1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

1、课题背景及研究意义

塔机的发展已有近百年的历史，动臂幅式塔机和带塔头的水平臂小车变幅式塔机两种结构的塔机在国内外市场上一直占据主导地位。结构比较新颖的平头塔式起重机近几年发展很快。平头塔式起重机也称无塔头塔机或锤头式塔机，其显著的的设计特征就是起重臂的支撑构件不高于臂架本身的总高度，顶部明显的与带塔头的传统塔机不同[1]。平头塔机与带塔头、拉杆的水平臂小车变幅式塔机相比，平头塔吊臂的受力状况、连接方式明显不同[2]。立塔后无论是工作和非工作状态，平头塔吊臂和平衡臂上下主弦杆受力状态不变，上弦杆主要受拉，下弦杆主要受压，没有交变应力的影响，其力学模型单一、简明。正是基于这一点，平头塔吊臂的连接设计才更简便，非常便于臂节之间的快速拆装，现代的平头塔吊臂大多采用正三角形截面的空间桁架结构主要也是考虑这一受力状况。上弦杆靠一个销轴连接承受拉力，下弦杆则靠结合处的端面承受压力，这样下弦杆的连结方式非常简便，仅靠两个定位锁销并配锁止螺栓。安装时先将上面的销轴连好，然后下落臂节，两锁销自动就位，穿上螺栓即可，臂节间主要靠上弦杆的一个大销轴连接，既省力又省时，这是平头塔机的特色之一。国外知名的塔机生产商纷纷推出了自己的平头塔机系列[3]，并已经取得成功，从目前的发展趋势来看，国外的平头塔机将逐渐代替传统的塔机，目前国内的塔机也已逐渐接受，特别是近两年，国内的生产平头塔机的阵营迅速扩大，塔机生产商中联重科也推出了第一款平头塔机TP350/20,相信会有越来越多的企业会加入到生产平头塔机的阵营[4]，与此同时平头塔机用户也逐渐增多，在施工工地也能看到平头塔机的身影，但是和传统的带塔头的普通塔机相比差距巨大[5]，同时由于建筑施工企业的使用习惯，我国平头塔机的推广和广泛应用尚需时日，相信随着我国平头塔机的不断发展和完善，可以预见，平头塔机在中国市场得到广泛的推广和应用。

图1：常见的平头塔机

平头塔机较传统塔机而言，结构简单，适用于隧道、低压高压线等多种工作环境，因此研究此种类型的起重机结构有利于推广使用，提高工业生产效率，为减少塔机主弦杆的用钢量，合理降低成本，满足设计要求的强度，通常采用两根角钢拼焊成方型管形状或用钢板拼焊成工字形，在制作时，一般是在数米长的型钢两头用辅具夹紧，其工艺流程：下料#8212;校直#8212;拼焊#8212;校直，焊接时采用半自动埋弧焊。此次课题研究的是下支座主弦杆组焊夹具的设计。在传统工艺深入研究后，要研究出一套经济简单、适用面广，而又满足技术要求的主弦杆焊接夹具。

2、塔式起重机的结构及夹具设计

2.1塔式起重机的构成

塔式起重机是由工作机构、金属结构和动力装置与控制系统三部分组成。这三部分的组成及其作用概述如下。

（1）塔式起重机的工作机构
塔式起重机的工作机构通常是由起升机构、变幅机构、回转机构、液压顶升机构、行走机构组成。起升机构实现重物的垂直上、下运动;变幅机构和回转机构实现重物在两个水平方向的移动;液压顶升机构实现标准节的增加或减少，从而升高或者降低塔身;行走机构实现重物在塔式起重机力所能及的范围内任意空间运动。
（2）塔式起重机的金属结构
塔式起重机的金属结构主要是由底架、塔身、套架、上下支座、吊臂、平衡臂、塔顶等主要构件组成。金属结构是塔式起重机的骨架，它承受起重机的自重以及作业时的各种外载荷。
（3）动力装置和控制系统
动力装置是起重机的动力源，塔式起重机的动力源是使用外接电源的电动机。控制系统包括操纵装置和安全装置。塔式起重机的操纵装置是由联动控制台、配电箱、电阻器箱等组成，安全装置主要是由高度限位器、幅度限位器、起重量限位器、力矩限制器、回转限位器等组成。

2.2起重机主弦杆结构

起重机主弦结构如图2所示主弦杆技术性能及加工及其焊接夹具的要求是需要重点研究的对象，其制造精度直接影响起重机的稳定性和工作可靠性，因此焊接夹具的设计就显得重要[6]。从结构和功能分析可得，为保证塔式起重机的稳定性和工作可靠性，必须保证焊后封板的直线度公差；工艺装备的正确使用，是生产合格焊接结构的重要保证。它能减小制品的尺寸偏差，提高零件的精度和互换性，有效防止和减小焊接变形。对主弦杆焊接变形的控制与互换性要求采用必要的组焊夹具。

主视图 截面图

图2：主弦杆结构图

3、夹具设计原理及制造[7]

焊接夹具将要随着焊接技术上的提高应用到各种夹具上，但是目前工厂的人员不习惯用焊接夹具，应通过优化结构来方便供人使用。对于特殊形状零件如管类零件，若使用传统的焊接夹具，则会导致焊接质量低下，焊接成品性能参差不齐，可采用柔性夹具方案来实施制造方案[8]。

3.1焊接夹具的特点及分类[9]

焊接夹具和以往的切削夹具有所不同，其特征可以分为以下几点；第一，原始的切削型工装夹具主要针对的目标是单一的零部件，而焊接工装夹具（组成如图3所示）的针对的目标是几个零部件构成的装置物。第二，操作焊接夹具所需的精度更低。第三，在实际焊接时，零部件与夹具承受的力度更低，一般讲，焊接夹具有一定柔性，夹具可分为专用夹具和通用夹具[10]。

图3：焊接工装夹具组成

3.2六点定位原理

夹具设计最主要的任务就是在一定精度范围内将工件定位。分析工件定位时，通常是用一个支承点约束工件的一个自由度。用合理设置的六个支撑点约束工件的六个自由度，使工件在夹具中的位置完全确定，这就是六点定位原理。运用六点定位原理可以分析和判别夹具中定位结构是否正确、布局是否合理、约束条件是否满足。

六点定位原理解决了约束工件自由度的问题，即解决了工件在夹具中位置”定与不定”的问题。但是，由于一批工件逐个在夹具中定位时，各个工件所占据的位置不完全一致，即出现工件位置定的”准与不准”的问题。如果工件在夹具中所占据的位置不准确，加工后各工件的加工尺寸必然大小不一，形成误差。在实际生产中。通常都以工件上的两个或两个以上的几何表面的两个或两个以上的几何表面作为定位基准，即采用组合定位方式。最常用的组合方式采用”一面两孔”定位，两孔可以是工件结构上原有的，也可以是定位需要专门设计的工艺孔。

3.3夹紧装置的组成及其设计原则

夹紧装置由动力源装置、传力机构、夹紧元件组成，夹紧装置的设计原则：工件不移动原则、工件不变形原则、工件不振动原则、安全可靠原则、经济实用原则。确定夹紧力也是设计夹紧装置重要的一点，夹紧力的确定包括夹紧力的方向、作用点和大小三个要素。

3.4焊接夹具结构[11]

焊接夹具结构（如图4所示）：焊接夹具整体结构包括上下定位梁和支撑琴键的弯梁板。焊缝两侧各有两个和焊缝曲线同样弧度的夹具弯梁板，每侧的两个弯梁板上对应地开有适量的长条形通孔，两孔之间通过加强筋将两个弯梁板连接在一起。具体结构如图 1所示。琴键穿过长孔，利用油缸推动琴键压板压紧加工件，防止焊缝变形。这套焊接夹具是不随焊接工位旋转的焊接夹具，上定位梁通过旋转轴固定在焊件的支撑结构上，下定位梁固定在可移动的平台上实现定位。整个焊接夹具由油缸驱动，可绕旋转轴抬起，弯梁板上开长孔，琴键压板穿过长孔。油缸顶出，压板压紧焊缝；油缸收回，压板弹回复位，焊接夹具绕旋轴抬起，调整焊缝。为减少塔机主弦杆的用钢量，合理降低成本，满足设计要求的强度，通常采用两根角钢拼焊成方型管形状或用钢板拼焊成工字形，在制作时，一般是在数米长的型钢两头用辅具夹紧，其工艺流程：下料#8212;校直#8212;拼焊#8212;校直，焊接时采用半自动埋弧焊。因此在传统工艺深入研究后，要研究出一套经济简单、适用面广，而又满足技术要求的主弦杆焊接夹具(图5为此种焊接夹具的一种）。

图5：焊接夹具实例图[12]

3.5焊接夹具的设计与制造[13]

焊接夹具多半是由型钢和一般钢件焊接所组成，但有时采用一种成型材料也可作成一套夹具，这种类型的夹具只要在焊接部分加工就可以了。设计时需注意考虑焊接夹具的刚性和强度问题，例如图6形式的夹具一定要加设支持部分，以防在加工时或放置时变形。一般说焊接夹具上不宜放置工件以免把夹具压变形。

图6：焊接夹具示意图

焊接夹具多半是出于可撤式模具，这样为了便于安装或卸下就需考虑其重量问题。夹具一般不可超出正常人所能承受范围，并且焊接夹具应加把手便于组装和安放，如果有钢板可以在中间挖空来减轻重量。

在绘制夹具时应该考虑到夹具拐角处处要有圆角，但是焊接的地方应该绘制成倒角，如果做成圆角则会造成浪费。焊接夹具需要绘制焊接图，属于装配图，并进行编号方便进行焊接加工。在设计焊接夹具时夹压是需要注意的点，如果夹压部分设计的不好，就会降低夹具精度，是下支座达不到精度要求，因此在设计焊接夹具时要把夹压放在首先需要考虑的位置。在焊接夹具里夹压动力一定要用手，不可用简单的机械压紧，不然会使夹具变形。

焊接夹具的施工和其它的夹具有不同，因为焊接部分是一个零件，并且加工的环境要与图纸要求一致。焊接夹具的孔和基面多半是焊接后才进行加工，在进行机械加工时，一定要注意夹压，防止把夹具压变形，焊接夹具后要回火，回火是为了减少内应力，防止变形[9]。制造完成后应该检查夹具的边缘有没有尖锐的部分如果有要人工把尖锐部分磨钝，以免伤到人。对于具体的焊接夹具设计,需要利用cad来详细绘制图具体装配图，对每个加工部位编号并进行相应的描述，要求符合实际加工的条件，能具体的表达设计者的设计思路与想法，且设计者必须对现场施工条件有一定的了解，否则会导致无法加工[14～17]。

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

4、课题的任务及要求

当前，焊接夹具发展趋势是高精、高效、组合、通用[18]。对于主弦杆组焊夹具可以考虑用通用可调焊接夹具[19]，可调焊接夹具的优点在于刚性适当，具有调整、定位、压紧轻巧灵便、准确可靠等特点，易于焊接操作和焊后观察,通用性强、应用范围广。因此我们设计焊接夹具时要来考虑到是否满足上述的要求，只有这样才能设计出符合现代生产的高效的焊接夹具。本设计课题的任务及要求包括：

1.熟悉平头塔式起重机的结构特点与制造工艺 ，认识到结构设计优化对于工业生产的主观能动性