
懸臂的許用撓度：
撓度滿足要求
3.8立柱外形尺寸設(shè)計
立柱的最小截面通過以上的計算校核，已經(jīng)確定半徑為200mm。
立柱在制造中采用的材料為HT200，材料相對其他工具鋼價格低廉，可以很好的節(jié)約成本。
立柱的結(jié)構(gòu)，整體方案選用兩個軸承如圖3-9：
圖3-9 軸承室三維刨面圖
第一個采用套筒的形式固定一推力球軸承，用來承受橫梁的重力及軸向力，軸承型號為51212（GB/T301-1995）。
第二個軸承采用調(diào)心滾子軸承，用軸肩來固定，以用來承受橫梁支腿的軸向力和徑向力，軸承代號22312C/W33（GB 288-1987）。
立柱底端為增加強度設(shè)計有加強筋，并取厚度為37mm底端通過地腳螺栓固定在工作點。
3.9法蘭盤尺寸的計算
在鑄造立柱的同時可以將法蘭盤同時鑄出，初步可取厚度為30mm。
設(shè)其內(nèi)徑d=400mm D=700mm
并可根據(jù)以下步驟校核。
法蘭盤面積: =0.295m2
法蘭盤抗彎模量：=3.422×10-4m3
軸向力產(chǎn)生的應(yīng)力：
力偶產(chǎn)生的應(yīng)力：
則總應(yīng)力為：
設(shè)a為兩加筋板之夾角φ所對應(yīng)的弦長,[σ]為法蘭盤材料的許用應(yīng)力,則法蘭盤的厚度計算如下；
根據(jù)規(guī)范規(guī)定:,作為上下限引入約束集。
設(shè)有8個肋板,肋板邊緣半徑r=330mm,兩肋板之間的夾角為：φ=45°
則兩加筋板之夾角φ所對應(yīng)的弦長為：a=0.00123
代入上式，可得TFL≤0.35mm,按規(guī)定可選法蘭盤的厚度為37mm。
其而為圖形如圖3-10；
圖3-10 法蘭盤二維圖
其中，虛線圖形代表外筋板位置及尺寸。
3.10地腳螺栓強度校核
立柱底部焊接法蘭盤， 法蘭盤上加工有螺栓孔， 依靠地腳螺栓與地基固定， 螺栓孔均布于法蘭盤的安裝圓周上， 并且要保證8個螺栓布置在相互垂直的坐標軸上，如圖3-10。
如圖3-10，地腳螺栓的中心線直徑為：D地=550mm
地腳螺栓數(shù)量為：n=8 由圖可知其位置為與加強筋成間隔均勻分布。
地螺栓孔直徑：D3=30mm
圓周排列時羅刷承受最大的載荷P:
式中：：螺栓的預(yù)緊系數(shù)
：剛度系數(shù) 查資料得：+=2.5
：所有螺栓距軸心的距離平方和
=8×0.2752 mm
P=20725.67 N
(8.8級螺栓) 強度滿足
3.11 定柱式旋臂起重機確定參數(shù)
經(jīng)設(shè)計校核該定柱式旋臂起重機的參數(shù)見下表：
表6 起重機參數(shù)
懸臂工字鋼的型號
懸臂長度
立柱直徑
立柱高度
地腳螺栓直徑
螺栓個數(shù)
34a
4500mm
400mm
3840mm
28mm
8
4 懸臂起重機三維實體建模及二維圖
CAD技術(shù)以二維繪圖開始，經(jīng)歷了三維框架、曲面和實體造型階段，現(xiàn)在已進入特征造型階段。特征的引入，一方面提高了新一代CAD系統(tǒng)的集成度，另一方面為解決三維基于約束的參數(shù)化設(shè)計提供了契機，在一定程度上滿足了設(shè)計與修改的方便性。特征造型是幾何造型的自然延伸，它從工程的角度，對形體的各個組成部分及其特征進行定義，使所描述的形體信息更具工程意義。特征的引入直接體現(xiàn)設(shè)計意圖，使得建立產(chǎn)品模型容易為別人理解和組織生產(chǎn)，設(shè)計的圖樣也更容易修改。
4.1 起重機的三維實體建模
4.1.1 橫梁的建模
橫梁型號為32a的工字鋼，與支承板焊接在一起，支承板加強了橫梁的承載能力，同時橫梁與一端封閉的圓柱套筒焊接在一起，套筒與立柱通過軸承連接在一起。圖中數(shù)值表示有效半徑。模型見圖4-1。
圖4-1 起重機的橫梁模型
4.1.2 立柱的建模
柱為無縫鋼管，頂部為鋼板焊接，上部安裝軸承，與橫梁裝配在一起，中部焊接滾道座，滾道為下軸承的支撐體，同時對橫梁上支承體上的下環(huán)體起到支承的作用，底部連接法蘭盤，法蘭盤上焊接8個肋板，對立柱起支承作用，并有8個螺栓孔，通過螺栓與地面緊固連接。整體材料選用HT200。模型見圖4-2。
圖4-2 立柱造型
4.1.3立柱與軸承室連接
立柱與軸承室連接如圖4-3。
圖4-3 立柱與軸承室連接圖
4.1.4軸承室主要零部件的建模
本設(shè)計的鏈接部分用了兩個軸承，調(diào)心滾子軸承，主要承受徑向力和部分軸向里，推力軸承主要承受軸向力。滾動軸承的優(yōu)點：運轉(zhuǎn)輕便靈活，回轉(zhuǎn)阻力??；結(jié)構(gòu)緊湊，外形尺寸（主要是高度）??；維護方便，使用壽命長；由齒圈、密封和螺釘?shù)冉M成，安裝方便，又便于專業(yè)化集中生產(chǎn)；無中心樞軸，中部空間可安裝其他部件。模型見圖5-4，圖5-5，圖5-6，圖5-7，圖5-8，圖5-9，圖5-10。
圖4-4 軸承室套筒圖 4-5 軸承室 圖4-6 調(diào)心滾子軸承軸承
、
圖4-7 推力軸承 圖4-8 軸套 圖4-9 軸承端蓋
圖4-10 軸
4.1.5 斜臂支撐部分建模
此部分通過六個螺栓固定在斜臂上的相應(yīng)地方，滾輪支座為一個組焊件，在相應(yīng)的地方裝配上兩個滾輪。滾輪由滾輪殼，兩個角接觸軸承和滾輪擋蓋組成，兩個軸承主要承受徑向力和部分軸向力。滾輪可在安裝在立柱上的滾道上滾動。具體模型如圖4-11，圖4-12，圖4-13。
圖4-11 滾道模型 圖4-12 滾輪安裝架圖 圖 4-13 旋臂支架總體裝配圖
4.1.6 球面墊圈、錐面墊圈
球面墊圈和錐面墊圈配合使用，其作用是具有自動調(diào)位的作用，使軸承內(nèi)支撐面與軸垂直，從而消除了軸所承受的彎曲，其材料都為45鋼，熱處理硬度HRC40~48。具體模型如圖4-14、圖4-15。
圖4-14 球面墊圈 圖4-15 錐面墊圈
4.1.7 整體裝配
各零件能夠很好的裝配在一起，無干涉現(xiàn)象，基本能達到設(shè)計要求，符合設(shè)計標準,同時，整體結(jié)構(gòu)緊湊，強度滿足要求，節(jié)約成本，滿足設(shè)計理念?？傮w裝配效果如圖4-16。
圖4-16 起重機的總體裝配模型
此外，在進行草圖構(gòu)造時，應(yīng)盡量建立起同類結(jié)構(gòu)線的幾何關(guān)系，既減少了建模時進行尺寸設(shè)定的次數(shù)，又可以方便地進行尺寸修改。
4.2 懸臂起重機二維圖
在Pro/E中可以插入懸臂起重機模型的單個或多個視圖，然后為工程視圖選擇標準視圖方向或注解視圖。接下來就可以根據(jù)視圖的結(jié)構(gòu)特點來選擇不同的視圖類型（局部視圖、剖面視圖、旋轉(zhuǎn)剖面視圖、斷裂視圖等）來完整的表達。但是由于頭影關(guān)系，部分線之間重合，線寬沒有區(qū)分，需要進行二維圖得更改，本次更改運用了Auto/CAD進行修改，其操作簡潔方便，便于二維圖的精確繪制。
4.2.1起重機總體結(jié)構(gòu)圖
該定柱式懸臂起重機總體結(jié)構(gòu)如圖4-17。
圖4-17 懸臂起重機結(jié)構(gòu)圖
4.2.2橫梁
起重機橫梁二維簡圖及相關(guān)尺寸，橫梁材料為工字鋼32a，長度L=4500mm，如圖4-18。
圖4-18 橫梁
4.2.3軸承室
軸承室內(nèi)安裝調(diào)心滾子軸承和推力球軸承，調(diào)心滾子軸承與軸肩間用軸肩擋圈，兩軸承之間用軸套間隔，具體細節(jié)如圖4-19所示。
圖4-19 軸承室二維剖面圖
4.2.4立柱
立柱的材料為HT200，高度為H=3840mm，
立柱為空心：外徑D=400mm，內(nèi)徑d=380mm，壁厚h=10mm。
經(jīng)強度校核可知，立足所選材料和相關(guān)尺寸滿足強度要求，同時節(jié)約了成本立柱具體細節(jié)詳見圖4-20。
圖4-20 立柱
4.2.5法蘭盤
由于承受著起重機以及起升重物的全部重量，所以選擇材料為Q235-A，其尺寸為：厚度H法=40mm，外徑D法=700mm，內(nèi)徑d=400mm，法蘭盤內(nèi)部與立柱外部焊接，立柱下端面距法蘭盤下端面距離為18mm。通過強度校核可知該尺寸法蘭盤滿足要求，且有效節(jié)約成本，具體細節(jié)見圖4-21。
圖4-21 法蘭盤二維圖
4.2.6立柱外筋板
外筋板有效加強了立柱和法蘭盤的強度，也增加了連接面積，本起重機用了8塊外筋板，均勻分布于法蘭盤周圍，其材料為HT200，滿足強度要求，具體尺寸及形狀如圖4-22。
圖4-22 立柱外筋板
4.2.7滾道
滾道用來提供懸臂的支撐，與懸臂的支撐架通過滾輪相接觸。內(nèi)徑為400mm，與立柱外壁焊接起來，材料為HT200，經(jīng)校核滿足強度要求，其具體形狀及尺寸詳見圖4-23。
圖4-23 滾道
4.2.8滾輪及其支架
滾輪安裝在支架上，與滾道接觸，起支撐和定位作用，具體尺寸及細節(jié)參照圖4-24。
圖4-24 滾輪及其支架
4.2.9懸臂支架
懸臂支架與懸臂下表面進行焊接，起支撐作用，材料為HT200，重量為80Kg，滿足強度要求，具體尺寸及細節(jié)參見圖4-25。
圖4-25 懸臂支架二維圖
4.2.10立軸
立軸將軸承室和立柱連接在一起，起支撐軸承室，并保證懸臂能環(huán)繞立柱旋轉(zhuǎn)，其材料為Q235-A，滿足強度要求，價格低廉，節(jié)約成本。具體細節(jié)如圖4-26。
圖4-26 立軸二維圖
5 關(guān)鍵零部件有限元分析
5．1 工程有限元分析的基本步驟
工程有限元分析的目的一般包括以下兩類：
（1）進行結(jié)構(gòu)的最優(yōu)方案設(shè)計；
在進行機械和汽車的結(jié)構(gòu)設(shè)計時， 可以通過對可能的結(jié)構(gòu)方案進行有限元法計算。根據(jù)對方案計算結(jié)果的分析和比較，按強度、剛度和穩(wěn)定性的要求，對原方案進行修改和補充，使結(jié)構(gòu)得到較合理的應(yīng)力、變形分布，從而得到較好的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。
（2）分析結(jié)構(gòu)損壞原因，尋找改進途徑；
當結(jié)構(gòu)在工作中發(fā)生故障如，裂紋、斷裂或磨損過大時，可利用有限元法進
行分析。研究結(jié)構(gòu)損壞的原因，找出危險區(qū)域和部位，提出改進設(shè)計的方案，并
進行相應(yīng)的計算分析， 直至找到合理的結(jié)構(gòu)為止。工程有限元分析的基本步驟為：
1）對工程問題的力學(xué)分析
將工程問題抽象為力學(xué)模型的過程，包括了解結(jié)構(gòu)形狀、載荷和支承方面的
特點并對某些結(jié)構(gòu)形狀、構(gòu)件的連接和邊界條件等方面的簡化。這一步工作的好
壞將對整個計算起非常重要的作用。分析結(jié)果的成敗取決于分析者的力學(xué)知識、
專業(yè)知識和有限元基礎(chǔ)知識，并隨分析者經(jīng)驗的積累而越來越準確。
2）網(wǎng)格劃分(Pre－Processing)
根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，確定單元類型，利用通用有限元分析軟件中的前處理模塊對結(jié)構(gòu)劃分。網(wǎng)格劃分的質(zhì)量決定了有限元分析的計算精度和計算效率。
3）施加邊界條件
根據(jù)結(jié)構(gòu)的實際工況，選定載荷和約束在網(wǎng)格模型上的的施加方法。邊界條件的模擬方法是影響有限元分析成敗的重要原因。
4）自動求解
由程序根據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用的單元和施加的邊界條件自動進行單元分析與整體分析。通過求解模型得到的代數(shù)方程組，得到位移、應(yīng)變、應(yīng)力等物理量，
5）可視化的結(jié)果分析（Post-Processing）
利用通用有限元分析軟件中的后處理模塊繪出分析結(jié)果。 如繪出結(jié)構(gòu)的變形圖及各種應(yīng)力分量、應(yīng)力組合的等色線圖等。
5．2 主梁建立實體模型分析
將前期建立的POR-E軟件的三維模型導(dǎo)入Solidworks。懸臂梁的工字鋼與其它特征采用焊接連接。實體模型如下圖所示。
圖6—1 主梁實體模型
如圖6—1所示，此模型為懸臂梁主體結(jié)構(gòu)的三維實體模型。主要特征有與立柱軸承相配合的軸套結(jié)構(gòu)，工字型鋼梁，以及小車的限位擋鐵和肋板加強結(jié)構(gòu)。各部分材料均為Q235鋼，連接采用焊接的方法，可以近似將其當作一個整體材料來分析。
首先在Simulation中建立一個靜態(tài)研究，接著選擇材料，如圖6—2所示選擇Q235A作為材料。
圖6—2 材料參數(shù)
1）建立網(wǎng)格與網(wǎng)格設(shè)定。
在完成建模和新增分析程序的材料參數(shù)的定義后，接著將進行網(wǎng)格的劃分。在下拉菜單中，選擇Simulation>網(wǎng)格命令，系統(tǒng)即可顯示如左下圖的對話框，其中顯示系統(tǒng)預(yù)設(shè)的元素尺寸及公差值。按下ok后，系統(tǒng)即進行劃分網(wǎng)格
2） 約束限制條件以及指定約束位置。
在前邊步驟完成之后，接著將進行外部條件的設(shè)定。指定零件的端面如圖所示，并在下拉菜單中，選擇Simulation>插入 >限制命令。
在此次分析中，零件的約束有兩個地方如圖6—3所示，軸套內(nèi)圈在起升載荷時固定，加強肋板下部端面立柱中部的圓錐滾子軸承連接固定。所以在分析中將上述部位固定，以便施加載荷進行分析。
圖6—3 約束位置
3） 施加載荷以及指定約束位置
如圖指定零件的位置，并在下拉菜單中選擇Simulation>插入 > 壓力 命令來添加載荷。
本次分析中吊裝載荷以及小車的自重，都是通過小車的車輪與鋼軌的接觸，作用在工字型梁上的。根據(jù)小車的尺寸圖6—4。
圖6—4 小車輪尺寸
根據(jù)上圖得知，小車與鋼軌接觸的位置形狀為四條線，經(jīng)過計算分別距離梁端面150mm和450mm。加載載荷后如圖6—5所示。
圖6—5 載荷位置圖
4）執(zhí)行分析
在下拉菜單中，選擇Simulation>運行 命令來執(zhí)行分析，生成報告。
5．3 主梁分析報告
零件的材料為Q235A，總質(zhì)量為775.109kg，
網(wǎng)格信息如下表6所示。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，確定單元類型。網(wǎng)格劃分的質(zhì)量決定了有限元分析的計算精度和計算效率。
表 6網(wǎng)格信息
網(wǎng)格類型:
實體網(wǎng)格
所用網(wǎng)格器:
標準
自動過渡:
關(guān)閉
光滑表面:
打開
雅各賓式檢查:
4 Points
要素大小:
46.204 mm
公差:
2.3102 mm
品質(zhì):
高
要素數(shù):
14329
節(jié)數(shù):
28272
5.3.1 主梁應(yīng)力結(jié)果
表7 應(yīng)力結(jié)果
名稱
類型
最小
位置
最大
位置
圖解1
VON:von Mises 應(yīng)力
0.271473 N/m^2
節(jié): 228
(28.3385 mm,
414 mm,
4505.41 mm)
1.26544e+008 N/m^2
節(jié): 7518
(84 mm,
0 mm,
3520.9 mm)
圖6—6 應(yīng)力分析詳圖
從圖6—6中可以直觀的看出，應(yīng)力在小車輪與工字型鋼梁的接觸線上比較大，另外一個應(yīng)力比較大的地方就是加強肋板上方的工字型梁處，此處為全構(gòu)件應(yīng)力最大的地方，雖然沒有超過的屈服極限，并且還有一定的安全系數(shù)，但是這里出現(xiàn)了小范圍的引力突然增大處，出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中現(xiàn)象可能會影響此處的設(shè)計壽命，以及疲勞強度。所以可以考慮修改為一個圓角結(jié)構(gòu)，來減小應(yīng)力集中的現(xiàn)象。
5.3.2 主梁應(yīng)變結(jié)果
表8 應(yīng)變結(jié)果
名稱
類型
最小
位置
最大
位置
圖解1
ESTRN :對等應(yīng)變
1.6131e-012
要素: 2756
(105.638 mm,
80.5 mm,
4521.8 mm)
0.000499438
要素: 8424
(135 mm,
1.70727 mm,
3543.98 mm)
圖6—7 應(yīng)變分析詳圖
應(yīng)變結(jié)果分析。分析結(jié)果，最大應(yīng)變發(fā)生在主梁與加強肋板的交線處，最大為0.000499438，和應(yīng)力集中的部位相同，解決方法同應(yīng)力分析相同，將此處結(jié)構(gòu)改為圓角。
5.3.3 主梁位移結(jié)果
表 9 位移結(jié)果
名稱
類型
最小
位置
最大
位置
圖解1
URES:合力位移
0 m
節(jié): 1
(72 mm,
460 mm,
4090 mm)
0.0108037 m
節(jié): 3309
(0 mm,
400 mm,
0 mm)
圖6—8 位移分析詳圖
根據(jù)中華人民共和國機械行業(yè)標準中的旋臂起重機標準，JB/T 9806—1999規(guī)定，允許下?lián)隙鹊闹?，垂直下?lián)隙葢?yīng)達到這樣的程度以保證：
A） 臂架上運行的小車在正常作業(yè)時不會失控；
B） 臂架不能自行回轉(zhuǎn)。
起重機設(shè)計應(yīng)使額定起重量在有效半徑處產(chǎn)生的垂直下?lián)隙葢?yīng)不超過表10的規(guī)定。
表10 允許下?lián)隙?
起重機工作級別為A5，按照表中允許下?lián)隙扔嬎?，允許下?lián)隙鹊闹禐?.016m,經(jīng)過分析在額定載荷狀態(tài)下，主梁的最大撓度為都小于0.0108037m，符合有關(guān)的國家行業(yè)標準。
5.3.4 主梁設(shè)計檢查結(jié)果
圖5—9 安全系數(shù)詳圖
起重機按許用應(yīng)力法進行靜強度和疲勞計算時，基本條件是保證零部件或構(gòu)建危險截面或所選計算截面上的危險點的計算應(yīng)力，小于許用應(yīng)力。
安全系數(shù)的大小與零部件或構(gòu)件的安全性和重要性，載荷和應(yīng)力計算的精確性等因素有關(guān)。
我國《起重機設(shè)計規(guī)范》（GB 3811—83）對機構(gòu)傳動零件和結(jié)構(gòu)構(gòu)件強度和疲勞計算的安全系數(shù)有明確的規(guī)定。經(jīng)過查閱，重要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的靜強度安全系數(shù)應(yīng)該在1.5以上。設(shè)計檢查結(jié)果顯示最小安全系數(shù)是1.9，在國家標準之上，但又沒有高出太多造成浪費。
5．4 立柱建立實體模型分析
立柱的實體模型如圖6—10所示。主要結(jié)構(gòu)由兩個軸肩，底部法蘭盤，地腳螺栓孔以及加強肋板等特征組成。從上至下第一軸段通過軸承與主梁配合，中段的凸起定位安裝一個圓錐滾子軸承與主梁的支撐肋板相連接。
圖5—10 立柱模型
立柱的材料為鑄鐵，各部分材料相同，并為一個整體。首先在COSMOSWORKS中建立一個靜態(tài)研究，接著選擇材料，如圖6—11所示選擇HT200作為材料
圖6—11 立柱材料參數(shù)
1）建立網(wǎng)格與網(wǎng)格設(shè)定。
在完成建模、新增分析程序的材料參數(shù)的定義后，接著將進行網(wǎng)格的劃分。
2）約束限制條件以及指定約束位置。
在前邊步驟完成之后，接著將進行外部條件的設(shè)定。
在此次分析中，零件的約束有兩個地方如圖5—12所示，分別是底面法蘭盤上的四個與地腳螺栓配合的孔，還有與水泥固定面接觸的法蘭盤底面。所以在分析中將上述部位固定，以便施加載荷進行分析。
圖5—12 立柱的約束
3）施加載荷以及指定約束位置
如圖指定零件的位置，并在下拉菜單中選擇Simulation>插入> 壓力命令來添加載荷。
由于懸臂梁的結(jié)構(gòu)包含了一個一端固定在立柱中部軸承上的支撐肋板，所以立柱的受力狀態(tài)為，上部的通過軸承與梁連接的部分只承受向下的壓應(yīng)力載荷和軸套的側(cè)向力，而中部立柱對于支撐肋板的支反力來平衡主梁產(chǎn)生的力矩。如圖6—13所示。
圖6—13 軸載荷
圖6—14 主結(jié)構(gòu)受力簡圖
下面來計算立柱所承受的載荷。如上圖6—14所示為起重機主要結(jié)構(gòu)的受力簡圖。在圖中，F(xiàn)1為起升載荷即起重量加上小車的自重。F2與F3為一對作用力與反作用力，F(xiàn)3為懸臂支撐結(jié)構(gòu)作用在立柱上的壓力，根據(jù)吊車靜止，所以和力矩為0，可以根據(jù)F1的大小得到F2的值。
解的F2的值約為78560N，所以F3的大小也為78560N。再單獨分析立柱，水平方向的合力為0，所以
解的F5大小也為78560N。單獨分析橫梁，豎直方向上合力為0，所以F1與F6大小相等方向相反，F(xiàn)6=30820N。F6與F7為一對作用力與反作用力，所以
至此，立柱上的除底面固定約束外的所有載荷F3=F5=78560N，F(xiàn)7=30820N已經(jīng)全部解出。作用點以及方向如圖6—13所示。
4）執(zhí)行分析
在下拉菜單中，選擇Simulation>運行命令來執(zhí)行分析，生成報告。
5．5 立柱分析報告
零件的材料為灰鑄鐵HT200，總質(zhì)量為8639.01 kg，網(wǎng)格劃分信息以及有關(guān)的解算器信息都與主梁分析相同，這里不再贅述。
5.5.1 立柱應(yīng)力結(jié)果
表11立柱應(yīng)力結(jié)果
名稱
類型
最小
位置
最大
位置
圖解1
VON:von Mises
應(yīng)力
0.00023719 kgf/cm^2
節(jié): 23402
(782.843 mm,
0 mm,
332.843 mm)
69.2807 kgf/cm^2
節(jié): 404
(799.533 mm,
1201.74 mm,
-16.7361 mm)
圖6—15 立柱應(yīng)力圖解
根據(jù)分析結(jié)果，最大應(yīng)力為，單位換算后為6.92807MPa,遠小于查表得出的5MPa的許用應(yīng)力，也遠小于校核時計算出的22MPa的應(yīng)力值。強度出現(xiàn)了大幅度的過剩。
5.5.2 立柱應(yīng)變結(jié)果
表12 立柱應(yīng)變結(jié)果
名稱
類型
最小
位置
最大
位置
圖解1
ESTRN :對等應(yīng)變
5.00081e-009
要素: 7773
(815.574 mm,
12.5 mm,
335.196 mm)
3.67259e-005
要素: 7143
(798.358 mm,
1199.19 mm,
41.6892 mm)
圖6—16 立柱應(yīng)變圖解
應(yīng)變最大處與應(yīng)力最大處相同，但同樣最大處僅為。
5.5.3 位移結(jié)果
表12 立柱
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