基于A D A MS在不同地面條件下汽車起重機的穩定性分析

劉 賀，周 靜，劉 康

（長安大學工程機械學院，陜西 西安710064）

0 引言

汽車起重機是裝在普通汽車底盤上的一種起重機，由于這種起重機的機動性好，它對減輕勞動強度，節省人力，降低建設成本，提高施工質量和加快建設速度方面有十分重要的作用[1]，因而廣泛用于各個領域。由于它依靠四個外伸支腿支撐而非固定在地面上，所以在工作過程中很容易傾翻[2]。數據顯示在日本每年會發生大約100次移動式起重機的倒塌事故[3]，此外世界各國也存在同樣的問題，因此研究汽車起重機的穩定性是非常必要的。

導致汽車起重機傾覆的原因有很多，如操作不當，設備維護不及時，帶載伸臂等[4]。在發生實際翻轉的許多情況下，吊鉤的負載小于安全規定的額定負載時發生翻轉，約占翻車事故的20%，這是因為起重能力圖中認為地面是足夠堅硬[5]。“足夠堅硬”并不是汽車起重機所具備的基礎條件。因此，在評估傾翻風險的過程中必須考慮地面條件。本文著重研究地面條件起重機的穩定性的影響。

1 虛擬樣機的建立

以汽車起重機QY25K-1為基礎，在SolidWorks中建立虛擬樣機。

1.1 建模

在SolidWorks中建立QY25K-1汽車起重機的模型，如圖1所示，其主要部件有：支腿、輪胎、底盤、駕駛室、旋轉平臺、操作室、起重臂（需在analysis中柔性化）[6]、液壓缸和吊鉤。所述組件除起重臂外都為剛性。

圖1 Q Y25K-1汽車起重機模型

1.2 約束

約束包括：固定幅，如底盤與駕駛室及底盤與支腿之間。滑移幅，各起重臂之間。旋轉幅，旋轉平臺與底盤之間。除此之外，外伸支腿與地面之間建立“接觸”。

1.3 驅動與負載

除固定幅外，其余各運動幅之間需要添加驅動來控制，使用step函數來控制起重臂的伸縮變幅以及旋轉平臺的旋轉。

在吊鉤的前端施加方向垂直向下的空間固定力（即在計算的過程中力的方向不隨構件的位形變化而變化，始終垂直向下）來代替負載。使用step函數來控制負載大小的變化，列如在5 s加載4 000 kg，10 s后卸載，加載時間為0.01 s，則step函數為：0+step（time，5，0，5.01，4 000*9.8）+step（time，9，0，9.01，-4000*9.8）。

2 地面模型的建立

在將模型導入Adams中后，需在模型下方建立一塊足夠大的地面以承受汽車起重機。可用“接觸”來代替地面的沉降，在Adams中有兩種計算接觸力的方法：補償法和沖擊函數法。本文采用較廣泛的沖擊函數進行模擬。

其廣義形式表示為[7]：

式中：Fni為法向接觸力；k為接觸剛度為接觸點的法向穿透深度；v1接觸點的法向相對速度。

見表1，其中1號地面被認為是足夠堅硬，如瀝青、水泥混凝土路面；2號地面模擬亞粘土地面。

表1 不同的接觸類型

3 虛擬樣機的測試

要檢查虛擬樣機的原型是否正確，需要進行一系列測，試通過外伸支腿的振動來進行綜合分析。

為了方便分析，將四個支腿分別標為1、2、3、4號，分析起重臂在某工況下工作，當起重臂擺到45°時突然加載，當起重臂擺到90°時突然卸載（這個角度卸載是最不利的情況）。得到個外伸支腿的振動曲線如圖2所示。

圖2 各支腿的振動曲線

如圖 2（a）～（d）所示，在開始階段，1～4 號支腿振動情況基本相同，在起重臂轉過45°時突然加載時，1～4號支腿受壓并振動，產生向下的位移。其中1號支腿受力最大，因此向下的位移也最大。2號支腿隨起重臂轉動受壓逐漸增大，向下的位移也逐漸增大。3、4號支腿由于加載而產生震動。90°卸載后由于慣性力作用起動機有傾翻趨勢。1、2號支腿振動劇烈，其中1號支腿振動幅度最大。因此1號支腿更有可能離開地面。卸載之后隨著轉動1～4號支腿仍有振動，但漸漸趨于平穩。這些振動的變化符合實際情況，驗證了虛擬樣機的合理性。

4 模擬方法

具體來說，應該在每種工況下進行模擬，這意味著每個吊臂長度，每個吊臂仰角，都要在兩個不同的地面上進行模擬。首先，可以獲得虛擬樣機在每個工作狀態下保持穩定的最大負載，用2號地面最大負載除以1號地面最大負載得到比率，該比率可以認為是地面狀況對負載的凈額影響，最后用該比率乘以表汽車起重機在相應工況下的起重性能（部分性能見表2），得出軟地面上相應工況下的起重能力。

表2 汽車起重機起重性能表

例如要獲得起重臂長10.4 m，工作幅度為6.5 m時，2號地面的額定負載，就應該知道該工況下兩個地面的最大負載，為此進行一系列模擬。如圖3所示，在該工況下負載為15 800 kg時1號支腿的振動曲線，由圖像可知，起重臂在90°卸載時，支腿離開地面，傳感器檢測距離為零，仿真停止。圖4顯示負載為15 700 kg，1號支腿的振動曲線，由圖可知，1號支腿未離開地面，所以該工況下1號地面最大負載為15 700 kg.

圖3 負載為15800k g時1號支腿的振動曲線（1號地面）

圖4 負載為15700k g時1號支腿的振動曲線（1號地面）

類似得到該工況下2號地面的最大負載為6 250 kg（如圖5和圖6），在該工況下地面狀況對凈額影響比率為：6250/15700。該工況下的額定負載為13 800 kg（見表2），則2號地面的額定負載為5 490 kg.對每個工況進行重復操作，得出2號地面起重性能。

圖5 負載為6300k g時1號支腿的振動曲線（2號地面）

圖6 負載為6250Kg時1號支腿的振動曲線（2號地面）

5 結論

本文在Adams中構建了QY25K-1的虛擬樣機，并基于此分析了起重機的穩定性，本文研究的結論總結如下：

為了防止汽車起重機的倒坍事故，必須考慮地面條件，地面越軟，對汽車起重機的影響越大。

本文介紹了如何根據制造商提供的起重能力，得到在相對較軟的地面上的起重能力圖，通過實驗對比表明，不同的地面條件對汽車起重機在特定工況下的最大起重量有很大影響。