履帶起重機主副臂組合起臂力學分析

1 引言

履帶起重機起臂過程是其進入工作狀態必須經歷的過程，隨著起重機臂架長度的增長、自重的增加，起臂過程伴隨著一定的危險性。同時，當今大型履帶起重機由于工作需要，會出現主臂+塔式副臂，甚至是主臂+塔式副臂+固定副臂這樣的多臂架組合工況，因此起臂方式的選擇往往會對履帶起重機自身的安全性、操作的便利性有著至關重要的影響。成凱等人基于有限元的方式，通過ANSYS軟件對單主臂的工況進行了非線性分析；林貴瑜等人對單主臂履帶起重機系統進行了動態仿真得到了臂架構件受力的動態響應曲線，對多級臂架的的動態受力過程還有待做更多的研究；陸霞等人通過對起臂工況和工作工況的力學分析對撐桿等變幅結構進行了多目標優化。本文針對不同的主副臂臂長組合，進行力學分析，找出起臂過程中的危險工況，確定起臂過程中各構件最大受力位置，并改變塔式副臂離地瞬間主副臂夾角的大小，分析各構件最大受力與主副臂夾角的關系，為大型履帶起重機多臂組合起臂工況的方式選擇及受力校核提供了一定的參考依據。

2 履帶起重機起臂系統介紹

2.1履帶起重機起臂系統結構組成

履帶起重機塔式副臂工況起臂系統主要由上車系統與下車系統構成，如圖1所示。其中上車系統又可以分為兩部分，一部分是桁架結構的部件，在起臂和工作工況中主要承受軸向壓力，如主臂、塔式副臂（簡稱副臂）、前撐桿、后撐桿、超起桅桿等；另一部分是臂架的拉板和變幅系統，在起臂和吊載過程中主要承受拉力，如超起后拉板、主變幅繩、副臂后拉板、副變幅繩、副臂前拉板等。

2.2塔式工況起臂原理

塔式工況起臂過程通常分為三個階段進行，如圖2所示。A階段，主臂受主變幅驅動機構的驅動，收主臂變幅繩，主臂仰角不斷增加，即起主臂。副臂處于隨動狀態，臂頭始終處于地面，通過起臂小車進行滾動逐步向主機方向移動，此時需要放副變幅繩以實現此項運動。B階段，當主副臂夾角達到一定角度時，即副臂臂頭離地瞬間主副臂之間的夾角θ（簡稱副臂起臂角θ）達到一定角度時，繼續起主臂，但副變幅繩不再動作，主副臂夾角不再變化，兩者沒有相對運動，副臂隨主臂運動而運動。C階段，此時主臂仰角已達到工作角度，不再繼續起主臂，而是開始起副臂，收副變幅繩以增加副臂仰角，最終達到作業角度。在整個起臂過程中，各部件所受的載荷不斷變化，會存在峰值問題，而這與主臂仰角及主副臂夾角有很大關系，下面將按照上述三個階段分析各部件的受力趨勢與變化規律。

3 履帶起重機起臂過程受力分析

3.1力學模型

如圖3所示是副臂工況在起臂過程中的受力簡圖，其中O點是整車的回轉中心，A點為主臂根部鉸點，B點是主臂頭部與主臂拉板的鉸點，在做受力分析時，由于前撐桿根部鉸點和副臂根部鉸點相距較近，為了計算方便而將該兩點合并到C點，D點為副臂頭部的頂點，E點為超起桅桿的根部鉸點，F點為后撐桿與主臂頭部的鉸點，G點為副臂前拉板與副臂頭部的鉸點，H點是超起桅桿與主臂拉板的鉸點，I點是副臂后拉板與后撐桿的鉸點，J是副臂前拉板與前撐桿的鉸點，K點是副臂頭部與輔助小車的鉸點。

3.2模型參數

從分析的全面性與客觀性來考慮，同時兼顧實際常用工況，以QUY1350為研究對象進行分析，選取主臂114m+副臂114m、主臂114m+副臂54m和主臂48m+副臂114m三種典型的臂架組合工況，各工況主要參數如表1所示。

3.3起臂過程中各構件受力變化

對于履帶起重機塔式副臂工況的起臂過程，現階段國內外大多數起重機采取的起臂方式是：A階段-起主臂階段，副臂頭部不離地，與主臂隨動，通過協調收放主變幅繩和副變幅繩來實現；B階段-副臂頭部離地階段，當副臂起臂角θ到設定角度（通常為90°）時，停止放副變幅繩，繼續收主變幅繩，使副臂頭部隨主臂角度提升而離地；C階段-起副臂階段，當主臂達到作業角度后，停止收主變幅繩，使主臂角度不再變化，這時開始收副變幅繩來起副臂。表1中所列三個工況各階段結構件的受力變化如圖4所示。

根據圖4及表1中所述三個工況下主變幅力、主臂軸向力、副變幅力及副臂軸向力這四個主要構件的動態受力分析可以看出，在起臂的過程中，構件受力比較大的階段有三個：

第一個相對危險的工況在A階段剛開始的時候，此時主臂頭剛剛與地面分離，主變幅繩力臂很小，而且主臂和副臂等主要構件重力的力臂很大，所以主變幅繩的受力最大，如工況3中主變幅力達到了7813kN。隨著主臂仰角的變大，主變幅繩力臂會逐漸增加，而各主要構件重力的力臂則會隨之減小，所以主變幅繩力會相應的減小。

另一個較為危險的工況是A階段起臂完成后開始B階段起臂的時候，此時副臂臂頭剛剛離開地面，失去了地面的支撐，重力完全壓在主臂頭上，而且此時主臂與副臂的夾角最小，副變幅繩的力臂也是最小，所以在這種不利的情況下，主臂軸向力和副變幅力都達到了最大，如工況2中此時主臂軸向力和副變幅力分別為7548kN和5006kN。

最后一個比較危險的工況出現于C階段，即單獨起副臂過程中。此時副臂仰角開始變大，副臂重力在副臂軸向的分力隨之增大，另一方面，副臂前拉板力在副臂軸向的分力隨之減小，所以副臂軸向力變化不是單調的，一般會在副臂仰角20-40°左右達到最大，如工況1中副臂仰角在32°時副臂軸向力達到了最大值1173kN。

3.4副臂起臂角對構件受力的影響

在現階段國內外履帶起重機的起臂過程中，A階段主副臂夾角達到90°時開始執行B階段起臂過程，即副臂起臂角θ為90°，改變此角度則各構件在整個起臂過程中的最大受力會出現變化，分別對表1中三個典型工況進行分析，得到結果如表2所示。

在上述三個典型工況中，分別將副臂起臂角θ從70°改變到110°，得到各構件最大受力的變化規律。從表中可以看出，主變幅力和副臂軸向力的最大值不受副臂起臂角θ變化的影響，兩者分別在A階段和C階段獲得最大值。隨副臂起臂角θ變化的是主臂軸向力和副變幅力，這兩者均是在B階段開始時獲得最大值，主臂軸向力會隨副臂起臂角θ增大而增加，增加幅值在20%左右。而副變幅力隨副臂起臂角θ增加而減小，減小的幅值在30%左右。由此可見，兩者的變化趨勢不同，因此需要綜合考慮這兩者的數值變化以確定副臂起臂角θ。

4 結論

本文通過對長主臂+短副臂、短主臂+長副臂和中長主臂+中長副臂三種典型的起臂工況進行力學分析，然后改變副臂起臂角θ，構件的最大受力隨之變化，通過分析可知：

（1）在起臂過程中較為危險的工況有三個：其一是主臂0°起臂，即A階段剛開始時，此時主變幅力會達到最大值；其二是主臂和副臂達到副臂起臂角θ時，即B階段起臂剛開始時，副臂臂頭剛離開地面的瞬間，主臂軸向力與副變幅力達到最大值；其三是單獨起副臂過程，即C階段，副臂軸向力獲得最大值。

（2）通過數據分析比較，可以得知在塔式副臂工況起臂過程中，隨著副臂起臂角θ的增大副變幅力減小，主臂軸向力逐漸增大，而主變幅繩力和副臂軸向力在合理區間內沒有顯著的變化，所以B階段副臂頭部離地瞬間主副臂夾角的確定需要綜合考慮主臂軸向力與副變幅力的變化。