輪式起重機三鉸點優化設計

鄭紅，李安強，吳國銳

(1.湖南機電職業技術學院，湖南長沙 410151;2.三一重工，湖南長沙 410100)

汽車起重機可以廣泛應用于工礦企業、建筑工地、港口碼頭、油田、鐵路、倉庫及貨場等工況下的起重和吊裝工作。隨著國家電力、石化、鋼鐵、交通等基礎設施建設進入高潮，國內起重機市場急速擴張，汽車起重機在各行業的作用也越來越大，經濟杠桿作用與日俱增，對起重機質量及穩定性能等都提出了更高的要求。

輪式汽車起重機主要由三大部件組成:專用的汽車底盤、轉臺以及起重臂。其中轉臺是起重機的關鍵聯接部件，起重臂、操縱室、專用的汽車底盤均與其直接相聯，起承上啟下的作用。轉臺主要由轉臺焊接體、三鉸點軸、回轉機構、起升機構、變幅機構、操縱室、機棚、配重等部件組成。輪式起重機變幅、回轉、起升三大動作均通過轉臺實現。其中三鉸點軸為轉臺連接起重臂、變幅油缸的三根軸。三鉸點的合理布置，能夠降低轉臺的受力，降低變幅油缸的變幅壓力，減少油缸的缸徑和桿徑，實現轉臺設計的輕量化。故三鉸點軸位置的合理布置，是輪式起重機整體設計里至關重要的一環。

1 問題簡介

售后服務工程師反饋，客戶有二號油缸全伸，在三、四、五節臂全伸的情況下將起重臂趴下(幅度為-2°)給起重臂筒體抹黃油的工況，而某司一款輪式起重機在此情況下不能實現起幅動作，給客戶帶來不便。在此前提條件下，設計人員對此故障進行了分析，設計了優化目標:在不改變變幅油缸，且不影響整車其他主要性能參數(轉臺、起重臂空間位置保持不變)的前提條件下，通過三鉸點位置的優化，保證額定載荷下起重臂2 號伸縮油缸全伸負角度順利起臂。

2 建立數學模型

2.1 建立數學模型

如圖1 所示，以變幅缸下鉸點O 為原點建立相對坐標系XOY，優化過程中不改變油缸，則油缸的最短長度與最長長度保持不變，即以原點O 為圓心作兩個圓，其半徑r，R 分別油缸最短長度與最長長度，其中:R=7 123 mm，r=3 900 mm。

圖1 數學模型輔助圖1

如圖2 所示，下鉸點為O (0，0);上鉸點的兩個極限位置點A (rcosα，rsinα)在半徑為r 的圓上，點B (Rcosβ，Rsinβ)在半徑為R 的圓上;尾鉸點C 在AB 的垂直中心線上，且∠ACB=82°;點C 到直線AO 的距離h 即為-2°起臂時油缸相對于尾鉸點的力臂。

圖2 數學模型輔助圖2

令C 為(X，Y)，則:

而A(rcosα，rsinα)，O(0，0)，推導出:

2.2 起重臂主要參數

起重機主要參數見表1，起重機起重性能參數見表2。

表1 起重機主要參數表

表2 起重機起重性能參數表

2.3 建立優化目標函數

變幅油缸推力:

-2°狀況下2 號油缸全伸縮起臂變幅油缸推力:

2.4 優化結果

優化前后三鉸點軸位置布置圖見圖3，優化前后結果對比見表3。

圖3 優化前后三鉸點軸位置布置圖(虛線為優化前位置，實線為優化后位置)

表3 優化前后結果對比 MPa

3 結論

通過建立三鉸點數學模型及目標函數，為三鉸點位置的優化設計提供了理論依據;同時大幅度減低變幅油缸的變幅壓力，為變幅油缸的輕量化設計提供了理論依據，提高了液壓系統的可靠性。通過三鉸點的合理布置，在不改變變幅油缸的前提下，成功解決了起重臂2 號伸縮油缸全伸負角度不能起臂的問題，提高了客戶的滿意度，為后期的設計提供了經驗數據。

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