基于有限元分析的電纜輸送裝置伸縮臂設(shè)計

賈明中

摘要：低壓岸電電纜輸送裝置是岸電設(shè)施的一個重要組成部分，開發(fā)一種智能電液驅(qū)動船用岸電電纜輸送裝置，為企業(yè)節(jié)約成本，加快推進(jìn)港口岸電建設(shè)。本文通過軟件建模分析，設(shè)計一種矩形截面，結(jié)構(gòu)簡單，自由伸縮，制造成本低的岸電電纜輸送裝置伸縮臂。

關(guān)鍵詞：伸縮臂;應(yīng)力;位移;應(yīng)變;分析

為了加快推進(jìn)港口岸電建設(shè)，需開發(fā)一種快速、簡便的裝置將船上的電源電纜吊裝到岸上，再與岸電裝置連接取電，稱這種吊裝裝置為“船用岸電電纜輸送裝置”，屬于一種輕小型起重運(yùn)輸裝置。該裝置可以自由伸縮，伸縮臂的結(jié)構(gòu)形式及材料直接影響其工作性能和制造成本，本文通過軟件建模分析，設(shè)計一種截面為矩形，結(jié)構(gòu)簡單，自由伸縮，制造成本低的岸電電纜輸送裝置伸縮臂。

項目研究設(shè)計一種單缸多節(jié)液壓推桿來驅(qū)動的智能岸電電纜輸送裝置，工作狀況如下：該裝置不用時，收縮放置岸邊高度不超過2000mm，工作時，水平可俯仰-30°～+45°，裝置伸縮臂可以伸出總長6000mm，起吊重量達(dá)到200Kg。伸縮臂由多節(jié)組成，各節(jié)段同步伸出、縮進(jìn)，伸縮自由，伸縮臂所用材料和結(jié)構(gòu)大小，將決定了單缸多節(jié)液壓推桿的設(shè)計。

1 伸縮臂三種工作狀態(tài)分析

伸縮臂是在俯仰到一定位置后開始伸出，從全縮狀態(tài)伸到完全伸出狀態(tài)，再拖著電纜回縮，或拖著電纜俯仰到一定位置后開始伸出，將電纜送置船上。為了合理設(shè)計其大小，從三種工作狀態(tài)進(jìn)行分析，即全縮狀態(tài)，伸出一半狀態(tài)和完全伸出狀態(tài)，這三種狀態(tài)具有典型的代表性。全縮狀態(tài)時伸縮臂總長為1600mm，伸出一半狀態(tài)時，伸縮臂總長為4375mm，完全伸出總長為6000mm。伸縮臂在工作過程中，固定端（最左端，也即約束端）所受應(yīng)力最大，伸縮臂的最右端（也即施力端）應(yīng)力最小。在相同起吊重量的情況下，完全伸出狀態(tài)時，伸縮臂最長，伸縮臂固定端所受的彎矩是最大的。通過分析在完全伸出狀態(tài)下，選用普通碳素鋼和鋁合金兩種不同材料，伸縮臂應(yīng)力、位移，應(yīng)變的變化情況，確定伸縮臂的材料和結(jié)構(gòu)尺寸。

2 伸縮臂模型建立

根據(jù)UG三維設(shè)計圖建立有限元分析模型，為了簡化計算，方便有限元模型的建立，在建模過程中進(jìn)行如下假設(shè)及簡化：

（1）省略對靜態(tài)力學(xué)分析沒有影響或影響極小的結(jié)構(gòu)，包括伸縮臂上的小孔和倒角。

（2）對設(shè)計圖中的連接位置（機(jī)械連接及焊接）一律按理想條件下的固結(jié)進(jìn)行考慮，同時忽略機(jī)械連接中的螺栓等細(xì)微結(jié)構(gòu)。

（3）簡化原模型的一些細(xì)節(jié)，對部分尺寸進(jìn)行微調(diào)，如將一些非整數(shù)尺寸按四舍五入取整（單位mm）。

（4）全局選用標(biāo)準(zhǔn)單位為mm（長度）、N（力），因此，其他單位統(tǒng)一為MPa（壓強(qiáng)）。

2.1 材料參數(shù)

材料采用碳鋼和鋁合金兩種，材料參數(shù)如下表。

2.2 模型的建立及加載

伸縮臂的截面形狀設(shè)計成矩形，如圖1所示，第一級為最小級，最小內(nèi)空截面均為200×100mm，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分及約束加載。約束為第六節(jié)伸縮臂端面的所有自由度，載荷為配重及最大起吊電纜繩重量，這里取值2000N，全局重力加速度取9.8m/s2。選用六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分成62400個單元，126048個節(jié)點。

3 鋁合金伸縮臂及結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)分析

采用鋁合金材料，伸縮臂壁厚、截面尺寸與普通碳鋼相同時，進(jìn)行伸縮臂的設(shè)計分析。如在伸縮臂壁厚10mm時，伸縮臂壁總重量約為220kg。利用有限元靜力學(xué)分析，伸縮臂在完全伸出狀態(tài)下的應(yīng)力（VON）的最小值為44791.7 N/m2，最大值為44791.7 N/m2;合位移（URES）最小值為 0 mm，最大值為10.6557 mm;對等應(yīng)變（ESTRN）最小值為5.01882e-007，最大值為 0.000225397 。

4 數(shù)據(jù)分析

綜合兩種材料，不同壁厚，進(jìn)行分析，所得數(shù)據(jù)如下表3所列。根據(jù)表中數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)力、位移、應(yīng)變分析。

5 結(jié)論

根據(jù)伸縮臂在完全伸出工作狀態(tài)下的有限元的應(yīng)力應(yīng)變情況，從應(yīng)力的分析來看，選用鋁合金材料制造伸縮臂，要滿足工作條件，伸縮臂的尺寸大，占用空間大，制造成本高。選擇普通碳鋼制造伸縮臂，四種壁厚情況下，應(yīng)力都滿足要求，但是對于本研究的伸縮臂而言，伸縮臂在工作伸縮時，各段都有位移變形，若彈性位移過大，影響伸縮臂的正常伸縮。綜合考慮伸縮臂的自重、位移及應(yīng)力應(yīng)變，選擇壁厚為6mm的碳鋼作為伸縮臂的制造材料更為合理。

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（作者單位：山東濟(jì)寧圣地電業(yè)集團(tuán)有限公司金鄉(xiāng)金地電力安裝分公司）