多段式末端承載伸縮臂結構優(yōu)化設計

鄧輝明

（福建交通職業(yè)技術學院，福建 福州 350007）

1 前言

多段式伸縮臂在現(xiàn)代機械中的應用非常廣泛，如吊車的起重臂。伸縮臂的段數(shù)、截面形狀、工作中的載荷分布也各不相同。在當前多段式的伸縮臂設計中，多數(shù)都運用了現(xiàn)代優(yōu)化設計的方法，如有限元分析，對其進行優(yōu)化，以期達到使設計最優(yōu)的目的。在運用有限元分析設計中需要根據(jù)其結構建模、網(wǎng)格劃分、分析計算等工作。其基本結構和基本參數(shù)本身是否相對合理，對其建模、運算量、運算結果的準確都具有很大的影響。伸縮臂的典型截面為箱式截面，通常的承載方式為末端載荷，本文以這種伸縮臂為例，對其結構進行結構的基本設計和優(yōu)化。

2 計算工況及受力分析

以三段式伸縮臂為例，伸縮臂在其工作情況下的最危險工況應綜合考慮伸縮臂的工作長度、伸縮臂與水平面的夾角及此時末端載荷值。因此，首先必須根據(jù)紳縮臂的應用場合確定其最危險的工作情況。其受力情況如圖1所示。

圖1中，Q為伸縮臂末端承重，S為起升繩拉力。伸縮臂所受的載荷包括末端承重，自重及由于伸縮臂起伸運行、啟動或制動引起的載荷。根據(jù)伸縮縮臂載荷情況，載荷分為變幅平面內(nèi)載荷和回轉平面載荷。

變幅平面載荷：載荷Q先根據(jù)末端承重、起升載荷動載系數(shù)確定，在設計基本結構后再根據(jù)材料密度疊加自重并考慮伸縮臂接合處加強板重量加以修正。起升繩拉力根據(jù)滑輪組的倍數(shù)m，滑輪組的機械效率η確定。β由伸縮臂長度及起升繩與伸縮臂鉸接點的距離確定。

圖1 伸縮臂受力圖

變幅平面末端受力簡圖如圖2所示。

圖2 變幅平面末端受力簡圖

因此，伸縮臂所受的彎矩Mb=［Q·cos（α）-S·Sin（β）］·L

式中：Q為末端載荷；S為起升繩拉力；L為紳縮臂長度。

伸縮臂所受的壓力：Fb=Q·Sin（α）-S·cos（β）

回轉平面受力載荷：

回轉平面的載荷根據(jù)參考文獻［1］有：

Ty=Th+Tb=（Q+G0）tanu+0.4（Pw+Ph）

式中：Th為偏擺載荷；Tb為轉化到到臂端的伸縮臂風載荷和慣性載荷；Q為臂端垂直載荷；u為貨物偏擺角；Pw為風載；Ph為回轉時伸縮臂慣性力。

其中u，Pw，Ph根據(jù)回轉時的加速度可以求得。由參考文獻［2］，取回轉加速度0.01rad/s2，風載150Pa，Ph=0.05Q。

3 優(yōu)化設計的基本思路

（1）根據(jù)應用場合，確定伸縮臂最大總長度L，最長臂的長度L’，最多可能的分段數(shù)n，起升繩與伸縮臂鉸點距離m，最危險工況下伸縮臂與水平的夾角α及此時的最大載荷Q。

（2）選擇材料，確定彎曲許用應力，材料彈性模量等基本參數(shù)。

（3）根據(jù)變幅平面與回轉平面載荷比及參考文獻，伸縮縮臂截面的寬高比取0.7。

（4）以伸縮臂變幅平面所受彎矩Mb、回轉平面的載荷Ty作用下的彎曲強度為設計準則，以伸縮臂所受軸向壓力Fb下的穩(wěn)定性為校驗，用計算機程序以循環(huán)的方式搜索不同分段數(shù)、每段長度（不大于最長臂的長度），箱形截面的側板高度變化的情況下的各段載面壁厚，再根據(jù)材料密度得出伸縮臂的初算總重量。

（5）根據(jù)初算的總重量重并適當考慮各段接頭加強板重量，再次計算變幅平面載荷Q、回轉平面載荷Ty，重新計算，根據(jù)最終的分段數(shù)，各段臂長，伸縮臂截面?zhèn)劝甯叨取⑸炜s臂寬度，板厚，求伸縮臂最終總重量，以最終總重量為優(yōu)化目標，得出最終伸縮臂的結構參數(shù)。

多段式末端承載伸縮縮臂結構優(yōu)化設計的結果，方便了后續(xù)的運用有限元分析優(yōu)化的模型的合理性，減少了運算量，使得最終優(yōu)化設計的結果更準確、更合理。

［1］焦文瑞，孔慶華.汽車起重機箱形伸縮式吊臂的有限元分析［J］.工程機械，2007，（9）.

［2］曾午平，衛(wèi)保良.160t鐵路救援起重機伸縮式吊臂有限元分析及優(yōu)化［J］.起重運輸機械，2010，（1）.

［3］胡鐵華，唐洪學，馬成林.汽車起重機箱形伸縮吊臂最優(yōu)設計［J］.長春郵電學院學報，1996，（2）.

［4］柳葆生，王金諾.汽車起重機伸縮臂滑塊作用處局部應力的計算［J］.起重運輸機械，1994，（5）.