| 标题 | 起重机伸缩臂结构工况分析与力学计算 |
| 范文 | 李洋++宋雨屏 摘 要：起重臂作为起重机的主要受力构件，其强度和刚度的强弱对整机的性能有很大影响。因此对起重机伸缩臂的强度和刚度分析以及结构的优化设计研究有深远的现实意义。本文把汽车起重机伸缩臂作为研究对象，先结合起重机设计规范和相关力学知识对伸缩臂结构进行必要的力学分析。然后据实际工程作业情况，对起重机实际工况作出分析，选择其中三种典型工况进行了相关分析研究。 关键词：伸缩臂；工况分析；力学计算 一、引言 随着我国城镇化建设的快速发展，促使建筑业也蓬勃发展，造就了一批高大宏伟的建筑物。近年来，居民楼也由传统的多层发展为高层，并且外观造型新颖奇特，深受人们青睐。对如何维护新型建筑外观的清洁与美观提出了新的要求，所以对施工作业设备在日常施工、安装以及维护有了更高的要求。此外，在经济迅速发展，国家对基础设施建设投入也逐渐增大，在建设规模越来越大的环境下，对起重安装工程设备的需求量也随之加大，并由之前传统的半自动化作业向自动化，半机械化向机械化过渡，因此工程起重机的需求量开始快速增长，产量也是日新月异地刷新纪录。值得一提的是，国内外有一个共通点——发展最为迅速的是汽车起重机。而汽车起重机关键部位在于吊臂，利用吊臂卸载负荷，可以提高起重机的作业范围和作业难度。而汽车起重机的主要承载构件是吊臂，担负着起重机的各种负荷，因而耗钢量很大。其结构设计好坏，对起重机整体性能以及生产成本的控制将产生直接影响。因此很有必要对汽车起重机吊臂的结构设计、力学性能等进行充分的分析与辩证。 二、起重机吊臂发展动向 近年来，不难发现工程机械领域的起重机发展是很迅速的，为了适应以及改善用户所提出的一些新性能，被广泛应用于汽车起重机的一些运算理论和方法同时也得到了长足进步。知名企业做得很好，他们大多有自己的科研机构，对汽车起重机吊臂各种创新研究设计均有比较深入的认识。很多企业之前就已开始用有限元等新型计算方法，使得研究颇有成效，不但能较准确地校核结构的强度和刚度，还能降低了整机的自重，因此有效解决了强度与重量的矛盾。近年来由于CAD和CAE技术的发展，使得工程技术人员发挥创新创造的能力得到了很大提升，进而将这些新技术用在设备吊臂的设计上，将电算运用到全过程中，降低了产品的研发设计时间，使产品的设计水平大幅提升，使研制时间和成本大大缩短和降低，因此使得产品的经济效益得到了巨大提升。截止当前，对汽车起重机吊臂的优化设计、稳定性分析等主要还是靠有限元来进行分析和研究，而箱形截面的吊臂则被用来研究起重机吊臂的强度及刚度。 三、随车吊伸缩型臂架工况分析 汽车起重机作业过程中，其伸缩臂的实际工况较多。由于箱型截面伸缩臂可以实现伸缩，所以不必按非工作状态下的工况进行强度、刚度验算。只需在额定起重量、最小幅度和伸缩臂伸至最长三种工况下进行分析。因此，仅选用三组具有典型代表意义的工况为例来介绍U型截面四节臂的汽车起重机吊臂的有限元分析过程。根据《起重机设计手册》50吨起重机性能表（如下表），选用以下三种工况，参数分别为： 四、随车吊伸缩型臂架力学计算 工况分析一：伸缩臂三节臂均未伸出，达到工作最小幅度3m，载重记为G1，液压缸对其支反力记为F1，液压缸和基本臂铰点与伸缩臂固定端水平距离记为L，伸缩臂末端与固定端水平距离记为L1。 设计得：L1=1.42m，L2=3m，吊重m1=5×104kg 根据力矩平衡原理M1+M2+M3=0得：F1=1037726N，G1=490000N 工况二：伸缩臂为中场臂，三节臂均为部分伸出，达到工作幅度5m，载重记为G2，液压缸对其支撑力记为F2，液压缸和基本臂铰点与伸缩臂固定端水平距离记为L，伸缩臂末端与固定端水平距离为L2。 设计计算得：L1=1.42m，L2=5m吊重m2=24.7t 根据力矩平衡原理M1+M2+M3=0得：F2=854600N， G2=242060N 工况三：伸缩臂三节臂完全伸出，达到全伸状态，工作幅度为7m，载重记为G3，液压缸对其支撑力记为F3，液压缸和基本臂铰点与伸缩臂固定端水平距离记为L，伸缩臂末端与固定端水平距离记为L3。 设计计算得：L=1.42m，L3=7m吊重m3=10.2t 根据力矩平衡原理 M1+M2+M3=0得：F3=594323N ， G3=99960N 五、随车吊伸缩臂数学模型的建立 伸缩式吊臂采用液压缸实现变幅，作用在臂架上的载荷有起升载荷、自重、回转惯性力以及风载荷等。臂架自重视为沿臂架长均匀分布，也可按重心位置分配至臂的根部铰顶端。箱形伸缩式吊臂应按最小幅度吊最大起重量的工况进行计算。在最大幅度时起吊的最小起重量工况下验算整机稳定性，因为在此工况下吊臂的承载能力有富余，所以不必验算。 （一）吊臂在变幅平面所承受的载荷 （1）垂直载荷Q0 式中，φ1——起升冲击系数；φ2——动载荷系数；Gb ——吊臂重力。 （2）根据力平衡方程算出截面所受的轴向力 A-A截面所受的横向力FZ： 式中，φ3——风载荷转化到臂端的转化系数； （3）A-A截面在变幅平面内所受的弯矩My （二）吊臂在旋转平面承受的载荷 伸缩臂在旋转平面的侧向载荷Fy。Fy=Q0tga3+ φ3 Pω2 式中，Pω2——侧向风载荷。 A-A截面在回转平面内所受的弯矩MZ 由以上受力分析可知，起重机伸缩臂架是以受弯为主的双向压弯构件。 六、结论 随着现代化工程建设的增多，汽车起重机由于其自身的灵活性和便捷性已被越来越广泛地应用于施工中，这就要求汽车起重机具有较强的承载能力，因此便对其强度和刚度提出了更高的要求。本文以此为出发点，以结构分析理论为基础。选取合适的工况，对约束条件和载荷进行了详细的分析和计算，并加载到模型的相应位置，对三种工况下的伸缩臂模型进行了力学分析。 参考文献： [1] 王超.起重机行业发展综述[J].工程建设，2011 [2] 郭庆义.汽车起重机结构臂架研究[D].大连：大连理工大学，2007 [3] 肖文涛.汽车起重机伸缩臂系统设计[D].三峡大学，2007 [4] 马胜.QTJS160 铁路起重机伸缩臂结构的有限元分析[D].武汉：华中科技大学，2007 [5] 沈法鹏，王健.汽车起重机副臂结构的有限元分析[J].山东理工大学学报，2006，20 （5）：51-55 [6] 纪爱敏，张培强，彭铎等.起重机伸缩吊臂局部稳定性的有限元分析[J].农业机械学报，2004，35（6）：48-51 |
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