起重機(jī)伸縮臂結(jié)構(gòu)工況分析與力學(xué)計(jì)算

摘 要：起重臂作為起重機(jī)的主要受力構(gòu)件，其強(qiáng)度和剛度的強(qiáng)弱對(duì)整機(jī)的性能有很大影響。因此對(duì)起重機(jī)伸縮臂的強(qiáng)度和剛度分析以及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。本文把汽車起重機(jī)伸縮臂作為研究對(duì)象，先結(jié)合起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范和相關(guān)力學(xué)知識(shí)對(duì)伸縮臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的力學(xué)分析。然后據(jù)實(shí)際工程作業(yè)情況，對(duì)起重機(jī)實(shí)際工況作出分析，選擇其中三種典型工況進(jìn)行了相關(guān)分析研究。

關(guān)鍵詞：伸縮臂；工況分析；力學(xué)計(jì)算

一、引言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)的快速發(fā)展，促使建筑業(yè)也蓬勃發(fā)展，造就了一批高大宏偉的建筑物。近年來(lái)，居民樓也由傳統(tǒng)的多層發(fā)展為高層，并且外觀造型新穎奇特，深受人們青睞。對(duì)如何維護(hù)新型建筑外觀的清潔與美觀提出了新的要求，所以對(duì)施工作業(yè)設(shè)備在日常施工、安裝以及維護(hù)有了更高的要求。此外，在經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入也逐漸增大，在建設(shè)規(guī)模越來(lái)越大的環(huán)境下，對(duì)起重安裝工程設(shè)備的需求量也隨之加大，并由之前傳統(tǒng)的半自動(dòng)化作業(yè)向自動(dòng)化，半機(jī)械化向機(jī)械化過(guò)渡，因此工程起重機(jī)的需求量開始快速增長(zhǎng)，產(chǎn)量也是日新月異地刷新紀(jì)錄。值得一提的是，國(guó)內(nèi)外有一個(gè)共通點(diǎn)——發(fā)展最為迅速的是汽車起重機(jī)。而汽車起重機(jī)關(guān)鍵部位在于吊臂，利用吊臂卸載負(fù)荷，可以提高起重機(jī)的作業(yè)范圍和作業(yè)難度。而汽車起重機(jī)的主要承載構(gòu)件是吊臂，擔(dān)負(fù)著起重機(jī)的各種負(fù)荷，因而耗鋼量很大。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)好壞，對(duì)起重機(jī)整體性能以及生產(chǎn)成本的控制將產(chǎn)生直接影響。因此很有必要對(duì)汽車起重機(jī)吊臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、力學(xué)性能等進(jìn)行充分的分析與辯證。

二、起重機(jī)吊臂發(fā)展動(dòng)向

近年來(lái)，不難發(fā)現(xiàn)工程機(jī)械領(lǐng)域的起重機(jī)發(fā)展是很迅速的，為了適應(yīng)以及改善用戶所提出的一些新性能，被廣泛應(yīng)用于汽車起重機(jī)的一些運(yùn)算理論和方法同時(shí)也得到了長(zhǎng)足進(jìn)步。知名企業(yè)做得很好，他們大多有自己的科研機(jī)構(gòu)，對(duì)汽車起重機(jī)吊臂各種創(chuàng)新研究設(shè)計(jì)均有比較深入的認(rèn)識(shí)。很多企業(yè)之前就已開始用有限元等新型計(jì)算方法，使得研究頗有成效，不但能較準(zhǔn)確地校核結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，還能降低了整機(jī)的自重，因此有效解決了強(qiáng)度與重量的矛盾。近年來(lái)由于CAD和CAE技術(shù)的發(fā)展，使得工程技術(shù)人員發(fā)揮創(chuàng)新創(chuàng)造的能力得到了很大提升，進(jìn)而將這些新技術(shù)用在設(shè)備吊臂的設(shè)計(jì)上，將電算運(yùn)用到全過(guò)程中，降低了產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)間，使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平大幅提升，使研制時(shí)間和成本大大縮短和降低，因此使得產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益得到了巨大提升。截止當(dāng)前，對(duì)汽車起重機(jī)吊臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性分析等主要還是靠有限元來(lái)進(jìn)行分析和研究，而箱形截面的吊臂則被用來(lái)研究起重機(jī)吊臂的強(qiáng)度及剛度。

三、隨車吊伸縮型臂架工況分析

汽車起重機(jī)作業(yè)過(guò)程中，其伸縮臂的實(shí)際工況較多。由于箱型截面伸縮臂可以實(shí)現(xiàn)伸縮，所以不必按非工作狀態(tài)下的工況進(jìn)行強(qiáng)度、剛度驗(yàn)算。只需在額定起重量、最小幅度和伸縮臂伸至最長(zhǎng)三種工況下進(jìn)行分析。因此，僅選用三組具有典型代表意義的工況為例來(lái)介紹U型截面四節(jié)臂的汽車起重機(jī)吊臂的有限元分析過(guò)程。根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》50噸起重機(jī)性能表（如下表），選用以下三種工況，參數(shù)分別為：

四、隨車吊伸縮型臂架力學(xué)計(jì)算

工況分析一：伸縮臂三節(jié)臂均未伸出，達(dá)到工作最小幅度3m，載重記為G1，液壓缸對(duì)其支反力記為F1，液壓缸和基本臂鉸點(diǎn)與伸縮臂固定端水平距離記為L(zhǎng)，伸縮臂末端與固定端水平距離記為L(zhǎng)1。

設(shè)計(jì)得：L1=1.42m，L2=3m，吊重m1=5×104kg

根據(jù)力矩平衡原理M1+M2+M3=0得：F1=1037726N，G1=490000N

工況二：伸縮臂為中場(chǎng)臂，三節(jié)臂均為部分伸出，達(dá)到工作幅度5m，載重記為G2，液壓缸對(duì)其支撐力記為F2，液壓缸和基本臂鉸點(diǎn)與伸縮臂固定端水平距離記為L(zhǎng)，伸縮臂末端與固定端水平距離為L(zhǎng)2。

設(shè)計(jì)計(jì)算得：L1=1.42m，L2=5m吊重m2=24.7t

根據(jù)力矩平衡原理M1+M2+M3=0得：F2=854600N，

G2=242060N

工況三：伸縮臂三節(jié)臂完全伸出，達(dá)到全伸狀態(tài)，工作幅度為7m，載重記為G3，液壓缸對(duì)其支撐力記為F3，液壓缸和基本臂鉸點(diǎn)與伸縮臂固定端水平距離記為L(zhǎng)，伸縮臂末端與固定端水平距離記為L(zhǎng)3。

設(shè)計(jì)計(jì)算得：L=1.42m，L3=7m吊重m3=10.2t

根據(jù)力矩平衡原理 M1+M2+M3=0得：F3=594323N ，

G3=99960N

五、隨車吊伸縮臂數(shù)學(xué)模型的建立

伸縮式吊臂采用液壓缸實(shí)現(xiàn)變幅，作用在臂架上的載荷有起升載荷、自重、回轉(zhuǎn)慣性力以及風(fēng)載荷等。臂架自重視為沿臂架長(zhǎng)均勻分布，也可按重心位置分配至臂的根部鉸頂端。箱形伸縮式吊臂應(yīng)按最小幅度吊最大起重量的工況進(jìn)行計(jì)算。在最大幅度時(shí)起吊的最小起重量工況下驗(yàn)算整機(jī)穩(wěn)定性，因?yàn)樵诖斯r下吊臂的承載能力有富余，所以不必驗(yàn)算。

（一）吊臂在變幅平面所承受的載荷

（1）垂直載荷Q0

式中，φ1——起升沖擊系數(shù)；φ2——?jiǎng)虞d荷系數(shù)；Gb ——吊臂重力。

（2）根據(jù)力平衡方程算出截面所受的軸向力

A-A截面所受的橫向力FZ：

式中，φ3——風(fēng)載荷轉(zhuǎn)化到臂端的轉(zhuǎn)化系數(shù)；

（3）A-A截面在變幅平面內(nèi)所受的彎矩My

（二）吊臂在旋轉(zhuǎn)平面承受的載荷

伸縮臂在旋轉(zhuǎn)平面的側(cè)向載荷Fy。Fy=Q0tga3+ φ3 Pω2

式中，Pω2——側(cè)向風(fēng)載荷。

A-A截面在回轉(zhuǎn)平面內(nèi)所受的彎矩MZ

由以上受力分析可知，起重機(jī)伸縮臂架是以受彎為主的雙向壓彎構(gòu)件。

六、結(jié)論

隨著現(xiàn)代化工程建設(shè)的增多，汽車起重機(jī)由于其自身的靈活性和便捷性已被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于施工中，這就要求汽車起重機(jī)具有較強(qiáng)的承載能力，因此便對(duì)其強(qiáng)度和剛度提出了更高的要求。本文以此為出發(fā)點(diǎn)，以結(jié)構(gòu)分析理論為基礎(chǔ)。選取合適的工況，對(duì)約束條件和載荷進(jìn)行了詳細(xì)的分析和計(jì)算，并加載到模型的相應(yīng)位置，對(duì)三種工況下的伸縮臂模型進(jìn)行了力學(xué)分析。

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