| 标题 | 随车吊伸缩型臂架系统优化模型研究 |
| 范文 | 李洋++宋雨屏 摘 要：随车吊，是物料搬运机械的一种，它的起重臂安装在专用汽车底盘上，能够完成重物的垂直提升和水平搬运工作。本文在考虑起重臂的稳定性、刚度，强度疲劳寿命的基础上，对随车吊伸缩型臂架系统进行受力分析，构建了随车吊伸缩型臂架系统优化模型。 关键词：伸缩型臂架；随车吊；模型 一、伸缩臂架的发展现状与未来趋势 伸缩臂架作为伸缩臂起重机三大金属结构件之一，是主要的工作装置，也是必不可少的组成部分，占整机质量的 13%～20%，所有伸缩臂起重机都依靠它来吊重物，其性能的好坏在很大程度代表着起重机的整机性能好坏，所以伸缩臂的研发设计是设计人员最为关心的核心问题。而伸缩臂发展的关键技术是其材料、机构伸缩形式及截面形状的研究与设计。 伸缩臂在实际工作时，可以简化为一个双向压弯构件，不但受刚度、强度、整体稳定性约束外，还要考虑局部稳定性，通常把臂架设计成箱形截面。 为了使臂架在不影响其工作性能功能的前提下，尽量使其轻量化，减轻整机负担，从伸缩臂架起重机产生到今天，相关学者一直在研究臂架结构，而且截面形状也在不断的改进，从最初的四边矩形截面到今天的椭圆形截面，为改进演化中的几种经典截面：矩形、梯形、倒梯形、五边形、六边形、八边形、大圆角矩形、多变形、U 型以及椭圆形截面等。除了通过对结构截面形式的改进来提高臂架的性能外，其它方面也在改进来提高性能，目前，已有公司在不影响臂架性能的前提下，在腹板中性层面开大圆孔，并对孔镶边来减轻臂架重量。采用配备单缸自动伸缩系统，减少臂架内液压元件所占的空间，臂架截面尺寸也就相应设计的更小，利勃海尔、徐工等在大型全地面起重机上都使用单缸插销技术来减重。另外高强度合金材料也是减轻臂架重量有效的方法。 二、随车吊伸缩型臂架系统计算荷载分析 （一）臂架重力G 。臂架重力 G 包括臂架和伸缩液压缸的重力，如下图 2.2，它是垂直的分布载荷，在计算中假定每节臂是等截面的，考虑其搭接部分，则第i节臂架上的自重均布载荷可以认为是： （3-1） 式中：Gbi，Gb（i+1）——第i节臂（或第i+1节臂）自重，包括伸缩油缸等液压元件；li ——第i节臂架外伸长度；l″i——搭接长度。为简化计算，计算臂架截面上弯矩时，可把自重视为作用在臂架端部的集中载荷其值为： （3-2） 计算臂架端部挠度时，与均布载荷等效的顶部集中载荷为3/8Gb，但因为各节伸缩臂架截面不同，基本臂最大，向伸缩臂顶部逐节减小，所以可近似地取为Gb/3作用在在臂架顶端，2Gb/3作用在臂架根部，考虑自重所受的动力影响，应乘以冲击系数，但由于工作时，臂架在滑动支承上的滑动速度不大，运动非常平稳，Φ1常取1。 （二）起升载荷PQ。起升载荷PQ是一竖直集中载荷，作用在臂架顶端，主要包括两部分：起升重物对应的起重量Q0，吊具自重G0。在做强度计算时，但由于起吊时动力影响，需乘上动载系数，则计算动态起升载荷公式为： PQj=Φ2PQ=Φ2（G0+Q0） （3-3） 式中PQ——静力起升载荷，PQ=G0+Q0；Φ2——动载系数，表达式为Φ2=Φ2min+β2vq，对伸缩臂结构，取Φ2min=1，β2=0.005，由于起升速度不大，故Φ2在 1.2左右浮动。 （三）起升绳拉力S （四）侧向惯性力。伸缩臂架在回转平面内的惯性力由两部分组成，一是由物品偏摆产生的水平力，其大小受允许的物品偏摆角a制约，在计算时，取一水平载荷系数φ来反馈，则Th=（Q0+G0）tana=φ（Q0+G0），它作用在臂架顶部定滑轮上，因为臂端定滑轮与臂架中心线有偏心，所以Th除使臂架受侧向弯曲外，还使臂架受扭，扭矩Mn=（Q0+G0）e1ta=φ（Q0+G0），按起重机设计标准中小吨位角度推荐取φ=0.08（a=4°35′），大吨位取φ=0.05（a=2°52′），实际上与工作幅度和吊重的切向速度v有关；二是臂架回转加速时，由臂架自重产生的惯性力，它也是分布荷载，其大小与回转加速度、回转半径有关，臂端受力最大，其总的惯性力经过积分为PH=0.003RGb。为了计算方便进行简化，换算成作用在臂架端部的集中荷载其值可近似取为PHd=0.55PH，因此作用在臂架端部上总的侧向力为：PYd=Th+PHd= （五）风载荷Pw。起重机工作时，也受风载荷的作用，而由于风载荷方向不确定性，可以把风载荷按垂直和侧向方向进行分解，垂直方向相对臂架重力可以忽略不计，侧向风力也可以像臂架自重载荷一样转化成顶部集中载荷，其值近似取 P =0.4Pw （3-6） 式中Pw ——臂架侧向风力。在臂架作受力 分析时，通常把空间受力分解到变幅平面和旋转平面两个平面受力，分析起来更加的方便简单。在变幅平面内，伸缩臂架由于臂架根部约束和变幅液压缸约束可以按简支外伸梁计算，而在旋转平面内臂架基本臂由销轴和液压缸固定，另一端自由压弯，可以按悬臂外伸梁计算。变幅平面受力分析如下：臂架轴向力：臂架横向力： 由起升绳拉力S 和坚直力Q对臂轴线偏心引起的弯矩为： 变幅平面受力分析如下：侧向载荷为：PYd=Th+PHd+P =φ（Q0+G0）e1+0.0017RGb ≈φ（Q0+G0）e1+0.002RGb +0.4PW （3-10） 三、随车吊伸缩型臂架系统优化模型的构建 （一）伸缩臂架的优化简介。箱形伸缩臂架的自重过大，材料难于得到充分利用，这是伸缩式臂架起重机向大型化发展的主义，近年来优化设计在起重机臂架应用的越来越多，国内外都采用先进的优化设计方法及其它的设计仿真方法对臂架进行设计分析。为了使臂架的设计达到最优，需要对臂架的相关设计参数进行分析，并确定相互之间的关系，在满足相关约束的条件下，通过对这些设计变量修改，形成一系列的设计方案，挑出最好的一个，使目标函数达到最优值。由于设定的优化目标是经济合理，所以以臂架的质量最小为目标函数，满足相关使用要求的前提下，选取臂架的和截面几何尺寸为优化参数，以六边形截面臂架为例。 （二）伸缩臂数学优化模型。（1）强度约束条件。伸缩臂架工作时，处于双向夺弯和扭转状态，将产生双向弯曲正应力、扭转正应力，及剪切应力，对于每一臂节非重叠部分需要满足的公式 4-1—4-3的要求。 每一臂节重叠部分，重叠滑块处受局部弯曲应力和整体弯曲应力，需满足的公式4-4 要求。 （2）变幅平面刚度约束条件。箱形伸缩臂在中长臂工况下变形较大，为了防止臂端变形过大而影响起重机正常工作，臂架端部变幅平面挠度就满足式 4-5 约束： （3）旋转平面刚度约束条件。同样在中长臂工况下，由于风载荷及重物偏摆引起旋转平面变形较大，臂架端部旋转平面挠度就满足式4-6 约束： （4）整体稳定性约束条件。与桁架式吊臂一样，验算伸缩式吊臂的整体稳定性。构成伸缩臂整体稳定性的约束函数为： （5）局部稳定性的约束条件。箱形臂架的下盖板与腹板都受到压应力的响，会造成局部失稳，发生结构破坏，须对下盖板和腹板的局部稳定性进行约束。 腹板的局部稳定约束函数为：g（6）设计变量给定域约束条件。 上面介绍伸缩臂起重机六边形臂架结构优化设计的建模过程，以伸缩臂架质量最轻为目标函数，基本臂节截面参数为设计变量，以臂架强度、刚度、稳定性及工艺尺寸条件为约束条件。 四、结论 我国经济快速腾飞及大型工程的加紧建设，伸缩臂起重机在祖国各地的大型工程工地上夜以继日的忙碌，对工程建设的快速安全施工起到很大推动作用。因此所需伸缩臂起重机数量很大，世界各大生产商都在瞄向这个市场，尽可能设计制造出高质量、高性能、轻量化的起重机产品。做为伸缩臂起重机的伸缩臂架占整机重量30%以上，如何使臂架做到轻量化非常重要，因此，本文通过对伸缩臂进行受力分析，构建了其优化模型。 参考文献： [1] 张学良，刘丽琴.智能优化算法及其在机械工程中的应用[M].北京：国防工业出版社，2012 [2] Cheng-Hong Yang，Sheng-Wei Tsai.An improved particle swarm optimization with double-bottom chaotic maps for numerical optimization[J].Applied Mathematics and Computation，2012（219）：260-279 [3] 赵小伟，卫良保.基于APDL 桥式起重机主梁快速优化设计[J].太原科技大学学报，2012（1）：49-53 [4] 刘海波，周文.伸缩式吊臂的截面设计.机械管理开发， 2011，06：96 .97 |
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