一种起重机臂架自平衡结构的制作方法

本发明涉及工程机械领域，特别涉及一种起重机臂架自平衡结构。

背景技术：

臂架类起重机广泛运用于港口码头、建筑等领域，有着功率大、高耗能等特点，因此起重机节能改进具有重要意义。

在臂架类起重机中，臂架变幅的主要作用是使货物具有水平方向位移，与此同时，变幅还会造成货物产生垂直方向的位移；即臂架变幅导致了货物势能的变化。这意味着在货物重力作用下，臂架不能达到自平衡。这类结构具有以下缺点：1.增加了控制摇臂旋转的电机的容量和性能需求，2.摇臂旋转将消耗更多能量，包括提升货物、刹车减速等，3.货物垂直方向的惯性将增加变幅阻力，4.对于通过液压系统控制摇臂的起重机，在摇臂静止状态下，泄漏还将浪费一部分能量。

为了解决或者减小臂架变幅给货物带来的垂直位移，目前主要存在两种方法：1.绳索补偿法，即在变幅的同时使起升绳伸长或者缩短；2.组合臂架补偿法，即依靠组合臂架的特殊运动来使货物达到水平运动。

绳索补偿法能够减小变幅阻力，但是不能解决需求电机容量大、功耗大、变幅能量损耗大等缺点。组合臂架补偿法解决了上述的问题，但是它的设计复杂，臂架结构质量大，起重机运动范围收到限制。

因此，设计一种合适的臂架结构来减小变幅阻力、减小电机容量和功率、减小变幅损耗等问题十分有必要。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是如何实现起重机的摇臂自平衡，从而减小臂架驱动电机的容量，减少电机能量消耗，减小摇臂变幅阻力。

为实现以上功能，本发明提出的一种起重机臂架自平衡结构包括平行四边形机构、齿轮机构、多个滑轮及滑轮组、钢丝绳等。所述钢丝绳（2）一端通过一号滑轮（4）连接货物，一端沿着起重摇杆（3）经过二号滑轮（15），然后沿着平行于拉杆（5）的方向经过三号滑轮（7），接着沿着上平衡摇杆（6）经过四号滑轮（9），再朝着竖直向下经过五号滑轮（10），然后沿着下平衡摇杆（11）经过六号滑轮（14），最后连接到动力源及传动箱（12）。所述平行四边形机构由起重摇杆（3）、拉杆(5)、上平衡摇杆（6）、机架组成，其中点b、点c、点d、点e为铰点，起重摇杆（3）和上平衡摇杆（6）保持平行。所述齿轮机构由一号齿轮（16）、二号齿轮（13）、下平衡摇杆（11）组成，一号齿轮（16）与二号齿轮（13）为外啮合且传动比为1；其中一号齿轮（16）与起重摇杆（3）同轴同角度转动，二号齿轮（13）与下平衡摇杆（11）同轴同角度转动，通过键连接等方式可以使起重摇杆（3）和下平衡摇杆（11）与水平方向的夹角相等。所述下平衡摇杆gh（11）与上平衡摇杆（6）的ef部分的长度相等，且点e与点h在同一竖直线上，则点f与点g在同一竖直线上，并且位于四号滑轮（9）和五号滑轮（10）之间的钢丝绳（2）沿着竖直方向。

进一步的，为了减小上平衡摇杆（6）的ef部分与下平衡摇杆（11）的长度，四号滑轮（9）、五号滑轮（10）可以采用滑轮组；为使结构有良好的平衡效果，滑轮数量、上平衡摇杆df（6）的ef部分、下平衡摇杆gh（11）、起重摇杆ac（3）应保持一定的数学关系；即n×lac=2×l×（2n-1）,其中n是货物重力与钢丝绳拉力t的比值，lac是起重摇杆ac（3）的长度，l是上平衡摇杆（6）的ef部分与下平衡摇杆gh（11）的长度，它们的长度相等，n是四号滑轮（9）与5号滑轮（10）包涵的滑轮个数，它们包涵的滑轮个数相等。

进一步的，为了结构在整体上利于安装与避免干涉，一号齿轮（16）、二号齿轮（13）啮合时，两者中心连线可以旋转，若一号齿轮（16）的中心位置固定，则二号齿轮（13）的中心位置在以一号齿轮（16）中心为圆心、以齿轮直径为半径的的圆弧上，并且上平衡摇杆（6）的铰接点e与二号齿轮（13）的中心点h保持在同一竖直线上。

本发明的优点及有益效果：本发明将常见的平行四边形机构、齿轮机构应用到起重机臂架系统中，解决了臂架在货物重力作用下需要依靠外力平衡的问题。本发明有以下优点:1.本发明实现了臂架自平衡，在起重摇杆（3）需要变幅时，货物只有水平位移，驱动臂架旋转的电机理论上只需要克服摩擦力与惯性力，刹车减速功率也大幅减小，这大大减小了电机的容量与电机消耗的电能，具有节能的效果；2.本发明减小了起重机变幅阻力，使变幅速度更快；3.本发明适用于具有臂架结构的起重机，并且对于具有较长的起重摇杆（3）的起重机也适合；4.本发明利用滑轮组大大减小了平行四边形机构和齿轮机构的尺寸，使之更适合于实际运用。

附图说明

图1是本发明所述起重机臂架自平衡结构实施例1的示意图。

图2是本发明所述起重机臂架自平衡结构实施例1的原理图。

图3是本发明所述起重机臂架自平衡结构实施例2的示意图。

图4是本发明所述起重机臂架自平衡结构实施例2钢丝绳（2）在四号滑轮（9）、五号滑轮（10）的缠绕方式示意图。

图5是本发明所述起重机臂架自平衡结构实施例2的原理图。

图6是本发明所述起重机臂架自平衡结构实施例3的示意图。

图7是本发明所述起重机臂架自平衡结构实施例3的原理图。

主要符号说明

1货物、2钢丝绳、3起重摇杆、4一号滑轮、5拉杆、6上平衡摇杆、7三号滑轮、8塔架、9四号滑轮、10五号滑轮、11下平衡摇杆、12动力源及传动箱、13二号齿轮、14六号滑轮、15二号滑轮、16一号齿轮。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明

图1是本发明公开的一个实施例，臂架自平衡结构包括平行四边形机构、齿轮机构、多个滑轮及滑轮组、钢丝绳（2）。平行四边形机构包括起重摇杆（3）、拉杆（5）、上平衡摇杆（6）及机架，其中起重摇杆（3）与机架在点c铰接，拉杆（5）起连接作用，分别与起重摇杆（3）、上平衡摇杆（6）在点b、点d铰接，上平衡摇杆（6）与塔架（8）在点e铰接。在平行四边形机构中，起重摇杆（3）与上平衡摇杆（6）平行，它们与水平方向的夹角相等。齿轮机构包括一号齿轮（16）、二号齿轮（13）、下平衡摇杆（11），一号齿轮（16）、二号齿轮（13）为一对传动比为1的外啮合齿轮，采用一定的连接方式，一号齿轮（16）与起重摇杆（3）同轴同角度转动，二号齿轮（13）与下平衡摇杆（11）同轴同角度转动，因此起重摇杆（3）与下平衡摇杆（11）反向同速转动。通过键连接的安装方法，起重摇杆（3）、下平衡摇杆（11）与水平方向的夹角相等。综上所述起重摇杆（3）、上平衡摇杆（6）、下平衡摇杆（11）与水平方向的夹角相等。

滑轮包括一号滑轮（4）、二号滑轮（15）、三号滑轮（7）、四号滑轮（9）、五号滑轮（10）、六号滑轮（14）；它们安装在连杆端部或者中间，负责钢丝绳的缠绕。其中六号滑轮（14）与二号齿轮（13）同心，二号滑轮（15）与一号齿轮（16）同心；这样能在理论上消除此处的钢丝绳对连杆的转矩。

钢丝绳（2）的缠绕对自平衡结构起着重要的作用，钢丝绳（2）一端与货物相连，首先经过一号滑轮（4），沿着起重摇杆（3）到达二号滑轮（15）并绕二号滑轮（15）超过半圈，然后沿着平行于拉杆（5）的方向到达三号滑轮（7），接着沿着上平衡摇杆（6）的方向到达四号滑轮（9），再沿着竖直向下的方向到达五号滑轮（10），然后沿着下平衡摇杆（11）达到六号滑轮（14）并绕六号滑轮（14）超过半圈，最后连接到动力源及传动箱（12）。

图2是上述实施例自平衡结构的原理图，通过独立分析每个连杆的力矩平衡可以推导得到在货物重力作用下，该结构可以实现自平衡。平行四边形机构与齿轮机构使起重摇杆（3）、上平衡摇杆（6）、下平衡摇杆（11）与水平方向的夹角相等。此外点e与点h在同一竖直线上，点f与点g在同一竖直线上。首先由于连杆与机架铰接的缘故，机架对连杆的支持力不会对连杆产生转矩，其次由于滑轮不传递转矩，钢丝绳（2）作用在滑轮上的力将通过滑轮对连杆的力产生转矩。在图中，钢丝绳（2）对三号滑轮（7）、六号滑轮（14）、二号滑轮（15）的力传递到机架上，对转矩无贡献。此外钢丝绳对一号滑轮（4）、四号滑轮（9）、五号滑轮（10）的力传递到连杆后，因为沿着ac、fe、gh方向的力力臂为零，故对转矩无贡献。因此，钢丝绳拉力t对每个连杆的转矩可由大小为t，沿着竖直方向，分别作用在a、f、g点的力分析得到。

该结构除了对钢丝绳缠绕有一定要求，还对连杆长度有一定要求，在此实施例中，要求上平衡摇杆（6）的ef的部分与下平衡摇杆gh（11）等长，并等于起重摇杆ac（3）的一半，即lef=lgh=0.5×lac=0.5×l1，l1=lac。根据上述分析，上平衡摇杆（6）受到钢丝绳拉力产生的转矩（顺时针），下平衡摇杆（11）受到钢丝绳拉力产生的转矩（逆时针），起重摇杆（3）受到钢丝绳拉力产生的转矩（逆时针）。平行四边形机构和齿轮机构对结构自平衡起到了关键作用。在四边形机构中，上平衡摇杆（6）受到的关于e点的转矩将等值传递给以c点为旋转中心的起重摇杆（3）。齿轮机构则将下平衡摇杆（11）受到的关于h点的转矩等值反向传递给以c点位旋转中心的起重摇杆（3）。综上所述，起重摇杆（3）关于c点的转矩。通过上述推导，起重摇杆（3）关于c点的转矩恒为0，与起重摇杆（3）与水平方向的夹角无关，因此摇臂变幅时不额外消耗能量对货物做功，所以摇臂变幅时，货物高度不变，臂架结构达到了自平衡。因此该结构能大幅降低起重机的变幅阻力、减少变幅功耗、减小电机的容量和功率。

除此方法外，摇臂转动时货物高度不变满足钢丝绳（2）总长不变，也可以证明臂架达到了自平衡。

根据上述说明，lef=lgh=0.5×lac=0.5×l1，而实际情况下起重摇臂lac长度很大，这就导致了平行四边形机构与齿轮机构尺寸大，不适合在实际场景中运用。

图3是本发明公开的第二个实施例，它是为了减小平行四边形机构与齿轮机构的尺寸而提出的改进方案。它相较于实施例1的不同之处在于实施例1的四号滑轮（9）、五号滑轮（10）是单个滑轮，而在实施例2中四号滑轮（9）、五号滑轮（10）采用的是滑轮组。

图4描述了钢丝绳（2）在四号滑轮（9）、五号滑轮(10)上的缠绕方式。根据这个缠绕方式，钢丝绳（2）对上平衡摇杆（6）、下平衡摇杆（11）的力的大小发生了变化。

图5是本实施例的原理图，根据图2的分析，在图5中钢丝绳拉力对上平衡摇杆（6）、下平衡摇杆（11）分别在e点、h点产生的转矩可由作用在f点、g点的总钢丝绳拉力计算得出。若钢丝绳上的拉力为t，四号滑轮（9）、五号滑轮(10)上分别有n个滑轮，则根据分析可得作用在f点、g点的总拉力为(2n-1)×t。假设上平衡摇杆（6）的ef部分、下平衡摇杆gh（11）的长度为l，起重摇杆（3）的长度为l1，则要使起重机臂架达到自平衡，l应满足,即。在实际的起重机中，货物也会采用滑轮组，此时起重摇杆（3）受到的钢丝绳总拉力将会成倍增加，为货物的重力。假设货物重力，则连杆尺寸关系为。

图6是本发明公开的第三个实施例，它相较于实施例1的不同之处在于二号齿轮（13）、一号齿轮（16）的安装位置。在实施例1中，二号齿轮（13）、一号齿轮（16）中心连线沿水平方向，而实施例3中，他们的中心连线可以沿任何方向，若一号齿轮（16）的中心位置固定，则二号齿轮（13）的中心位置在以一号齿轮（16）中心为圆心、以齿轮直径为半径的的圆弧上，并且上平衡摇杆（6）的铰接点e与二号齿轮（13）的中心点h保持在同一竖直线上。

图7是本实施例的原理图，若一号齿轮（16）的中心位置固定，则二号齿轮（13）的中心位置在以一号齿轮（16）中心为圆心、以齿轮直径为半径的的圆弧上，并且上平衡摇杆（6）的铰接点e与二号齿轮（13）的中心点h保持在同一竖直线上；假设它们的位置关系处于图中所示的状态，对于图2中的理论推导仍适用，故本实施例仍可以实现臂架自平衡。