本发明提供了一种起重机教学实验平台，最大提升载荷50kg最大提升速度0.4m/s，额定回转速度2.0r/min，变幅周期20s，最大起升高度2.5m。具有起升、回转、变幅三个机构。系统采用容积调速液压传动，变频液压泵站提供动力源，起升和回转机构执行器采用摆线马达，变幅机构采用液压缸。臂架上贴有应变片，测得不同工况下不同机构运动下臂架上的动态应力。回转、起升的速度和加速度通过安装在对应减速器输出轴上的编码器测得，臂架的仰角由安装在臂架上的倾角传感器测得。调节四个支脚的高度模拟起重机倾斜工况，四个支脚装有荷重传感器，测量实验台支撑压力分布。能够完成演示实验、力学分析综合实验和开放性PLC编程实验。
1.一种起重机教学实验平台，其特征在于，该起重机教学实验平台的最大提升载荷
50kg最大提升速度0.4m/s，额定回转速度2.0r/min，变幅周期20s，最大起升高度2.5m；其包括机构、传动和测试三部分；
起升机构：后滑轮和臂架总成绕轴转动，后滑轮上缠绕有钢丝绳，前滑轮安装在臂架总成头部的销轴上，绕轴转动，后滑轮和前滑轮的钢丝绳用于改变钢丝绳的缠绕方向，使其缠绕到卷筒上；卷筒连接在起升减速器的输出轴的左端，起升马达通过起升马达输入转接盘连接在起升减速器的输入端，起升编码器通过起升编码器转接盘连接在起升减速器输出轴的右端；当起升马达旋转时带动缠绕固定在卷筒上的钢丝绳提升砝码；起升机构通过起升减速器固定在转台上；
变幅机构：臂架总成铰接在转载转台的销轴上，绕轴转动；变幅液压缸伸出杆和臂架总成铰接，变幅液压缸的尾部和转台铰接；当液压缸伸长时改变臂架的幅度，臂架在最大幅度成水平，也是臂架的起始位置；
回转机构：回转机构总成用于连接底座总成和转台；回转马达通过回转马达转接盘固定在回转减速器的输入端的左端，动力经回转马达转接轴传递到回转减速器，回转编码器通过回转编码器连接轴和回转编码器转接盘，连接在回转减速器的输入端的右端；回转减速器为蜗轮蜗杆减速器，其内圈通过回转减速器连接下法兰和底座固连，其外圈和转台相连，回转马达动力经过减速后驱动转台的回转；左接近传感器和右接近传感器，通过固定架安装并固定在底座上，关于底座轴线对称且在一条直线上，回转减速器连接下法兰焊接在底座上，并和回转减速器的内圈相接；
调平机构：称重传感器上部通过法兰连接在底座上，下部的球头压在支脚内圈上部的凹槽中，支脚外圈和内圈采用M60的细牙螺纹配合；采用圆柱销固定内圈不动，拧动外圈调节支撑高度，模拟起重机倾斜工况；
变幅机构的臂架结构：臂架总成由两个中间臂节连接起底节和顶节，均采用铰接；过卷限位安装在顶节上，采用重锤式限位，倾角传感器安装在底节和臂架整体成45°角；左应变片和右应变片分别贴在第一个中间臂节的两个上弦杆上表面；
系统动力源：采用容积调速的液压传动，变频电机固定在油箱盖板上，油箱盖板固定在油箱上；齿轮泵通过齿轮泵转接盘固定在变频电机输出端，变频电机的输出轴和齿轮泵的输入轴通过弹性联轴器以及齿轮泵转接轴套相连接，其中，变频电机的输出轴插入弹性联轴器的主动端的内孔中，齿轮泵转接轴套的外圈插入弹性联轴器从动端的内圈；齿轮泵的输入轴插入齿轮泵转接轴套中；变频电机带动齿轮泵运转，从油箱中吸油；齿轮泵转接轴套加粗了齿轮泵的输入轴，使其和所选的联轴器相配合；回油过滤器安装在油箱盖板上；溢流阀接在齿轮泵的油口，其T口和回油过滤器相连，当压力超过设定压力的时候，溢流阀打开，系统的压力油经过回油过滤器回油箱；
整机的传动：泵站的出油口接控制阀组，控制阀组的油路分别连接回转马达、起升马达和变幅液压缸；控制阀组控制通过控制油路的通断，控制回转马达、起升马达和变幅液压缸的运动，完成实验台的起升、回转和变幅；当需要改变起升、回转和变幅运动的速度及加速度时，通过PLC控制变频器改变变频电机的转速，进而改变齿轮泵的转速，即改变了系统的流量，起升、回转和变幅机构的运动速度也随之改变；
测试部分：系统起升的速度和加速度通过输出轴上的起升编码器测得，回转速度和加速度通过安装在起升减速器上的起升编码器测得，臂架的倾角由安装在臂架上的倾角传感器测得，变幅速度由安装在液压系统中的流量计测得的流量换算得到，四个支撑脚的荷重由安装在实验台底部的四个称重传感器测得；起升机构配有过卷限位，回转机构配有左接近开关和右接近开关，当转台上焊接的挡板转动到左接近开关或者右接近开关正上方时，回转急停，限制转台的回转角度在0°-180°内；变幅液压缸(4)的无杆腔装有压力变送器，用于测定变幅过程系统压力随幅度变化，同时压力变送器连接PLC作为变幅到位的逻辑判断；
2.根据权利要求1所述的起重机教学实验平台，其特征在于，所述的系统动力源采用
1.5Kw变频电机带动排量为8mL/r定量齿轮泵作为液压变频动力源，回转机构和起升机构采用摆线马达。
3.根据权利要求1或2所述的起重机教学实验平台，其特征在于，所述的臂架实现三种臂长，除臂架顶节和底节不同外，中间臂节完全相同，加长或缩短臂架，对应不同的要求；在第一个中间臂节上弦杆上部贴有应变片，通过应变仪将动态应力输出到上位机上。
4.根据权利要求1或2所述的起重机教学实验平台，其特征在于，所述的荷重传感器下方的球头与支脚相配合，支脚高度调整采用细牙螺纹。
5.根据权利要求3所述的起重机教学实验平台，其特征在于，所述的荷重传感器下方的球头与支脚相配合，支脚高度调整采用细牙螺纹。
6.根据权利要求1、2或5所述的起重机教学实验平台，其特征在于，所述的变幅机构的臂架结构的其它组装形式：通过测试系统测出左应变片(31-1)和右应变片(31-2)两点的应力大小，通过比较，保证测出的内力与理论分析相同。
7.根据权利要求3所述的起重机教学实验平台，其特征在于，所述的变幅机构的臂架结构的其它组装形式：通过测试系统测出左应变片(31-1)和右应变片(31-2)两点的应力大小，通过比较，保证测出的内力与理论分析相同。
8.根据权利要求4所述的起重机教学实验平台，其特征在于，所述的变幅机构的臂架结构的其它组装形式：通过测试系统测出左应变片(31-1)和右应变片(31-2)两点的应力大小，通过比较，保证测出的内力与理论分析相同。
起重机教学实验平台
技术领域
[0001] 本发明涉及一种起重机，特别是用于起重方向本科生教学所用液压变频驱动、可进行力、传动测试的起重机教学实验平台系统。
背景技术
[0002] 起重机专业实验是培养重机机械方向学生运用所学到的相关知识，用实验方法研究起重机械，解决起重机械工程实际问题能力的重要实践环节，也是引导学生能够从结构、传动和控制多方面系统地掌握起重机械性能、操纵方法、作业安全等因素相互作用原理的综合教学方法。为了满足实验课的需要，同时能在楼层内存放，则其必须满足楼板所能承重2
即：250Kg/m。该教学实验平台能完成如下的实验1.演示实验：起重机的回转、变幅、起升，让实验者熟悉起重机机构的基本构造，对整体有概念性的了解。对应课程：起重机设计。2.力学分析综合实验，在不同的控制模式下，通过结构应力测试和分析，掌握载荷、运动、结构受力的相互作用关系。对应课程：起重机设计、结构力学、金属结构、液压传动等。3.开放性实验1)学生自己设计实验步骤、实验目的，得出实验结果；2)自己编写PLC程序，完成起重机某一特定功能。
[0003] 目前，已经出现了一些能够用于起重机教学的技术方案，例如专利号CN200820169615.7的技术文献中提到一种桥式起重机半实物模型，能够进行演示实际桥式起重机的操作过程的起重机教学。这类的专利都是仅仅用于演示性的教学，同时由于实验系统较小，采用了机械传动系统，不能很好模拟实际起重机械广泛采用的液压传动的动态特性。一般的金属结构臂架焊接中为了方便焊接进行了工艺处理，如果进行测试其应力，其结果和标准的结构力学模型计算的结果相差较大，不适合本科生实验。现有的实验设备中也没有模拟倾斜工况，同时能动态测试支腿承载分布的实验设备。
发明内容
[0004] 本发明的目的是填补了现有起重机模型的不足，提供适用于起重方向本科生教学所用的起重机教学实验平台系统。
[0005] 本发明的技术方案：
[0006] 一种起重机教学实验平台，该起重机教学实验平台的最大提升载荷50kg最大提升速度0.4m/s，额定回转速度2.0r/min，变幅周期20s，最大起升高度2.5m；其包括机构、传动和测试三部分；
[0007] 起升机构：如图1、图3和图4所示，后滑轮2-1和臂架总成1绕轴转动，后滑轮2-1上缠绕有钢丝绳，前滑轮2-2安装在臂架总成1头部的销轴上，绕轴转动，后滑轮2-1和前滑轮2-2的钢丝绳用于改变钢丝绳的缠绕方向，使其缠绕到卷筒10上；卷筒10连接在起升减速器
13的输出轴的左端，起升马达12通过起升马达输入转接盘11连接在起升减速器13的输入端，起升编码器14通过起升编码器转接盘15连接在起升减速器13输出轴的右端；当起升马达12旋转时带动缠绕固定在卷筒10上的钢丝绳8提升砝码9；起升机构通过起升减速器13固定在转台3上；
[0008] 变幅机构：如图1和图2所示，臂架总成1铰接在转载转台3的销轴上，绕轴转动；变幅液压缸4伸出杆和臂架总成1铰接，变幅液压缸4的尾部和转台3铰接；当液压缸伸长时改变臂架的幅度，臂架在最大幅度成水平，也是臂架的起始位置；
[0009] 回转机构：回转机构总成6起到连接底座总成7和转台3的作用；如图5所示，回转马达16通过回转马达转接盘17固定在回转减速器19的输入端的左端，动力经回转马达转接轴18传递到回转减速器19，回转编码器22通过回转编码器连接轴20和回转编码器转接盘21，连接在回转减速器19的输入端的右端；回转减速器19为蜗轮蜗杆减速器，其内圈通过回转减速器连接下法兰25和底座24固连，其外圈和转台相连，回转马达16动力经过减速后驱动转台3的回转。如图6所示，左接近传感器23-1和右接近传感器23-2，通过固定架安装并固定在24底座上，关于底座24轴线对称且在一条直线上，回转减速器连接下法兰25焊接在底座
24上，并和回转减速器19的内圈相接；
[0010] 调平机构：如图7，称重传感器26上部通过法兰连接在底座24上，下部的球头压在支脚内圈28上部的凹槽中，支脚外圈27和内圈28采用M60的细牙螺纹配合；采用圆柱销固定内圈不动，拧动外圈调节支撑高度，模拟起重机倾斜工况；
[0011] 变幅机构的臂架结构：如所图8和图9，臂架总成由两个中间臂节30连接起底节29和顶节32，均采用铰接；过卷限位33安装在顶节32上，采用重锤式限位，倾角传感器34安装在底节和臂架整体成45°角；左应变片31-1和右应变片31-2分别贴在第一个中间臂节30的两个上弦杆上表面；
[0012] 系统动力源：采用容积调速的液压传动，采用如所图12和13所示，变频电机35固定在油箱盖板42上，油箱盖板42固定在油箱43上；齿轮泵39通过齿轮泵转接盘36固定在变频电机35输出端，变频电机35的输出轴和齿轮泵39的输入轴通过弹性联轴器37以及齿轮泵转接轴套38相连接，其中，变频电机35的输出轴插入弹性联轴器37的主动端的内孔中，齿轮泵转接轴套38的外圈插入弹性联轴器37从动端的内圈；齿轮泵39的输入轴插入齿轮泵转接轴套38中；变频电机35带动齿轮泵39运转，从油箱43中吸油；齿轮泵转接轴套38加粗了齿轮泵的输入轴，使其和所选的联轴器相配合；回油过滤器41安装在油箱盖板42上；溢流阀40接在齿出轮泵39的油口，其T口和回油过滤器相连，当压力超过设定压力的时候，溢流阀打开，系统的压力油经过回油过滤器41回油箱；
[0013] 整机的传动：如图15所示泵站的出油口接控制阀组，控制阀组的油路分别连接回转马达16、起升马达12和变幅液压缸4。控制阀组控制通过控制油路的通断，控制回转马达16、起升马达12和变幅液压缸4的运动，完成实验台的起升、回转和变幅。当需要改变起升、回转和变幅运动的速度及加速度时，通过PLC控制变频器改变变频电机35的转速，进而改变齿轮泵39的转速，即改变了系统的流量，起升、回转和变幅机构的运动速度也随之改变。
[0014] 测试部分：系统起升的速度和加速度通过输出轴上的起升编码器14测得，回转速度和加速度通过安装在起升减速器19上的回转编码器22测得，臂架的倾角由安装在臂架上的倾角传感器34测得，变幅速度由安装在液压系统中的流量计测得的流量换算得到，四个支撑脚的荷重由安装在实验台底部的四个称重传感器26测得；起升机构配有过卷限位33，回转机构配有左接近开关23-1和右接近开关23-2，当转台24上焊接的挡板转动到左接近开关23-1或者右接近开关23-2正上方时，回转急停，限制转台24的回转角度在0°-180°内；变幅液压缸4的无杆腔装有压力变送器，用于测定变幅过程系统压力随幅度变化，同时压力变送器连接PLC作为变幅到位的逻辑判断；上述采集到的信号都可通过上位机监测显示。
[0015] 所述的系统动力源采用1.5Kw变频电机带动排量为8mL/r定量齿轮泵作为液压变频动力源，回转机构和起升机构采用摆线马达。
[0016] 所述的臂架实现三种臂长，除臂架顶节和底节不同外，中间臂节完全相同，加长或缩短臂架，对应不同的要求；在第一个中间臂节上弦杆上部贴有应变片，通过应变仪将动态应力输出到上位机上。
[0017] 所述的臂架采用壁厚12*12*0.7的06Cr19Ni 10不锈钢管焊接而成，同一臂节相交的腹杆、弦杆、立杆的中轴线的延长线相交于一点。
[0018] 所述的荷重传感器下方的球头与支脚相配合，支脚高度调整采用细牙螺纹。
[0019] 所述的变幅机构的臂架结构的其它组装形式：通过测试系统测出左应变片31-1和右应变片31-2两点的应力大小，通过比较，保证测出的内力与理论分析相同。
[0020] 本发明的有益效果在于：能完成以演示实验、力学分析综合实验和开放性PLC编程实验。通过本实验平台的实验促使学生将所学的专业理论课程融会贯通，为后继的专业课的学习、本科毕业设计、甚至以后的工作奠定良好的基础。本实验课程也会相应的提升学生学习兴趣，通过参与实验设计使学生感受到起重机设计流程和分析要点，激发学生探知更深层次知识的欲望。
附图说明
[0021] 图1是本发明的总体主视图。
[0022] 图2是本发明的总体轴测图。
[0023] 图3是起升系统机构主视图。
[0024] 图4是起升系统机构左视图。
[0025] 图5是回转机构示意图。
[0026] 图6是底座结构示意图。
[0027] 图7是图6中A的局部放大图，即调节支脚和荷重传感器的装配示意图。
[0028] 图8是一种臂架总成的主视图。
[0029] 图9是图8中臂架总成的俯视。
[0030] 图10桁架进行任意组装的示意图。
[0031] 图11为另外一种桁架组装示意图。
[0032] 图12是泵站上盖总成装配俯视图。
[0033] 图13是泵站的主视图。
[0034] 图14是泵站的左视图。
[0035] 图15是泵站传动控制的简图
[0036] 图中：1臂架总成，2-1后滑轮，2-2前滑轮，3转台，4变幅液压缸，5起升机构总成，6回转机构总成，7底座总成，8钢丝绳，9砝码，10卷筒，11起升马达输入转接盘，12起升马达，13起升减速器，14起升编码器，15起升编码器转接盘，16回转马达，17回转马达转接盘，18回转马达转接轴，19回转减速器，20回转编码器连接轴，21回转编码器转接盘，22回转编码器，
23-1左接近传感器，23-2右接近传感器，24底座，25回转减速器连接下法兰，26称重传感器，
27支脚外圈，28支脚内圈，29底节，30中间臂节，31-1左应变片，31-2右应变片，32顶节，33过卷限位，34倾角传感器，35变频电机，36齿轮泵转接盘，37弹性联轴器，38齿轮泵转接轴套，
39齿轮泵，40溢流阀，41回油过滤器，42油箱盖板，43油箱。
具体实施方式
[0037] 以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
[0038] 起升机构：如图1、图3和图4所示，滑轮2-1和臂架总成1可以绕轴转动，后滑轮2-1上缠绕有钢丝绳，滑轮2-2安装在臂架头部的销轴上，可以绕轴转动，滑轮2-1和滑轮2-2钢丝绳改变钢丝绳的缠绕方向，使其顺利缠绕到卷筒10上。卷筒10连接在起升减速器13的输出轴的左端，起升马达12通过起升马达输入转接盘11连接在起升减速器13的输入端，起升编码器14通过起升编码器转接盘15连接在起升减速器13输出轴的右端。当起升马达12旋转时可带动缠绕固定在卷筒10上的钢丝绳8提升砝码9。整个起升机构通过起升减速器13固定在转台3上。
[0039] 变幅机构：如图1和图2所示，臂架总成1铰接在转载转台3上的销轴上，可以绕轴转动。变幅液压缸4伸出杆和臂架总成1铰接，幅液压缸4的尾部和转台3铰接。当液压缸伸长时可改变臂架的幅度，臂架在最大幅度时成水平，也是臂架的起始位置。
[0040] 回转机构：回转机构总成6起到连接底座总成7和转台3的作用。如图5所示，回转马达16通过回转马达转接盘17固定在回转减速器19的输入端的左端，动力经回转马达转接轴18传递到回转减速器19，回转编码器22通过回转编码器连接轴20和回转编码器转接盘21，连接在回转减速器19的输入端的右端。回转减速器19为蜗轮蜗杆减速器，其内圈通过回转减速器连接下法兰25和底座24固连，其外圈和转台相连，回转马达16动力经过减速后可驱动转台3的回转。如图6所示，左接近传感器23-1和右接近传感23-2，通过固定架安装并固定在24底座上，关于底座24轴线对称且在一条直线上，回转减速器连接下法兰25焊接在底座
24上，并和回转减速器19的内圈相接。
[0041] 调平机构：如图7，称重传感器26上部通过法兰连接在底座24上，下部的球头压在支脚内圈28上部的凹槽中，支脚外圈27和内圈28采用M60的细牙螺纹配合。采用圆柱销固定内圈不动，拧动外圈可调节支撑高度，模拟起重机倾斜工况。
[0042] 变幅机构的臂架结构：如所图8和图9，臂架总成由两个中间臂节30连接起底节29和顶节32，其间的简介均采用铰接。过卷限位33安装在顶节32上采用重锤式限位，倾角传感器34安装在底节和臂架整体成45°角。左应变片31-1和右应变片31-2分别贴在第一个中间臂节30的两个上弦杆上表面。变幅机构的臂架结构的其它组装形式：如图10所示，图8述结构可以通过组装进行变化，学生在进行实验过程中通过测试系统测出左应变片31-1和右应变片31-2两点的应力大小，之后采用手算比较，可保证测出的内力与理论分析相同。
[0043] 系统动力源：采用容积调速的液压传动，采用如所图12和13所示，变频电机35固定在油箱盖板42上，油箱盖板42固定在油箱43上。齿轮泵39通过齿轮泵转接盘36固定在变频电机35输出端，变频电机35的输出轴和齿轮泵39的输入轴通过弹性联轴器37以及齿轮泵转接轴套38相连接，其中，变频电机35的输出轴插入弹性联轴器37的主动端的内孔中，齿轮泵39转接轴套38的外圈插入弹性联轴器37从动端的内圈。齿轮泵39的输入轴插入齿轮泵转接轴套38中。从而变频电机可以带动齿轮泵39运转，从油箱43中吸油。齿轮泵转接轴套38的作用等于是加粗了齿轮泵的输入轴，使得其能够和所选的联轴器相配合。回油过滤器41安装在油箱盖板42上。溢流阀40接在齿轮泵39的出油口，其T口和回油过滤器相连，当压力超过设定压力的时候，溢流阀打开，系统的压力油经过回油过滤器41回油箱。
[0044] 整机的传动：如图15所示泵站的出油口接控制阀组，控制阀组的油路连接到回转马达16、起升马达12、变幅液压缸4。控制阀组控制通过控制油路的通断，从而控制回转马达16、起升马达12、变幅液压缸4的运动，完成实验台的起升、回转、变幅。当需要改变起升、回转、变幅运动的速度及加速度的时候，可以通过PLC控制变频器变频器改变变频电机35的转速，从而改变齿轮泵39的转速，即改变了系统的流量，起升、回转、变幅机构的运动速度也随之改变。
[0045] 测试部分：通过以上描述可知，系统起升的速度和加速度可通过输出轴上的起升编码器14测得，回转速度和加速度可以通过安装在起升减速器19上的回转编码器22测得，臂架的倾角由安装在臂架上的倾角传感器34测得，变幅速度可以由安装在液压系统中的流量计测得的流量换算得到，四个支撑脚的荷重由安装在实验台底部的四个称重传感器26测得。起升机构配有过卷限位33，回转机构配有左接近开关23-1和右接近开关23-2，当转台24上焊接的挡板转动到左接近开关23-1或者右接近开关23-2正上方时，回转急停，这样便限制转台24的回转角度在0°-180°内。变幅液压缸4的无杆腔装有压力变送器，可测定变幅过程系统压力随幅度变化的关系，同时压力变送器连接PLC作为变幅到位的逻辑判断。上述采集到的信号都可通过上位机监测显示。
[0046] 以上具体实施方式仅为本创作的最佳实例，并不用于限制本创作的精神及原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本创作的保护范围之内。
