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大 連 大 學 本科畢業(yè)論文 (設計 )開題報告 論 文 題 目： 輪式 起重機液壓缸結構設計 學 院： 機械工程學院 專 業(yè) 班 級： 機械設計制造及其自動化 學 生 姓 名： 樂皓宇 指導教師（職稱）： 李吉 （教授） 2018 年 1 月 12 日 填 畢業(yè)論文（設計）開題報告要求 開題報告既是規(guī)范本科生畢業(yè)論文工作的重要環(huán)節(jié)，又是完成高質量畢業(yè)論文 （設計）的有效保證。為了使這項工作規(guī)范化和制度化，特制定本要求。 一、選題依據 1.論文（設計）題目及研究領域； 2.論文（設計）工作的理論意義和應用價值； 3.目前研究的概況和發(fā)展趨勢。 二、論文（設計）研究的內容 1.重點解決的問題； 2.擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設計思路）； 3.本論文（設計）預期取得的成果。 三、論文（設計）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術路線或設計參數(shù)）； 2.論文（設計）進度計劃。 四、文獻查閱及文獻綜述 學生應根據所在學院及指導教師的要求閱讀一定量的文獻資料，并在此基礎上通 過分析、研究、綜合 ，形成文獻綜述。必要時應在調研、實驗或實習的基礎上遞交相 關的報告。綜述或報告作為開題報告的一部分附在后面，要求思路清晰，文理通順， 較全面地反映出本課題的研究背景或前期工作基礎。 五、其他要求 1.開題報告應在畢業(yè)論文（設計）工作開始后的前四周內完成； 2.開題報告必須經學院教學指導委員會審查通過； 3.開題報告不合格或沒有做開題報告的學生，須重做或補做合格后，方能繼續(xù)論 文（設計）工作，否則不允許參加答辯； 4.開題報告通過后，原則上不允許更換論文題目或指導教師； 5.開題報告的內容，要求打印 并裝訂成冊（部分專業(yè)可根據需要手寫在統(tǒng)一紙張 上，但封面需按統(tǒng)一格式打印）。 1 一、選題依據 1、研究領域 工程機械領域 、 CAD。 2、論文 研究 的理論意義和應用價值 起重機 是用來對物料進行起重、運輸、裝卸和安裝作業(yè)的機械， 完成靠人力無 法完成的物料搬運動作，以減輕人們的體力勞動，提高生產效率，在工廠、車站、 礦山、港口、建筑工地、倉庫、水電站等多個領域的部門中得到了廣泛的應用 。 近年來，隨著社會的發(fā)展，社會生活中對起重機的需求越來越大，所以起重機 的研發(fā)越來越緊迫，由于汽車式起 重機轉場靈活，從而方便快捷，所以進幾年我國 的汽車式起重機發(fā)展很快。 輪式 起重機的 應用價值主要體現(xiàn)在如下幾方面 ： （ 1）裝卸貨物效率比較高。因為定位能力較好，貨物裝卸位置來回調整的時間 減少，工作效率得到提高。 （ 2）操作簡便快捷。準備工作步驟簡單和時間較短，貨物裝卸簡便快捷。 （ 3）節(jié)省作業(yè)成本。適合裝卸體積較大的貨物，人力和物力成本得到節(jié)約。 起重機上的傳動機構能完成復雜的機械運動，減輕體力勞動，提高生產效率， 主要依賴液壓缸與各種傳動機構密切配合，液壓缸在起重機主機中產值占比 3%- 7%，在液壓元件總產值中 約占 20%。起重機的液壓缸種類很多，而工況不盡相同， 特別是大噸位起重機液壓缸的種類更豐富。 圖 1 輪式 起重機上液壓缸的分布 單級液壓缸在 輪式 起重機 上的應用比較多，如變幅機構、支撐腿等，這類液壓 缸的 強度決定了最大起重量時整機起重性能，其自重直接影響整機傾覆穩(wěn)定性 。 因 而 單級液壓缸的 結構設計的優(yōu)劣，將直接影響整機的性能，如整機重量、整機重心 高度和整機穩(wěn)定性等。 本次 設計綜合應用所學專業(yè)的基礎理論和專業(yè)知識的能力，進一步鞏固和加深 對所學的知識，提高解決本專業(yè)范圍內的一般工程技術問題的能力 。培養(yǎng)自身 的設 計計算、工 程繪圖、數(shù)據處理、查閱文獻、外文資料的閱讀與翻譯、計算機應用、 文字表達等基本工作實踐能力。 3、目前研究的概況和發(fā)展趨勢 國外 輪式 起重機已形成了多方位多體系的產品構成，實現(xiàn)了產品品種系列化、 功能多元化和機電液一體化，廣泛用于一般起重吊裝與高空作業(yè)、設備檢測及維修 等行業(yè)。 瑞典是世界上生產制造 輪式 起重機比較早的國家， HIAB（希亞伯）公司生產 的一般用途折臂式產品的特點是結構緊湊，外形尺寸較小。日本主要的生產制造公 司有古河 UNIC、多田野、加藤等，各種類型的直臂式和折臂式產品都進行生，而 主要是直臂式產品。 我國 輪式 起重機的生產起步較晚， 70年代末，全國生產的 輪式 起重機產品品 種還非常單一，生產規(guī)模也很?。坏?80年代， 輪式 起重機產品的品種及產量逐步呈 增長趨勢 。 目前，全國具備一定生產規(guī)模的 輪式 起重機廠家約有 10 多家，國有企業(yè) 主要有中聯(lián)重型機械科技有限公司、徐州 輪式 起重機公司、石家莊煤礦機械廠、山 西長治清華機械廠等，民營企業(yè)主要有由湖南專用汽車制造廠改制后分立成的湖北 程力汽車公司起重機公司、江西江環(huán)汽車有限公司及湖南飛濤專用汽車公司等。 在起重機液壓缸設計與制造理論的基礎上，深入地分析影響液壓缸可靠性的因 素，構建一個 比較有效的可靠性綜合評價模型對大噸位起重機液壓缸可靠性進行綜 合評價，為液壓缸可靠性評價提供一個分析工具，進而找出影響其可靠性的關鍵因 子，有針對性地提出相應的對策和措施。 液壓缸可靠性影響因素包括設計、原材料、熱處理、加工制造、裝配、試驗、 使用等。由于影響因素多，所以控制環(huán)節(jié)較多，失控風險大，特別是大噸位起重機 液壓缸因其缸徑桿徑大、行程長，在結構形式、材料、密封件的選型上受到限制， 可靠性更加難以控制。液壓缸制作出來，需要解決筒體及桿體原材料問題、筒體內 孔和桿體外圓加工問題、熱處理問題、密封件選型問題、試驗測試 問題等。 二、論文（設計）研究的內容 1.本論文 重點解決的問題； （ 1）分析 輪式 起重機液壓系統(tǒng)的組成原理，各液壓缸的分布區(qū)位置及工作原理，重 點分析單級液壓缸的使用與功能。 （ 2）設計起重機變幅機構的上單級液壓缸、垂直支撐腿的單級液壓缸，包含了液壓 缸筒、活塞、活塞桿等部件的設計。 2.擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設計思路）； 1.）收集 輪式 起重機相關的文獻資料，掌握其液壓系統(tǒng)工作原理，各液壓缸的 分布位置及功能。 2）分析 起重機的 變幅機構的液壓系統(tǒng)原理，設計變幅機構上的單級液壓缸 ； 3） 分析起重機的支腿機構的液壓系統(tǒng)原理，設計支腿機構上的單級液壓缸； 4）完成上述單級 液壓缸筒、活塞、活塞桿等部件計算，材料選擇，導向、密封 形式，液壓缸的安裝等。 5） 計算選擇合適的 液壓 閥 、油管 等液壓元件； 6） 繪制裝配圖及主要零件圖，編寫設計說明書。 3.本論文（設計）預期取得的成果。 1）完成單級液壓缸的裝配圖、各零件圖（ CAD繪制）； 2）完成設計說明書一份； 3）外文資料翻譯； 三、論文（設計）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術路線或設計參數(shù)）； 本課題針對某汽車起重機 上的單級液壓缸的 結構設計，根據單級液壓缸所在位 置及功能 要求 ，確定液壓系統(tǒng) 傳動方案，進而采用傳統(tǒng)的 理論力學計算方法和現(xiàn)代 計算機輔助設計 方法對 液壓缸 進行設計和分析。 起重機主要的參數(shù)： 最大起重量： 60T； 起升高度為基本臂作業(yè) 10.2米，最長主臂作業(yè) 38米 ； 起重機的幅度 R=3m； 基本臂起重力矩為 150 tm，最長主臂的起重力矩為 85 tm； 2.論文（設計）進度計劃 ： 第 1-4 周 根據畢業(yè)設計任務書要求，收集參考文獻 資料，撰寫開題報 告； 學習 畢業(yè)設計中 所用軟件 等； 第 5-6 周 分析 輪式 起重的液壓系統(tǒng)組成及各部分的 功能，確定起重機液 壓缸的分布布置，液壓缸的類型等； 第 7-10周 針對起重機變幅機構、支腿機構用的單級液壓缸進行詳細計算，確定液壓回路，關鍵液壓元器件選型等； 第 11-12周 完成 單級液壓的結構設計，包含 液壓缸筒、活塞、活塞桿等部件計算，材料選擇，導向套、密封形式，液壓缸的安裝等。 第 12-13周 繪制液壓缸的裝配圖，各零部件的圖紙； 第 14-15周 撰寫設計說明書 ，翻譯外文文獻； 第 16周 進一步完整設計資料，準備畢業(yè)設計答辯 PPT； 四 、 主要的參考文獻 1 王鳳萍 ,孫穎等 .國內外 輪式 起重機的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 J.工程機械 ,2014.02 2劉曉明 , 葉瑋 .液壓缸結構設計及運行特性分析 J.液壓傳動與控制， 2013.7 3 劉觀華 . 液壓缸的密封結構 J, 液壓氣動與密封 , 2014 年第 2 期 4 魏效玲 ,張寧博 ,景曉桓 .輪式 起重機變幅機構仿真與優(yōu)化設計 J.河北建筑科技學院學 報 ,2015,22(4):94-96. 5 車仁煒，胡長勝，陸念力 . 輪式 起重機變幅機構動力分析 J. 建筑機械 , 2005,(2):68-71. 7 羅軍， 輪式 起重機液壓系統(tǒng)研 究與優(yōu)化 D. 長安大學碩士論文， 2014.6 8 石蘭芳，基于模糊可拓的大噸位起重機液壓缸可靠性評價研究 D. 吉林大學碩士論文，長 春， 2014.4 9 周建軍 .探討如何提高機械液壓缸壽命的初探 J,中國新技術新產品 , 2016.12 10 吳洋子 . 軋機 AGC 液壓缸的結構性能及可靠性研究 D. 武漢科技大學碩士學位論文， 2012 11 EC, CB. Performance assessment of complex maintenance policies using stochastic PetrinetsJ. Proceedings of Esrel 2012,(2):17 32. 12Kenobi T.Unbeaten H. Adaptive position control of dectro hydraulic servosystems using ANN. Mechatronics. 2000,10(1):127 143. 13Durga Rao K,Gopika V,Verma A K. Dynamic fault tree analysis using Monte Carlo simulation in probabilistic safety assessmentJ . Reliability Engineering and System Safety. 2009(94):872 883. 14 LI Yang， WANG Long， JIANG Jihai1. Experimental Research on Internal and External Leakageof Construction Machinerv Hvdraulic Cvlinderj.Hvdromechatronics Engineering. Jun .2012 15 Zio E， Marella M， Podofillini L. A Monte Carlo simulation approach to the availability assessment of multi state systems operational dependenciesJ Reliability Engineering and System Safety 2007:82-92. 附文獻綜述 : 文獻綜述 1 起重機 的 應用 現(xiàn)狀 起重機是用來對物料進行起重、運輸、裝卸和安裝作業(yè)的機械，完成靠人力無 法完成的物料搬運動作，以減輕人們的體力勞動，提高生產效率，在工廠、車站、 礦山、港口、建筑工地、倉庫、水電站等多個領域的部門中得到了廣泛的應用。 起重機上的傳動機構能完成復雜的機械運動，減輕體力勞動，提高生產效率，主 要依賴液壓缸與各種傳動機構密切配合，據有關資料統(tǒng)計，液壓缸在起重機主機中 產值占比 3%-7%，在液壓元件總產值中約占 20%1。起重機式一種循環(huán)的，間 歇運 動的，短程搬運物料的機械，一個工作循環(huán)，一般包括上料，運送，卸料及回到原 位的過程，即取物裝置從取物地點，由起升機構吧物料提起，由運行回轉或變幅機 構把物料移位，然后物料在指定的地點下放，接著進行相反的動作，使取物裝置回 到原位，以便進行下一步的工作循環(huán)，在兩個工作循環(huán)之間一般由短暫的停歇。起 重機工作時，各機構經常是處于啟動，制動，正向，反向，等相互交替的運動狀態(tài) 之中。因此，用戶在選購起重機對比性能優(yōu)劣時，將液壓缸的可靠性作為首先考慮 的一個典型指標 2。 2 液壓 傳動技術及液壓缸的應用與發(fā)展 液壓缸是起重 機關鍵執(zhí)行元件，也是其液壓系統(tǒng)的重要元件，其能將液壓能轉化 機械能；液壓缸可靠性直接決定了起重機使用可靠性。 液壓缸的主要結構單元包括 缸底、缸筒、活塞、活塞桿、桿頭及各種密封件等。各結構單元本身的結構形式多 種多樣 ， 同一結構形式的零件又有多型號的系列尺寸 ， 而且各結構單元之間的聯(lián)接 方式又有多種類型 ， 是一種典型的樹狀結構。 因此，可以說液壓元件及液壓系統(tǒng)的 可靠性將直接關系起重機的工作可靠性。液壓缸是液壓元件重要組成成員，液壓缸 可靠性問題受到越來越多的重視。 西安科技大學的曹春玲教授 7在液壓缸在 參數(shù)化設計 方面進行了深 入研究，參 數(shù)化設計 也叫尺寸驅動 設計， 是指設計對象的結構外形大體一致 ，可 用一組參數(shù)來 約定其尺寸關系。參數(shù)化設計是技術在實際設計應用中被提出來并得到發(fā)展的、有 著強大實用價值的技術。 參數(shù)化設計是技術在實際應用中 不僅可使系統(tǒng)具有交互式 繪圖功能 ， 還具有自動繪圖的功能。利用參數(shù)化設計手段開發(fā)的專用產品設計系統(tǒng) ， 將設計采用的知識和經驗積累， 使設計人員在設計中減少因個人知識的局限性而造 成的錯誤 ， 減少重復性勞動操作 ， 減少信息的存儲量 ， 并大大提高設計速度 。 參數(shù)化設計是新一代智能化、集成化系統(tǒng)的核心技術之一 。清華大學的機械工 程學院 8在液壓系統(tǒng)的 集成化 設計進行了系統(tǒng)研究，將液壓元件集成化。涉及 虛擬 產品的集成建模技術、虛擬產品開發(fā)系統(tǒng)的集成化、虛擬產品設計、測試和制造的 集成化等。 另外， 將人的知識和智能融入到虛擬產品開發(fā)技術中 ， 使新產品開發(fā)過 程實現(xiàn)自動化 ， 將智能化的知識和數(shù)字產品結合起來 ， 使其具有自律、分布、智能、 仿生和分形等特點。 液壓缸是液壓系統(tǒng)中最重要的執(zhí)行元件。液壓傳動的主要優(yōu)點是：體積小、重量 輕、能容量大；調速范圍大，可方便地實現(xiàn)無級調速；可方便靈活地布置傳動裝置； 與微電子技術結合，易于實現(xiàn)自動控制；可實現(xiàn)過載保護。 現(xiàn)在的液壓技術正在朝著以下幾個方面進行飛速的發(fā)展： （ 1）節(jié)能。因為當前能源的不斷緊缺，很多國家都把節(jié)能看作液壓技術不斷發(fā) 展的重要問題。上個世紀，一些科技發(fā)達的國家研制出了一些節(jié)能液壓元件，例如 負載敏感泵和具有低功率的電磁鐵等，為節(jié)能做出了一定的貢獻。 （ 2）液壓技術與微電子和計算機技術相結合。計算機控制和集成傳感器技術的 不斷普及，創(chuàng)造了充分的條件使液壓和電子技術的相互結合。微電子和計算機技術 的不斷發(fā)展過程中，各類數(shù)字泵和數(shù)字閥隨之出現(xiàn)，而且還出現(xiàn)了一種具有反饋的 閉環(huán)液壓裝置，其將單片機直接安裝在了液 壓系統(tǒng)中。 （ 3）將液壓系統(tǒng)的可靠性不斷的進行提高。在液壓系統(tǒng)研發(fā)中更多的使用有限 元分析方法、進行可靠性試驗以及不斷的發(fā)展新工藝技術等，大大的提高了液壓元 件的使用壽命。近些年來液壓技術也廣泛使用在航天航空等重要先進領域，在使用 中對這種技術的研究得到了加強，并且在一定程度上獲得重要成果，從而對提高液 壓系統(tǒng)的可靠性起到了一定的促進作用。 （ 4）液壓元件的高度集成化。使用疊加閥塊、集成塊和插裝閥塊，將各類控制 閥高度集成在液壓泵和其它各個執(zhí)行元件上，從而形成一個組合形式的液壓元件。 還有將單片機芯片等電子元件高度 集成在液壓系統(tǒng)的控制機構中，從而在一定程度 上完成了高度集成化的機電液一體化。 3 液壓缸分類及設計要求 液壓缸的結構型式有活塞缸、柱塞缸、擺動缸三大類，活塞缸和柱塞缸實現(xiàn)往復 直線運動，輸出速度和推力，擺動缸實現(xiàn)往復擺動，輸出角速度（轉速）和轉矩。 液壓缸除了單個地使用 外 ， 還可以兩個或多個地組合起來或和其他機構組合起來使 用。 起重機的液壓缸種類很多，而工況不盡相同，特別是大噸位起重機液壓缸的種 類更豐富。對于起重機來說，多個機構的動作依賴于作為執(zhí)行元件的液壓缸。用來 衡量液壓缸產品性能指標有可靠性、安全性、緩沖 性能、清潔環(huán)保、作業(yè)噪聲、智 能化程度、經濟性、制造水平、節(jié)能性等，而可靠性是液壓缸最主要的質量性能指 標 3。 Kenobi T 等 12設計發(fā)了液壓 缸 疲勞試驗裝置，可對推力為 30、 50、 150KN 等 在 10KHZ 件下進行疲勞試驗。 Durga Rao K,等 13移動式液壓 缸的 耐用性和續(xù)航能力，對其聚四氟乙稀密封件 的密封性能、耐高壓性能、螺紋連接和支撐結構的耐久性進行了測試。 LI Yang 等 14以 35 的環(huán)境溫度條件和 250mm/s 的運行速度為加速應力，對液 壓虹進行了加速壽命試驗，并將測試結果作為該 液壓社可靠性的指標。 液壓缸可靠性影響因素包括設計、原材料、熱處理、加工制造、裝配、試驗、 使用等。由于影響因素多，所以控制環(huán)節(jié)較多，失控風險大，特別是大噸位起重機 液壓缸因其缸徑桿徑大、行程長，在結構形式、材料、密封件的選型上受到限制， 可靠性更加難以控制 。 4 建議與展望 （ 1）深入 對起重機液壓缸基礎理論及可靠性因素進行分析。闡述起重機液壓缸 的應用與發(fā)展趨勢、工作環(huán)境、結構及工作原理等基礎上，對大噸位起重機液壓缸 可靠性因素進行深入分析，重點從設計可靠性因素、制造可靠性因素、使用可靠性 因素三方面進行展開論述 ，并對液壓缸的設計與計算、密封、制造工藝、加工工藝 及質量過程控制、常見故障形式及排除等影響液壓缸可靠性的關鍵環(huán)節(jié)和因素進行 深入分析。 （ 2）在 起重機液壓缸可靠性因素分析和可靠性評價指標構建原則的基礎上，構 建一套大噸位起重機液壓缸可靠性評價指標體系，提出了液壓缸可靠性評價準則； 液壓缸可靠性影響因素包括設計、原材料、熱處理、加工制造、裝配、試驗、使用 等。 同時，構建了大噸位起重機液壓缸可靠性評價模型，在該模型中，運用層次分 析法確定各個評價指標的權重，采用模糊評價模型來進行大噸位起重機液壓缸可靠 性綜合評價。 審 核 意 見 指導老師評閱意見（對選題情況、研究內容、工作安排、文獻綜述封方面 進行評閱） 簽字 日期 教研室主任意見 簽字 日期 學院教學指導委員會意見 簽字 日期 公章：機械工程學院