一種液壓調平式伸縮臂的剛強度分析*

高文磊

(中國船舶集團有限公司 第七一三研究所,河南 鄭州 450015)

0 引 言

伸縮臂叉裝車(Telescope Handler)[1]是由傳統叉車發展起來的,它融合了汽車起重機的伸縮臂式結構與傳統的叉裝功能,可以對較高、較遠的貨物進行叉裝作業,廣泛應用于建筑、農業、倉儲物流等多種行業領域。伸縮臂作為伸縮臂叉裝車的關鍵承載部件,其結構設計的合理性是整機性能的可靠性保障。采用理論計算與有限元仿真相結合的方法對伸縮臂的機構進行剛強度計算與分析,可以探究結構設計的合理性,為結構設計與優化提供相關的參考依據。

目前,伸縮臂的調平方式主要采用的是電控調平方式,該方式通過位置傳感器解析出伸縮臂前端屬具的位姿,進而換算出屬具調平的運動信息,使屬具跟隨伸縮臂運動作業時一直處于水平狀態。針對采用電控調平方式的伸縮臂,桓耀輝[2]研究了不同的截面形式對伸縮臂的結構影響;高天[3]以第二代非支配排序遺傳算法為算法基礎,結合Isight優化平臺對伸縮臂的結構參數進行了優化;Jia Yao等[4]采用隱式和顯式相結合的方法對全地形起重機QAYX伸縮臂進行了幾何、材料和狀態非線性有限元分析,討論了利用位移、應變和應力獲得的臨界屈曲載荷,其中利用應力狀態轉換獲得的載荷最接近實驗臨界屈曲載荷。

采用電控調平的伸縮臂結構較為簡單,研究內容較為成熟。但是,電控調平的成本較高,且調平響應存在著滯后的現象,這對精度要求較高的作業來說存在著一定的安全隱患。為了解決電控調平存在的上述不足,液壓調平方式逐漸被研究并推廣運用。

而液壓調平式的伸縮臂結構研究成果較少,基于此,筆者以一種液壓調平方式的伸縮臂為研究對象,運用理論分析和有限元仿真相互結合的方式,對其結構在多種極限工況下的剛強度情況進行計算,為結構的設計、加強、改進提供參考依據。

1 三維模型建立

1.1 液壓調平式伸縮臂結構概述

所述的液壓調平式伸縮臂主要由基本臂、一伸臂、二伸臂、臂頭、伸縮油缸、翻轉油缸、俯仰油缸、調平油缸等組成,如圖1所示。伸縮臂主要用于調節負載重量的伸縮長度,主要靠伸縮油缸帶動進行伸縮控制。其中,一伸臂與二伸臂內部串聯鏈條,在鏈條的帶動下可以進行同步的伸縮。

圖1 液壓調平式伸縮臂結構

伸縮臂臂頭鉸接貨叉屬具,通過翻轉油缸調節貨叉屬具的翻轉角度。俯仰油缸兩端分別與伸縮臂和支座鉸接,通過油缸的動作帶動伸縮臂進行俯仰動作。伸縮臂尾部連接調平油缸,調平油缸的有桿腔和無桿腔分別通過高壓油管與翻轉油缸的有桿腔和無桿腔連接在一起,實現貨叉功能模塊隨伸縮臂俯仰動作時的調平功能[5]。

1.2 模型建立

根據設計指標和初始計算參數,運用三維軟件Creo對伸縮臂的結構進行實體建模。在建模時,考慮后續的仿真分析,對整體結構強度和剛度影響不大的特征元素進行了簡化,并去除不影響計算的拖鏈等相關附件,建立的伸縮臂三維模型如圖2所示。

圖2 伸縮臂三維模型

2 理論分析

2.1 極限工況分析

設計的伸縮臂的主要技術指標有:①伸縮臂的變幅角度范圍為-3°～65°;②伸縮臂處于全縮狀態時承載2 000 kg,處于半伸狀態時承載1 000 kg,處于全伸狀態時承載500 kg。因此,伸縮臂的極限工況主要有如下六種情況:伸縮臂全縮狀態下,俯仰狀態分別位于-3°、65°時的工作狀態;伸縮臂半縮狀態下,俯仰狀態分別位于-3°、65°時的工作狀態;伸縮臂全伸狀態下,俯仰狀態分別位于-3°、65°時的工作狀態。文中的計算分析主要針對以上六種極限工作狀態開展。

2.2 調平油缸受力計算

設計的液壓調平伸縮臂主要調平特點為:翻轉油缸與調平油缸選用同等規格的液壓油缸;調平油缸的有桿腔和無桿腔分別通過高壓油管與翻轉油缸的有桿腔和無桿腔連接在一起[6]。因此,通過計算翻轉油缸的受力大小便可換算得到調平油缸的大小。

以全縮狀態下的伸縮臂結構為例簡化伸縮臂的受力分析,示意圖如圖3所示。

圖3 伸縮臂受力分析示意圖

根據力矩的平衡原理有:

∑M=G負載×l負載+G貨叉×l貨叉-F×l油缸=0

伸縮臂全縮狀態下的最大負載為2 000 kg。根據上述公式可求得伸縮臂在-3°和65°狀態下的翻轉油缸力F分別為145 354 N和128 073 N。同理,可計算出半伸狀態與全伸狀態時,伸縮臂在-3°和65°狀態下的翻轉油缸力F,整理后結果如表1所列。

表1 翻轉油缸在不同狀態下的滿載受力表

3 有限元分析

3.1 仿真分析模型創建

將Creo中創建的三維模型導入到Abaqus CAE分析軟件中。在有限元軟件中做如下處理。

(1) 去除對計算結果影響不大的特征以減少模型的計算量。

(2) 伸縮臂所用材質為Q460C,彈性模量E=210 000 MPa,泊松比μ=0.3。

(3) 貨叉為外購標準件,此次分析主要考察伸縮臂,將貨叉作為剛體處理。

根據零件尺寸大小,采取合適的方式分別進行網格劃分,伸縮臂主體選用十結點二次四面體單元C3D10網格,劃分了147 077個網格,劃分后的有限元模型如圖4所示。

圖4 伸縮臂有限元模型

3.2 仿真結果

圖4為伸縮臂全縮狀態下,俯仰角為-3°時的有限元模型。設定俯仰油缸鉸接點處以及伸縮臂與支座的鉸接點處固定。并對貨叉和調平油缸鉸接點處加載相應的外力進行計算求解。得到的結果如圖5所示。同理,可得到伸縮臂結構在其它極限工況下的仿真結果,如圖6～10所示。

圖5 伸縮臂仿真結果(全縮,-3°)

圖6 伸縮臂仿真結果(全縮,65°)

圖7 伸縮臂仿真結果(半伸,-3°)

圖8 伸縮臂仿真結果(半伸,65°)

圖9 伸縮臂仿真結果(全伸,-3°)

圖10 伸縮臂仿真結果(全伸,65°)

從圖5～10的仿真結果可以看出:①伸縮臂在受載狀況下,結構整體應力較小,最大應力主要集中在油缸鉸接點處和臂頭處,這些部位均為結構的主要支撐受力區域,仿真結果與理論實際是相吻合的;②伸縮臂在六種極限工況下的最大應力為428.3 MPa,小于選用材料Q460C的屈服強度,滿足使用要求;③在受載狀況下,伸縮臂結構的最大位移發生在臂頭處,這和實際情況是一致的,仿真結果可為設計提供參考;④整體位移變動范圍在2.07～3.24 mm之間,形變較小,滿足設計要求。

4 結 語

文中以一種液壓調平式的伸縮臂機構為研究對象,分析了其工作狀態下的極限工況。通過理論計算與有限元數值仿真相結合的方式,對伸縮臂在六種極限工況下的受力狀態進行了分析。分析結果表明,結構的剛強度滿足使用需求,為伸縮臂的結構設計提供了參考依據。