起重機伸縮臂結構優化設計及有限元分析

鄧 敏， 許 維， 溫紀云

（深圳市威富通訊技術有限公司， 廣東 深圳 410000）

引言

隨著城市化的突飛猛進發展，促進我國國內城鎮的面貌發生了煥然一新的變化。經濟的高速發展必然帶動其他方方面面的進步，尤其是在基礎設施建設方面，國家不斷加大投資力度，建筑的規模越來越大，這同時就對起重安裝工程提出了更高的要求，須保證在實際操作過程中，滿足強度和剛度要求[1]。大噸位的起重機得益于近幾年的經濟高速發展，各種大型工程項目的增多，對大噸位起重機的需求也越來越迫切，這就導致了大噸位起重機的各種設計和原材料不斷增多。同時在實際使用過程中，有些大型項目所處的環境地理位置及氣候條件，也對起重機的結構及材料提出了一些較苛刻的要求[2]。為了保證起重機全路徑和全氣候的適應性，需要對起重機的關鍵部件伸縮臂進行結構設計，將起重機朝著微小型方向設計，尤其是對伸縮臂的結構進行優化設計，在不降低強度和剛度的情況下，降低其重量，保證起重機能夠得到高效、安全的工作。

1 伸縮臂概述

根據目前現有的起重機來看，按照其變幅方式的不同，起重臂以固定式和伸縮式為主。按照吊臂的截面形狀又可以將其分成箱式結構和桁架式結構，大多數情況下的起重機采用的是箱式結構[3]，箱式結構在實際使用的過程中能夠承受吊升過程中的物體給予臂架的壓力和彎矩，同時伸縮臂各處的約束點及穩定性能夠更好的解決，因此本文以箱式伸縮臂為研究對象，對其進行分析研究。箱式伸縮臂一般情況下的臂節數設計以3～5 節為最優狀態，在設計時要充分考慮其鉸點的位置，其直接影響著伸縮臂的強度和剛度等重要參數。伸縮臂通常是由伸縮油缸、變幅油缸、伸縮臂及滑塊等組成[4]。相互嵌套的相鄰臂節之間安裝有支撐滾子和滑塊，通過內部的伸縮油缸及變幅油缸實現伸縮臂的伸縮功能。

2 伸縮臂結構靜力學分析

由于伸縮臂的結構特殊性，在對伸縮臂進行靜力學分析時只需要在額定重量的范圍內，對其最長狀態或者最小幅度狀態進行分析研究[5]。通過利用ANSYS Workbench 進行靜力學分析。本次靜力學分析模型采用的是自由網格劃分法，網格的尺寸為180 mm，總共有79 578 個節點和40 476 個節點。在設置載荷前需要設定材料的參數，材料的參數設置如表1 所示，通過對其進行載荷分布設置，其載荷分布如圖1 所示。通過對簡化的基本臂進行有限元分析，得到其變形圖和應力圖如下頁圖2 所示。

圖2 靜力學分析云圖

表1 起重機伸縮臂材料屬性

圖1 伸縮臂的網格劃分圖和加載情況圖

3 伸縮臂結構優化及有限元分析

起重機的伸縮臂一般情況下主臂的質量占全部機器質量的18%～32%，吊臂的重量直接影響著整個起重機的工作性能，這就需要設計一種最佳的吊臂截面尺寸。對吊臂進行優化設計，減輕吊臂的重量，達到優化起重機性能的作用。本文主要的研究對象是伸縮臂的U 形截面尺寸，U 形截面在實際應用過程中是由上蓋板和下蓋板組成的，上蓋板的寬、厚、高分別為400 mm、6 mm 和 210 mm，圓角半徑是 50 mm，下蓋板的厚度是8 mm，半徑為201 mm。利用Workbench 對截面尺寸進行優化，通過基本臂的下斷面進行固定，在上斷面施加垂直載荷104N。在參數的范圍設置時，上蓋板的厚度優化范圍設置為5.3～6.6 mm，下蓋板的為7.1～8.8 mm，上蓋板高度的范圍設置為180～240 mm。通過對其進行優化分析得到最優的的結果為上蓋板厚度為6 mm，下蓋板厚度為7.2 mm，上蓋板高度為182.06 mm。總模型的質量為922.27 kg，模型的變形量為8.822 mm，最大的應力值為16.658 MPa，得到了如圖3 所示的云圖。

圖3 優化后模型的應力云圖和位移云圖

通過對優化前和優化后的云圖分析能夠得到，優化后的平均應力比優化前減少了約59%，總變形量減少了17%，質量方面減少了大約8.87%。

4 結語

起重機伸縮臂作為起重機最重要的零部件，闡述了其結構和工作原理。通過實際參數情況下的伸縮臂進行靜力學分析得到起重機伸縮臂伸長至最長狀態時的應力云圖和位移云圖，然后利用Workbench 對截面尺寸進行優化，設定伸縮臂截面尺寸為設計變量，優化得到的數據進行建模分析對比，得到的數據明顯優于未優化的數據。優化后的伸縮臂基本臂的重量比優化前有著很大的減少，在位移云圖上能夠明顯觀察到其變形量要小于未優化前的變形量，并且以優化后的數據進行設計，截面尺寸和結構更加符合設計理念，節省原材料，提升了整個起重機的性能。