隨車起重機(jī)立柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計與分析

□ 閻慧杰 □ 車 璐 □ 李俊峰 □ 李坦汀 □ 邵 騰

山西航天清華裝備有限責(zé)任公司 山西長治 046000

1 設(shè)計背景

折臂式隨車起重機(jī)是一種新型起重運輸機(jī)械,集運輸與起重于一體,屬于多功能產(chǎn)品,具有高效、快捷、靈活,以及維修維護(hù)方便等諸多優(yōu)點,已廣泛應(yīng)用于搶救搶修、車站吊裝等多個領(lǐng)域[1]。應(yīng)某競爭性采購項目需求,筆者承擔(dān)設(shè)計額定起重質(zhì)量不小于1 500 kg的某型號折臂式隨車起重機(jī)的任務(wù)。對標(biāo)隨車起重機(jī)技術(shù)要求,依托以往多種型號隨車起重機(jī)設(shè)計經(jīng)驗,對這一項目的折臂式隨車起重機(jī)進(jìn)行設(shè)計。

2 隨車起重機(jī)結(jié)構(gòu)

所設(shè)計的折臂式隨車起重機(jī)主要機(jī)械機(jī)構(gòu)包括底座、支腿油缸、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、立柱、動臂油缸、動臂、吊臂、吊臂油缸、吊鉤等,如圖1所示。立柱是折臂式隨車起重機(jī)的重要組成部件,立柱上部與動臂鉸接,立柱下部與底座總成連接,立柱同時與動臂油缸進(jìn)行鉸接。立柱是折臂式隨車起重機(jī)中連接底座與動臂的關(guān)鍵部件,筆者通過NX三維軟件完成折臂式隨車起重機(jī)立柱結(jié)構(gòu)的三維立體建模,應(yīng)用有限元仿真分析軟件對立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析,并對折臂式隨車起重機(jī)最大起重質(zhì)量工況進(jìn)行計算和強度校核,獲得最大起重質(zhì)量工況下立柱結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖與變形云圖,以此驗證立柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計是否滿足設(shè)計和性能要求[2]。

圖1 折臂式隨車起重機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)

3 技術(shù)要求

折臂式隨車起重機(jī)的技術(shù)要求如下:

(1) 額定起重質(zhì)量不小于1 500 kg;

(2) 在額定起重質(zhì)量工況下,工作幅度不小于2 500 mm;

(3) 回轉(zhuǎn)角度為360°;

(4) 結(jié)構(gòu)合理可靠,具有良好的防鹽霧、防濕熱性能;

(5) 立柱結(jié)構(gòu)自身質(zhì)量不大于110 kg。

4 立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 立柱結(jié)構(gòu)組成

立柱是折臂式隨車起重機(jī)中連接底座實現(xiàn)回轉(zhuǎn),且連接動臂實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件。立柱結(jié)構(gòu)組成如圖2所示,主要包括槽型板、加強板、貼板、齒輪軸、連接板、筋板、鉸接軸等部件。立柱結(jié)構(gòu)中,各部件通過焊接方式形成箱型結(jié)構(gòu)體。為了保證立柱結(jié)構(gòu)強度,在槽型板內(nèi)部兩側(cè)焊接加強板和貼板,在槽型板背面底部焊接筋板。采用槽型板,可以有效減小焊接量,實現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡化。立柱結(jié)構(gòu)中,齒輪軸與上端連接板通過焊接固定,再與立柱主體焊接成型。

圖2 立柱結(jié)構(gòu)組成

4.2 立柱結(jié)構(gòu)工作原理

立柱結(jié)構(gòu)中,齒輪軸與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)活塞桿齒條嚙合,實現(xiàn)折臂式隨車起重機(jī)的360°回轉(zhuǎn)功能。齒輪軸上安裝軸套,采用油杯注油方式定期潤滑維護(hù),減少磨損。鉸接軸與動臂鉸接,實現(xiàn)動臂的自由翻轉(zhuǎn)。立柱主體側(cè)面底部開孔,與動臂油缸通過鉸接軸鉸接,支撐動臂油缸實現(xiàn)變幅動作,驅(qū)動動臂翻轉(zhuǎn)。

5 極限工況分析

為滿足額定起重質(zhì)量不小于1 500 kg、額定工作幅度不小于2 500 mm的技術(shù)要求,綜合考慮系統(tǒng)壓力、起升力矩等因素,將設(shè)計指標(biāo)設(shè)定為工作幅度2 600 mm、起吊質(zhì)量1 600 kg,對折臂式隨車起重機(jī)進(jìn)行操作。最大起重質(zhì)量工況如圖3所示。當(dāng)立柱主體與動臂水平夾角為69°,動臂與吊臂夾角為131°時,處于折臂式隨車起重機(jī)最大起重質(zhì)量工況,工作幅度達(dá)到2 600 mm,起重質(zhì)量為1 600 kg。在此工況下,立柱結(jié)構(gòu)受力達(dá)到最大,折臂式隨車起重機(jī)的最大起重力矩約為42 kN·m。

圖3 最大起重質(zhì)量工況

6 立柱結(jié)構(gòu)受力分析

綜合考慮鋼板的力學(xué)性能與加工特性,為滿足起吊技術(shù)要求,立柱主體采用屈服強度為960 MPa的高強度鋼板,厚度為4 mm。其余部件厚度不一,其中齒輪軸采用調(diào)質(zhì)后的高強度合金鋼。此類鋼材強度高,耐磨性、焊接性、耐候性良好,具有較高的平整度與尺寸精度,表面質(zhì)量良好,可以滿足折臂式隨車起重機(jī)的性能要求。所選鋼材力學(xué)性能參數(shù)見表1。

表1 鋼材力學(xué)性能參數(shù)

根據(jù)表1數(shù)據(jù)可得,高強度鋼板的屈強比約為0.98,高強度合金鋼的屈強比約為0.85,兩者均大于0.7,均為高強度鋼。根據(jù)GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計規(guī)范》載荷組合A進(jìn)行計算,取安全因數(shù)n為1.48[3]。

鋼材的基本許用應(yīng)力[σ]為:

[σ]=(0.5σs+0.35σb)/n

(1)

通過式(1)計算,可得高強度鋼板的基本許用應(yīng)力為556 MPa,高強度合金鋼的基本許用應(yīng)力為514 MPa。

為滿足立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計要求,結(jié)合材料性能,立柱結(jié)構(gòu)整體剛度變形量應(yīng)不大于3.5 mm。

采用NX軟件對折臂式隨車起重機(jī)各部件進(jìn)行建模,并賦予相應(yīng)的材料屬性,獲得各部件的質(zhì)量,以及力矩平衡求解時所需的幾何尺寸。基于三維模型,可以得到立柱結(jié)構(gòu)質(zhì)量約為60 kg,滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

在最大起重質(zhì)量工況下,立柱與動臂鉸接處及與動臂油缸鉸接處是主要承載靜載荷的部位。立柱受力分析如圖4所示。以動臂與立柱的鉸接點為原點,建立XOY坐標(biāo)系。記立柱與動臂鉸接處受力為F1,與Y軸夾角為80°,立柱與動臂油缸鉸接處受力為F2,立柱齒輪軸上下復(fù)合襯套受力為F3、F4。基于受力和力矩平衡,計算可得F1為2.1×105N,F2為2.1×105N,F3與F4大小相等,為1.35×105N。

圖4 立柱受力分析

7 有限元分析

有限元分析的基本思想是將復(fù)雜問題簡單化,然后進(jìn)行求解,可以歸納為“化整為零,積零為整”。有限元分析已廣泛應(yīng)用于各種工程設(shè)計領(lǐng)域,筆者應(yīng)用有限元分析方法對折臂式隨車起重機(jī)立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析。對立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析的基本流程包括三維模型建立、模型簡化、網(wǎng)格劃分、求解等,如圖5所示。

圖5 立柱結(jié)構(gòu)有限元分析流程

7.1 創(chuàng)建模型

采用NX三維軟件建立折臂式隨車起重機(jī)立柱結(jié)構(gòu)三維立體模型,保存為.stp格式文件,導(dǎo)入有限元分析軟件[4]。進(jìn)行有限元分析時,一般使模型理想化。為了提高分析精度,在原有完整的三維模型基礎(chǔ)上進(jìn)行簡化,簡化原則如下:① 認(rèn)定立柱結(jié)構(gòu)所用材料為均質(zhì)線性彈性材料;② 將對分析影響不大的工藝孔、細(xì)小孔、安裝孔等開孔刪除;③ 不考慮焊縫形式及焊接應(yīng)力對分析的影響;④ 保留主要承載受力部件,刪除對分析影響不大的細(xì)小部件。將模型導(dǎo)入有限元分析軟件后,定義模型材料。通過材料數(shù)據(jù)庫對立柱各部件設(shè)定所用鋼材力學(xué)屬性后,對立柱三維模型整體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用六面體對模型進(jìn)行劃分網(wǎng)格,網(wǎng)格大小設(shè)為10 mm,局部應(yīng)力集中處采用2倍網(wǎng)格細(xì)化。網(wǎng)格劃分后模型節(jié)點數(shù)為101 775,單元數(shù)為50 873。立柱結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分模型如圖6所示。

圖6 立柱結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分模型

7.2 施加邊界條件

在立柱齒輪軸上施加固定約束,從而限制X軸、Y軸、Z軸方向的移動。根據(jù)對立柱結(jié)構(gòu)的受力分析,在有限元模型中對應(yīng)位置施加靜態(tài)載荷。立柱結(jié)構(gòu)的重力以重力加速度的形式施加。

7.3 分析結(jié)果

進(jìn)行仿真求解計算,得到立柱結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力云圖和總變形云圖,分別如圖7、圖8所示。從圖7中可以看出,立柱槽型板拐點處應(yīng)力最大,應(yīng)力最大值約為485 MPa,立柱齒輪軸最大應(yīng)力約為151 MPa,均小于各自鋼材的基本許用應(yīng)力。從圖8中可以看出,立柱結(jié)構(gòu)最大變形約為1.8 mm。可見,立柱結(jié)構(gòu)滿足折臂式隨車起重機(jī)強度和剛度要求[5-11]。

圖7 立柱結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力云圖

圖8 立柱結(jié)構(gòu)總變形云圖

8 結(jié)束語

筆者采用NX三維軟件創(chuàng)建折臂式隨車起重機(jī)立柱結(jié)構(gòu)三維立體模型,模擬起吊1 600 kg物體,在極限工況下進(jìn)行靜載荷受力分析。

仿真分析結(jié)果表明,立柱結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力小于所選鋼材的基本許用應(yīng)力,立柱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠,強度滿足折臂式隨車起重機(jī)設(shè)計要求。立柱結(jié)構(gòu)總體最大變形約為1.8 mm,剛度滿足設(shè)計要求。

應(yīng)用仿真軟件進(jìn)行有限元分析,可以有效提高折臂式隨車起重機(jī)的設(shè)計效率。通過有限元分析方法對立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,同時為起重機(jī)產(chǎn)品其它結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化提供了參考。