起重機伸縮臂結構工況分析與力學計算

摘 要：起重臂作為起重機的主要受力構件，其強度和剛度的強弱對整機的性能有很大影響。因此對起重機伸縮臂的強度和剛度分析以及結構的優化設計研究有深遠的現實意義。本文把汽車起重機伸縮臂作為研究對象，先結合起重機設計規范和相關力學知識對伸縮臂結構進行必要的力學分析。然后據實際工程作業情況，對起重機實際工況作出分析，選擇其中三種典型工況進行了相關分析研究。

關鍵詞：伸縮臂；工況分析；力學計算

一、引言

隨著我國城鎮化建設的快速發展，促使建筑業也蓬勃發展，造就了一批高大宏偉的建筑物。近年來，居民樓也由傳統的多層發展為高層，并且外觀造型新穎奇特，深受人們青睞。對如何維護新型建筑外觀的清潔與美觀提出了新的要求，所以對施工作業設備在日常施工、安裝以及維護有了更高的要求。此外，在經濟迅速發展，國家對基礎設施建設投入也逐漸增大，在建設規模越來越大的環境下，對起重安裝工程設備的需求量也隨之加大，并由之前傳統的半自動化作業向自動化，半機械化向機械化過渡，因此工程起重機的需求量開始快速增長，產量也是日新月異地刷新紀錄。值得一提的是，國內外有一個共通點——發展最為迅速的是汽車起重機。而汽車起重機關鍵部位在于吊臂，利用吊臂卸載負荷，可以提高起重機的作業范圍和作業難度。而汽車起重機的主要承載構件是吊臂，擔負著起重機的各種負荷，因而耗鋼量很大。其結構設計好壞，對起重機整體性能以及生產成本的控制將產生直接影響。因此很有必要對汽車起重機吊臂的結構設計、力學性能等進行充分的分析與辯證。

二、起重機吊臂發展動向

近年來，不難發現工程機械領域的起重機發展是很迅速的，為了適應以及改善用戶所提出的一些新性能，被廣泛應用于汽車起重機的一些運算理論和方法同時也得到了長足進步。知名企業做得很好，他們大多有自己的科研機構，對汽車起重機吊臂各種創新研究設計均有比較深入的認識。很多企業之前就已開始用有限元等新型計算方法，使得研究頗有成效，不但能較準確地校核結構的強度和剛度，還能降低了整機的自重，因此有效解決了強度與重量的矛盾。近年來由于CAD和CAE技術的發展，使得工程技術人員發揮創新創造的能力得到了很大提升，進而將這些新技術用在設備吊臂的設計上，將電算運用到全過程中，降低了產品的研發設計時間，使產品的設計水平大幅提升，使研制時間和成本大大縮短和降低，因此使得產品的經濟效益得到了巨大提升。截止當前，對汽車起重機吊臂的優化設計、穩定性分析等主要還是靠有限元來進行分析和研究，而箱形截面的吊臂則被用來研究起重機吊臂的強度及剛度。

三、隨車吊伸縮型臂架工況分析

汽車起重機作業過程中，其伸縮臂的實際工況較多。由于箱型截面伸縮臂可以實現伸縮，所以不必按非工作狀態下的工況進行強度、剛度驗算。只需在額定起重量、最小幅度和伸縮臂伸至最長三種工況下進行分析。因此，僅選用三組具有典型代表意義的工況為例來介紹U型截面四節臂的汽車起重機吊臂的有限元分析過程。根據《起重機設計手冊》50噸起重機性能表（如下表），選用以下三種工況，參數分別為：

四、隨車吊伸縮型臂架力學計算

工況分析一：伸縮臂三節臂均未伸出，達到工作最小幅度3m，載重記為G1，液壓缸對其支反力記為F1，液壓缸和基本臂鉸點與伸縮臂固定端水平距離記為L，伸縮臂末端與固定端水平距離記為L1。

設計得：L1=1.42m，L2=3m，吊重m1=5×104kg

根據力矩平衡原理M1+M2+M3=0得：F1=1037726N，G1=490000N

工況二：伸縮臂為中場臂，三節臂均為部分伸出，達到工作幅度5m，載重記為G2，液壓缸對其支撐力記為F2，液壓缸和基本臂鉸點與伸縮臂固定端水平距離記為L，伸縮臂末端與固定端水平距離為L2。

設計計算得：L1=1.42m，L2=5m吊重m2=24.7t

根據力矩平衡原理M1+M2+M3=0得：F2=854600N，

G2=242060N

工況三：伸縮臂三節臂完全伸出，達到全伸狀態，工作幅度為7m，載重記為G3，液壓缸對其支撐力記為F3，液壓缸和基本臂鉸點與伸縮臂固定端水平距離記為L，伸縮臂末端與固定端水平距離記為L3。

設計計算得：L=1.42m，L3=7m吊重m3=10.2t

根據力矩平衡原理 M1+M2+M3=0得：F3=594323N ，

G3=99960N

五、隨車吊伸縮臂數學模型的建立

伸縮式吊臂采用液壓缸實現變幅，作用在臂架上的載荷有起升載荷、自重、回轉慣性力以及風載荷等。臂架自重視為沿臂架長均勻分布，也可按重心位置分配至臂的根部鉸頂端。箱形伸縮式吊臂應按最小幅度吊最大起重量的工況進行計算。在最大幅度時起吊的最小起重量工況下驗算整機穩定性，因為在此工況下吊臂的承載能力有富余，所以不必驗算。

（一）吊臂在變幅平面所承受的載荷

（1）垂直載荷Q0

式中，φ1——起升沖擊系數；φ2——動載荷系數；Gb ——吊臂重力。

（2）根據力平衡方程算出截面所受的軸向力

A-A截面所受的橫向力FZ：

式中，φ3——風載荷轉化到臂端的轉化系數；

（3）A-A截面在變幅平面內所受的彎矩My

（二）吊臂在旋轉平面承受的載荷

伸縮臂在旋轉平面的側向載荷Fy。Fy=Q0tga3+ φ3 Pω2

式中，Pω2——側向風載荷。

A-A截面在回轉平面內所受的彎矩MZ

由以上受力分析可知，起重機伸縮臂架是以受彎為主的雙向壓彎構件。

六、結論

隨著現代化工程建設的增多，汽車起重機由于其自身的靈活性和便捷性已被越來越廣泛地應用于施工中，這就要求汽車起重機具有較強的承載能力，因此便對其強度和剛度提出了更高的要求。本文以此為出發點，以結構分析理論為基礎。選取合適的工況，對約束條件和載荷進行了詳細的分析和計算，并加載到模型的相應位置，對三種工況下的伸縮臂模型進行了力學分析。

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