阅读说明：本技术 一种起重机臂架自平衡结构 (Crane boom self-balancing structure ) 是由 张锦平 张糯戈 姚芳精 于 2019-11-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种起重机臂架自平衡结构。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(2)等。钢丝绳按照一定的缠绕方式,钢丝绳(2)的拉力给上平衡摇杆(6)、下平衡摇杆(11)的转矩经过平行四边形机构和齿轮机构的转换可以平衡货物通过钢丝绳给起重摇杆(3)的转矩,从而实现臂架在货物重力下的自平衡,具有减小变幅阻力,实现臂架变幅时货物只有水平位移,能减小变幅功耗、减小电机容量和功率的功能。(The invention relates to a self-balancing structure of a crane boom. A self-balancing structure of a crane arm support comprises a parallelogram mechanism, a gear mechanism, a plurality of pulleys and pulley blocks, a steel wire rope (2) and the like. According to a certain winding mode, the steel wire rope (2) tension gives the torque of the upper balance rocker (6) and the lower balance rocker (11) and the torque of the goods which is given to the hoisting rocker (3) through the steel wire rope can be balanced through the conversion of the parallelogram mechanism and the gear mechanism, so that the self-balance of the arm support under the gravity of the goods is realized, the arm support has the functions of reducing the amplitude variation resistance, realizing that the goods only horizontally displace when the arm support becomes amplitude, reducing the amplitude variation power consumption and reducing the capacity and power of a motor.)

一种起重机臂架自平衡结构

技术领域

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。

发明内容

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×L_AC=2×L×（2N-1）,其中n是货物重力与钢丝绳拉力T的比值，L_AC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L_EF=L_GH=0.5×L_AC=0.5×L1，L1=L_AC。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，L_EF=L_GH=0.5×L_AC=0.5×L1，而实际情况下起重摇臂L_AC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。