淺析汽車起重機伸縮臂截面相似設(shè)計問題

劉成林 韓博

沈陽新松機器人自動化股份有限公司 遼寧沈陽 110000

1 伸縮臂截面形狀分析

起重機伸縮臂在應(yīng)用發(fā)展中，根據(jù)應(yīng)用條件，開發(fā)了如下幾種典型的截面形狀：多邊形（六邊形、四邊形）、梯形、橢圓形以及U型截面等。其中四邊形截面伸縮臂一般應(yīng)用在中小噸位的起重機中，其缺點是伸縮臂的承載能力不足，無法很好發(fā)揮出材料的力學(xué)性能；而五邊形和六邊形截面伸縮臂則具有較好的使用性能，其中五邊形截面具有倒V型特征，可以很好改善蓋板的穩(wěn)定性，可以發(fā)揮出材料力學(xué)性能；六邊形則是上下蓋板呈現(xiàn)彎折形，受力非常合理，具有很高的抗屈服強度。伸縮臂U型截面在工作中可以均勻受力，能夠極大提高起重機穩(wěn)定性和安全性，并且結(jié)構(gòu)材料可以充分發(fā)揮力學(xué)性能，隨著其應(yīng)用發(fā)展，U型截面結(jié)構(gòu)可以進一步優(yōu)化，以滿足多種使用條件[1]。

2 伸縮臂的截面分析及截面形式的確定

2.1 吊臂截面的有限元對比分析

為了進一步提高穩(wěn)定性，在四邊形截面之后通過采用大圓弧過渡段設(shè)計出多邊形截面，更好的降低腹板的高度，使應(yīng)力不至于過度集中，幫助改善局部的抗失穩(wěn)能力。八邊形以及大圓角矩形截面的下翼緣板走與腹板的實際寬度相比要小很多，由此也沒更好的降低結(jié)構(gòu)重量，八邊形和大圓角矩形截面更適用于大噸位汽車起重機。橢圓形截面的上彎板是大圓弧形狀的槽板，下彎板是凹槽形狀，截面面積上部大，下部小，能很好的優(yōu)化吊臂力量，提高抗扭性，橢圓形截面是起重吊臂截面的重要形式。除此之外，還有類橢圓形截面與準橢圓形截面。

橢圓形截面優(yōu)點突出，但也存在不少的問題。橢圓形截面能最大化的發(fā)揮材料的機械性能，非常適用于高強度材料，但其使用過程中需要側(cè)向支撐，對工藝的要求較為復(fù)雜。U形截面的下彎板是U型槽板，U形臂也能很好的發(fā)揮材料性能，幫助起重機更好的運行，除此之外，U形臂還能維持局部的穩(wěn)定，幫助實現(xiàn)起重機的穩(wěn)定運行[2]。

2.2 伸縮臂的截面材料選擇

伸縮臂的重量大概占到整機重量的13%到20%，有時候可能更高。要盡可能的對起重機的重量設(shè)計進行優(yōu)化，降低起重機臂的重量。當(dāng)材料確定后，要通過改進吊臂形式來改善吊臂的起重性能，也就是改變吊臂的截面形狀。進行截面優(yōu)化設(shè)計時，不能一味的減輕自重，要結(jié)合吊臂的形狀與性能，在保持吊臂性能不發(fā)生改變的情況下進行優(yōu)化，故而只能在保持其總高和總寬不變的前提下進行優(yōu)化。通常情況下，側(cè)板要選擇薄鋼板，厚度控制在4mm到8mm之間，為保證局部穩(wěn)定，可在每兩段中間加一橫向筋，以增加截面的強度。為滿足局部穩(wěn)定性，要適當(dāng)增加上蓋板的厚度，將吊臂做成等強度梁，從而起到減小自重的效果。在進行優(yōu)化設(shè)計問題工況選擇時，要著重考慮全伸臂工況，5噸汽車起重機的伸縮臂主體材料要選用HG70。

2.3 截面的選擇

伸縮臂的受載情況較多，自重載荷、側(cè)向載荷等都會對受載情況造成影響。對伸縮臂進行靜力學(xué)分析要結(jié)合動載效應(yīng)進行。文中所分析的起重機有5種工況，工況1到工況5為節(jié)臂全伸出與縮回的情況，各工況的起重量及臂長如下表1所示。

表1 某型隨車起重機各工況的起重量及臂長

對5種工況下的伸縮臂靜力學(xué)進行分析，結(jié)合其實際受載情況，為了對基本臂兩鉸孔的徑向自由度和軸向自由度進行約束，可將吊重加在伸縮臂的頭部。通過有限元軟件可得到各工況下的應(yīng)力值及變形分量，結(jié)合相關(guān)計算可得出表2的數(shù)據(jù)。

表2 伸縮臂靜力學(xué)分析結(jié)果

將U形截面與橢圓形截面進行對比可知，U形截面的優(yōu)勢更大，U形截面的位移較小，與橢圓形截面相比，發(fā)生屈曲的概率更小。但二者與其他截面相比，都是不容易發(fā)生屈曲的截面類型。

3 結(jié)語

隨著基建工程發(fā)展加快，機械起重工具日益受到關(guān)注，特別是汽車起重機，具有較高的靈活性和實用性。文章在總結(jié)分析了當(dāng)前汽車起重機伸縮臂的多種界面形狀基礎(chǔ)上，采用有限元分析手段，深入研究了汽車起重機伸縮臂的截面形式，并且對伸縮臂的截面材料選擇進行研究與實驗，最終得到以下幾個結(jié)論：

（1）汽車起重機伸縮臂的截面型式有多種，但U型截面在抗屈服方面具有更優(yōu)越性能，能夠更好發(fā)揮材料的性能[3]。

（2）采用U行截面，汽車起重機的伸縮臂能夠進一步優(yōu)化，控制經(jīng)濟成本，對于起重機的應(yīng)用具有一定的促進作用。