基于Creo的汽車起重機(jī)吊鉤設(shè)計(jì)與分析

谷豐

摘 ?要：吊鉤是汽車起重機(jī)復(fù)雜系統(tǒng)中的關(guān)鍵執(zhí)行機(jī)構(gòu)，發(fā)揮著重物與起重機(jī)之間的連接作用，也是起重機(jī)中重要的受力部件。目前對(duì)吊鉤的設(shè)計(jì)工作重點(diǎn)集中在吊鉤組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這個(gè)設(shè)計(jì)過程對(duì)吊鉤的受力校核分析是不夠充分的，而吊鉤的失效斷裂有可能導(dǎo)致重大的人身安全事故，因此應(yīng)用有限元分析方法對(duì)吊鉤進(jìn)行強(qiáng)度分析是很有必要的工作。

關(guān)鍵詞：Creo;汽車起重機(jī);吊鉤;設(shè)計(jì)

引言：

Creo是新型CAD軟件建模開發(fā)工具，主要包括Creo parametric三維建模模塊，Creo illustrate模塊，Creo simulate仿真分析模塊[1]。相關(guān)論文結(jié)論表明Creo自帶的仿真分析功能進(jìn)行模型分析足夠滿足校核強(qiáng)度的需求，因此本文主要是通過Creo進(jìn)行起重機(jī)吊鉤的設(shè)計(jì)與分析。

1 吊鉤組件三維模型建立

本文以起重量25t的主吊鉤為研究對(duì)象，該吊鉤共由31個(gè)零部件組成，但是影響吊鉤性能的關(guān)鍵零部件主要是鉤頭，下圖是吊鉤組件的分解圖。

1.1鉤頭模型建立

直柄單鉤鉤頭分為模鍛和自由鍛兩種鍛造方式，根據(jù)吊鉤使用工況選擇P級(jí)強(qiáng)度等級(jí)、M4工作級(jí)別，材質(zhì)為35CrMo，在吊鉤相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中選用12號(hào)鉤頭。在Creo中繪制鉤頭的草圖和截面，相關(guān)尺寸在吊鉤標(biāo)準(zhǔn)中查取，通過旋轉(zhuǎn)、邊界混合、實(shí)體化、拉伸等命令建立出鉤頭三維模型，如圖1.2所示。

1.2 鉤頭理論強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)吊鉤實(shí)際吊載狀態(tài)，鉤身1-2截面是危險(xiǎn)截面，截面的內(nèi)側(cè)是拉應(yīng)力和彎曲應(yīng)力之和，截面外側(cè)應(yīng)力是拉應(yīng)力與彎曲應(yīng)力之差，因此只需計(jì)算出截面內(nèi)側(cè)的理論應(yīng)力值，并與Cero simulate計(jì)算出的最大應(yīng)力作對(duì)比分析。

截面內(nèi)側(cè)的應(yīng)力為：

式中： 為1-2截面內(nèi)側(cè)的應(yīng)力，Mpa;F為吊鉤額定起升載荷，N;A為截面面積，mm2;k為與曲梁截面形狀有關(guān)的系數(shù)，對(duì)于該截面的標(biāo)準(zhǔn)吊鉤：k≈0.1;e1為截面重心至吊鉤內(nèi)緣距離，mm; 為吊鉤內(nèi)圓直徑，mm[2]。

吊鉤額定起重量為25t，可得F=245000N。截面面積可由Creo測(cè)量得到，A=10601mm2。利用軟件中的拉伸命令，將截面拉伸1mm高度，可以測(cè)量得到e1=61mm。尺寸a由吊鉤標(biāo)準(zhǔn)中查得為125mm。設(shè)計(jì)吊鉤時(shí)，一般會(huì)考慮超載1.25倍工況，疊加工作級(jí)別為M4的因素，鉤身需用應(yīng)力

2 吊鉤組件總質(zhì)量校核

主動(dòng)落鉤是指在空載情況下起重機(jī)能夠靠吊鉤自重落鉤。吊鉤下放時(shí)需要克服鋼絲繩僵性阻力、軸承阻力、鋼絲繩自重等阻力[3]。因此，為了滿足主動(dòng)落鉤要求，需要對(duì)吊鉤組件的總質(zhì)量進(jìn)行校核。

由此可判斷，該吊鉤的總質(zhì)量滿足主動(dòng)落鉤需求。

3 鉤頭有限元分析

通過Creo simulate模塊對(duì)鉤頭進(jìn)行材料定義，材質(zhì)選用35CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼，具有很高的靜力強(qiáng)度、沖擊韌性及較高的疲勞極限，其材料特性如表3.1所示。

鉤頭吊載時(shí)，相對(duì)于吊鉤組件不能產(chǎn)生垂直方向上的位移，所以定義鉤柄上端面為約束定義。鉤頭的載荷為吊鉤的額定起重量，載荷作用面選擇與實(shí)際工況相符的鉤頭內(nèi)緣下表面。基于Creo simulate模塊對(duì)鉤頭進(jìn)行網(wǎng)格自動(dòng)劃分，單元類型為四面體，單元數(shù)量12245。

從圖3.1應(yīng)力云圖可看出，危險(xiǎn)截面與理論分析一致，危險(xiǎn)截面1-2內(nèi)緣最大應(yīng)力是240.24MPa，與理論計(jì)算值225.6MPa相近，均小于許用應(yīng)力值，因此該吊鉤可以滿足強(qiáng)度要求。從圖3.2變形云圖看出，鉤頭受到拉應(yīng)力與彎曲應(yīng)力影響，鉤頭尖頭部位發(fā)生最大位移1.026mm，此位移值較小，因此不會(huì)對(duì)吊鉤正常吊載產(chǎn)生影響。

4 結(jié)論

1）通過應(yīng)用Creo軟件建立三維模型，使用Creo simulate仿真分析模塊可以便捷的分析出吊鉤的受力與變形情況，分析結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相近，在設(shè)計(jì)工作中具有很強(qiáng)的實(shí)用性，可以縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。

2）吊鉤組件設(shè)計(jì)完成后，需要對(duì)組件的總質(zhì)量進(jìn)行校核，可以通過調(diào)整側(cè)板的厚度和外形增重或減重，以使吊鉤組件能滿足主動(dòng)落鉤要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]Li-xin Wang，Jun-hui Liu，，Lin-kai Chen.Simulation Comparison between PTC/Creo and Professional CAE Software[A].International Conference on Mechanical and Mechatronics Engineering.2017[C].DEStech Publications. 2017.

[2]工程起重機(jī)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

[3]起重機(jī)主動(dòng)落鉤的吊鉤最小質(zhì)量計(jì)算