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机械原理课程设计说明书

34
2020年4月19日
文档仅供参考

机械原理课程设计说明书

题目：码头吊车机构的设计及分析 

班 级 ：机械0908
姓 名 ：
学 号 ：
指导教师 ：
成 绩 ：

年 9 月 23 日

目录

1.设计题目 2
1.1机构简图 2
1.2已知条件 2
1.3设计要求 3
2. 运动方案及机构设计 4
2.1连架杆O3C摆动范围的确定 4
2.2曲柄摇杆机构尺寸的设计 7
3.运动分析计算及动态静力分析 8
3.1整体机构运动分析 8
3.1.1实虚参对照表 8
3.1.2程序 8
3.1.3运行结果 10
3.1.4线图 10
3.2整体机构动态静力分析 11
3.2.1实虚参对照表 11
3.2.2程序 12
3.2.3线图 14
3.2.4运行结果 15
4.主要收获 18

   码头吊车机构的设计及分析  

一、题目说明
图示为某码头吊车机构简图。它是由曲柄摇杆机构与双摇杆机构串联成的。
已知：lo1x=2.86m, lo1y=4m, lo4x=5.6m, lo4y=8.1m, l3=4m, l3'=28.525m, a3'=0.25°, l3´´=8.5m, a3´´=7°, l4=3.625m, l4´=8.35m, a4'=184°，l4´´=1m, a4´´=95°, l5=25.15m, l5'=2.5m, a5'=24°。图中S3、S4、S5为构件3、4、5的质心，构件质量分别为：m3=3500kg, m4=3600kg, m5=5500kg,K点向左运动时载重Q为50kN，向右运动时载重为零，曲柄01A的转速n3=1.06r/min。

二、内容要求与作法
1.对双摇杆机构O3CDO4进行运动分析，以O3C为主动件，取步长为1°计算K点位置，根据K点的近似水平运动要求，依据其纵坐标值决定O3C的摆动范围。
2.按O3C的摆动范围设计曲柄摇杆机构O1ABO3，使摇杆O3B的两个极限位置对应于选定是K点轨迹范围。
3.对整个机构进行运动分析，绘出K点水平方向的位移、速度和加速度线图。
4.只计构件3、4、5的质量，进行机构的动态静力分析，绘制固定铰链处反力矢端图及平衡力矩Td线图。
上机前认真读懂所用的子程序，自编主程序，初始位置取K点的右极限位置。主程序中打开一数据文件“DGRAPS”，写入需要显示图形的数据。
三、课程设计说明书内容
上机结束后，每位学生整理课程设计说明书一份，其内容应包括：
1.机构简图和已知条件
2.连架杆O3C摆动范围的确定方法及曲柄摇杆机构尺寸的设计过程。
3.杆组的拆分方法及所调用的杆组子程序中虚参与实参对照表。
4.自编程序中主要标识符说明。
5.主程序框图。
6.自编程序及计算结果清单。
7.各种线图：①K点坐标位置；②K点水平位移、速度和加速度线图；③平衡力矩线图；④固定铰链处反力矢端图。
8.以一个位置为例，用图解法对机构进行运动分析，与解析法计算结果比较误差。
9.主要收获与建议。
指导教师参考上述内容提出具体要求，学生按指导教师的要求书写并装订成册。

一、题目说明：

11点向左运动时载重Q为50 kN, 向右运动时载重为零，曲柄Ⅰ的转速n3=1.06r/min
已知尺寸：
固定铰链坐标：P4x=P4y=0, P1x=2.86 m, P1y=4 m, P7x=5.6 m, P7y=8.1 m ,
杆长：r45=28.525 ; r56=3.625 ; r67=25.15 ; r43=4.0 ; r511=8.35 ;
r48=8.5 ; r59=1.0 ; r710=2.5;
构件质量：m3=3500 kg, m4=3600kg , m5=5500kg,

9 9
IV IV
5 6 5 6
11 11 5
V V

III 7 III 7
8 II 2 10 8 II 2 10
3 3 2
I I
1 1
4 4

机构简图 拆分杆组

二 运动方案及机构设计：
① 以构件3为主动件：
(1) 调用bark函数求5点的运动参数
形参
n1 n2 n3 k r1 r2 gam t w e p vp ap
实参
4 5 0 3 r45 0.0 0.0 t w e p vp ap
(2) 调用rrrk函数求6点的运动参数
形参
m n1 n2 n3 k1 k2 r1 r2 t w e p vp ap
实参
1 5 7 6 4 5 r56 r67 t w e p vp ap
(3) 调用bark函数求4构件的位置角，角速度，角加速度和11点的位置，速度，加速度
形参
n1 n2 n3 k r1 r2 gam t w e p vp ap
实参
5 0 11 4 0.0 r511 gam1 t w e p vp ap

(4) 程序 – 对11点的运动轨迹分析

#include "graphics.h"
#include "subk.c" / *运动分析子程序*/
#include "draw.c" /*绘图子程序*/

main()
{
static double p[20][2],vp[20][2],ap[20][2],del;
static double t[10],w[10],e[10],pdraw[370],vpdraw[370],apdraw[370];
static int ic; /*定义静态变量*/
double r45,r56,r511,r67;
double gam1;
double pi,dr;
double r2,vr2,ar2;
int i; /*定义局部变量*/
FILE *fp;
/*定义文件指针变量*/
r45=28.525; r56=3.625; r511=8.35; r67=25.15;
gam1=-184.0; del=1.0;
/*赋值*/
t[4]=0.0; w[4]=0.0; e[4]=0.0;
w[1]=0.0; e[1]=0.0;
pi=4.0*atan(1.0); dr=pi/180.0; /*求弧度*/
gam1=gam1*dr;
p[4][1]=0.0;
p[4][2]=0.0;
w[3]=1.06*2*pi/60；
p[7][1]=5.6;
p[7][2]=8.1; /*赋值*/
printf(" \n The Kinematic Parameters of Point 11\n");
printf("No THETA1 S11 V11 A11\n");
printf(" deg m m/s m/s/s\n");
/*在屏幕上写表头*/
if((fp=fopen("file1","w"))==NULL)
{
printf(" Can't open this file.\n");
exit(0);
}

fprintf(fp," \n The Kinematic Parameters of Point 11\n");
fprintf(fp,"No THETA1 S11 V11 A11\n");
fprintf(fp," deg m m/s m/s/s");
/*在文件filel中写表头*/

ic=(int)(360.0/del);
for(i=0;i<=ic;i++)
{
t[3]=(i)*del*dr;
bark(4,5,0,3,r45,0.0,0.0,t,w,e,p,vp,ap);
rrrk(1,5,7,6,4,5,r56,r67,t,w,e,p,vp,ap);
bark(5,0,11,4,0.0,r511,gam1,t,w,e,p,vp,ap);
printf("\n%2d %12.3f%12.3f%12.3f%12.3f",i+1,t[3]/dr,
p[11][2],vp[11][1],ap[11][1]);
fprintf(fp,"\n%2d %12.3f%12.3f%12.3f%12.3f",i+1,t[3]/dr,
p[11][2],vp[11][1],ap[11][1]);

pdraw[i]=p[11][2];
vpdraw[i]=vp[11][1];
apdraw[i]=ap[11][1];

if((i%10)==0){getch();}
}
fclose(fp);
getch();
draw1(del,pdraw,vpdraw,apdraw,ic);
getch();
}

(5) 数据 -- 随主动件3演变的11点运动参数（从全部数据中筛选出的数据）

The Kinematic Parameters of Point 11
No THETA1 S11 V11 A11
deg m m/s m/s/s
93 92.000 29.651 -6.540 -17.087
94 93.000 20.156 -14.109 87.044
95 94.000 20.127 -8.763 14.530
96 95.000 20.176 -7.239 6.574
97 96.000 20.244 -6.444 3.914
98 97.000 20.315 -5.938 2.660
99 98.000 20.385 -5.580 1.955
100 99.000 20.451 -5.309 1.515
101 100.000 20.511 -5.096 1.219
102 101.000 20.565 -4.921 1.011
103 102.000 20.612 -4.775 0.859
104 103.000 20.653 -4.649 0.744
105 104.000 20.686 -4.540 0.655
106 105.000 20.713 -4.442 0.586
107 106.000 20.733 -4.355 0.531
108 107.000 20.747 -4.275 0.487
109 108.000 20.755 -4.201 0.451
110 109.000 20.756 -4.132 0.422
111 110.000 20.752 -4.068 0.399
112 111.000 20.742 -4.007 0.380
113 112.000 20.727 -3.948 0.364
114 113.000 20.708 -3.892 0.352
115 114.000 20.684 -3.838 0.343
116 115.000 20.656 -3.784 0.336
117 116.000 20.625 -3.732 0.331
118 117.000 20.591 -3.680 0.328
119 118.000 20.555 -3.629 0.328
120 119.000 20.517 -3.577 0.329
121 120.000 20.478 -3.525 0.333
122 121.000 20.439 -3.472 0.338
123 122.000 20.401 -3.418 0.347
124 123.000 20.364 -3.363 0.358
125 124.000 20.331 -3.305 0.373
126 125.000 20.302 -3.245 0.393
127 126.000 20.280 -3.181 0.419
128 127.000 20.266 -3.113 0.454
129 128.000 20.263 -3.038 0.500
130 129.000 20.275 -2.955 0.564
131 130.000 20.306 -2.859 0.655
132 131.000 20.361 -2.746 0.791
133 132.000 20.450 -2.606 1.006
134 133.000 20.586 -2.422 1.380
135 134.000 20.791 -2.154 2.124
因此O3C的摆动范围为93°~134°

② 计算主动件和连杆杆长:
(1) 程序:
#include"math.h"
#include"stdio.h"
main(){
static double l1,l2,l3,l4,max,min ;
static double lx,ly ;
static double thea0,thea1,thea2,pi,dr;
/*弧度率*/
pi=4.0*atan(1.0); dr=pi/180.0 ;
/*赋值*/
l3=4.0 ; l4=sqrt(2.86*2.86+4*4) ;
lx=2.86 ; ly=4.0 ;
thea0=atan2(ly,lx)+25.0*dr ;
thea1=93.0*dr-thea0; thea2=134.0*dr-thea0 ;
/*计算两杆长度*/
min=sqrt(l3*l3+l4*l4-2*l3*l4*cos(thea1)) ; max=sqrt(l3*l3+l4*l4-2*l3*l4*cos(thea2));
l2=(max+min)/2; l1=(max-min)/2;
printf("\n\nl1=%12.3f l2=%12.3f",l1,l2);
}
(2) 数据 :
l1=1.388 l2=2.780
三、运动分析计算及动态静力分析
1.以构件1为主动件对整体运动分析：
(1) 调用bark函数求2点的运动参数
形参
n1 n2 n3 k r1 r2 gam t w e p vp ap
实参
1 2 0 1 r12 0.0 0.0 t w e p vp ap
(2) 调用rrrk函数求3点的运动参数
形参
m n1 n2 n3 k1 k2 r1 r2 t w e p vp ap
实参
1 4 2 3 3 2 r34 r23 t w e p vp ap
(3) 调用bark函数求5点的运动参数
形参
n1 n2 n3 k r1 r2 gam t w e p vp ap
实参
4 0 5 3 0.0 r45 gam1 t w e p vp ap
(4) 调用rrrk函数求6点的运动参数
形参
m n1 n2 n3 k1 k2 r1 r2 t w e p vp ap
实参
1 5 7 6 4 5 r56 r67 t w e p vp ap
(5) 调用bark函数求11点的运动参数
形参
n1 n2 n3 k r1 r2 gam t w e p vp ap
实参
5 0 11 4 0.0 r511 gam2 t w e p vp ap

(6) 程序 -- 对11点位置，速度，加速度分析:
# include "graphics.h"
# include "subk.c"
# include "draw.c"
main(){
/*定义静态数组*/
static double p[20][2],vp[20][2],ap[20][2] ;
static double t[10],w[10],e[10] ;
static double pdraw[370],vpdraw[370],apdraw[370] ;
/*定义变量*/
static int ic ;
double del,pi,dr ;
double r45,r56,r67,r511,r34,r12,r23 ;
double gam1,gam2 ;
int i ;
FILE *fp ;
/*按顺序赋值*/
del=10.0 ; pi=4.0*atan(1.0) ; dr=pi/180.0 ;
p[4][1]=0.0 ; p[4][2]=0.0 ;
p[7][1]=5.6 ; p[7][2]=8.1 ;
p[1][1]=2.86 ; p[1][2]=4.0 ;
t[1]=0.0 ; w[1]=1.06*2*pi/60;
r45=28.525 ; r56=3.625 ;
r67=25.15 ; r511=8.35 ; r34=4.0 ;
r12=1.388 ; r23=2.780 ;
gam1=25.0*dr ; gam2=176.0*dr ;
/*打印标题*/
printf("\n The Kinematic Parameters of Point 11 \n") ;
printf("No. THETA1 S11y S11x V11 A11 \n") ;
printf(" deg m m m/s m/s/s\n");
if((fp=fopen("file_MO2.c","w"))==NULL){
printf("Can't open this file.\n");
exit(0);
}

fprintf(fp,"\n The Kinematic Parameters of Point 11 \n") ;
fprintf(fp,"No. THETA1 S11y S11x V11 A11 \n") ;
fprintf(fp," deg m m m/s m/s/s\n");
/*加入1,3点运动分析*/
ic=(int)(360.0/del);
for(i=0;i<=ic;i++){
t[1]=(i)*del*dr;

bark(1,2,0,1,r12,0.0,0.0,t,w,e,p,vp,ap) ;
rrrk(1,4,2,3,3,2,r34,r23,t,w,e,p,vp,ap) ;
bark(4,0,5,3,0.0,r45,gam1,t,w,e,p,vp,ap) ;
rrrk(1,5,7,6,4,5,r56,r67,t,w,e,p,vp,ap) ;
bark(5,0,11,4,0.0,r511,gam2,t,w,e,p,vp,ap) ;

printf("\n%2d%12.3f%12.3f%12.3f%12.3f%12.3f",i+1,t[1]/dr,p[11][2],p[11][1],vp[11][1],ap[11][1]);
fprintf(fp,"\n%2d%12.3f%12.3f%12.3f%12.3f%12.3f",i+1,t[1]/dr,p[11][2],p[11][1],vp[11][1],ap[11][1]);
pdraw[i]= p[11][1] ; vpdraw[i]=vp[11][1] ; apdraw[i]=ap[11][1] ;
if((i%4)==0){getch();}
}
fclose(fp); getch() ;
draw1(del,pdraw,vpdraw,apdraw,ic);
}
(7) 线图 -- 11点水平位移，速度，加速度线图

(8) 数据 – 随主动件1演变的11点运动参数

The Kinematic Parameters of Point 11
No. THETA1 S11y S11x V11 A11
deg m m m/s m/s/s

1 0.000 20.132 -1.408 0.471 -0.155
2 10.000 20.156 -0.921 0.106 -0.312
3 20.000 20.142 -1.158 -0.399 -0.285
4 30.000 20.122 -2.089 -0.756 -0.181
5 40.000 20.158 -3.481 -1.004 -0.140
6 50.000 20.266 -5.224 -1.207 -0.119
7 60.000 20.422 -7.259 -1.375 -0.093
8 70.000 20.583 -9.522 -1.495 -0.060
9 80.000 20.705 -11.932 -1.561 -0.023
10 90.000 20.756 -14.400 -1.570 0.011
11 100.000 20.725 -16.842 -1.527 0.042
12 110.000 20.625 -19.179 -1.439 0.069
13 120.000 20.486 -21.347 -1.312 0.092
14 130.000 20.351 -23.288 -1.151 0.113
15 140.000 20.270 -24.951 -0.960 0.131
16 150.000 20.286 -26.292 -0.742 0.145
17 160.000 20.419 -27.276 -0.507 0.152
18 170.000 20.627 -27.887 -0.273 0.143
19 180.000 20.781 -28.147 -0.061 0.129
20 190.000 20.735 -28.080 0.151 0.147
21 200.000 20.525 -27.644 0.414 0.187
22 210.000 20.328 -26.753 0.722 0.199
23 220.000 20.263 -25.378 1.021 0.176
24 230.000 20.333 -23.573 1.261 0.126
25 240.000 20.478 -21.459 1.412 0.064
26 250.000 20.625 -19.185 1.466 0.007
27 260.000 20.724 -16.891 1.441 -0.035
28 270.000 20.756 -14.680 1.365 -0.059
29 280.000 20.727 -12.612 1.264 -0.068
30 290.000 20.651 -10.710 1.157 -0.067
31 300.000 20.547 -8.971 1.056 -0.061
32 310.000 20.432 -7.384 0.965 -0.055
33 320.000 20.319 -5.932 0.884 -0.049
34 330.000 20.223 -4.601 0.810 -0.046
35 340.000 20.154 -3.385 0.735 -0.051
36 350.000 20.123 -2.298 0.640 -0.075
37 360.000 20.132 -1.408 0.471 -0.155
2.对整体机构动态静力分析
(1) 调用bark函数求2点的运动参数
形参
n1 n2 n3 k r1 r2 gam t w e p vp ap
实参
1 2 0 1 r12 0.0 0.0 t w e p vp ap
(2) 调用rrrk函数求3点的运动参数
形参
m n1 n2 n3 k1 k2 r1 r2 t w e p vp ap
实参
1 4 2 3 3 2 r34 r23 t w e p vp ap
(3) 调用bark函数求5点的运动参数
形参
n1 n2 n3 k r1 r2 gam t w e p vp ap
实参
4 0 5 3 0.0 r45 gam1 t w e p vp ap
(4)调用bark函数求8点的运动参数
形参
 n1 n2 n3 k r1 r2 gam t w e p vp ap
实参
4 0 8 3 0.0 r48 gam9 t w e p vp ap
(5)调用rrrk函数求6点的运动参数
形参
m n1 n2 n3 k1 k2 r1 r2 t w e p vp ap
实参
1 5 7 6 4 5 r56 r67 t w e p vp ap
(6)调用bark函数求9点的运动参数
形参
 n1 n2 n3 k r1 r2 gam t w e