王 園

(山西工程職業(yè)學(xué)院，山西 太原 030009)

0 引 言

我國(guó)隨車(chē)起重機(jī)的生產(chǎn)起步于20世紀(jì)70年代末，加之目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)商對(duì)隨車(chē)起重機(jī)研究開(kāi)發(fā)投入少，全國(guó)生產(chǎn)的隨車(chē)起重機(jī)產(chǎn)品品種還比較單一，以起重作業(yè)及運(yùn)輸功能為主，生產(chǎn)規(guī)模也很小，只是近幾年才有較大發(fā)展。

在各個(gè)公司不斷將隨車(chē)起重機(jī)的起重能力提高到一個(gè)新的高度的時(shí)候，某些特殊的地方可能需要一種小型的起重裝置。小型隨車(chē)起重裝置特點(diǎn)鮮明，其設(shè)計(jì)方法與重型起重機(jī)相比大為簡(jiǎn)化，因?qū)嶋H作業(yè)過(guò)程中，起重裝置折疊臂往往容易受到損壞，故筆者分析折疊臂的設(shè)計(jì)方法與強(qiáng)度計(jì)算，為小型起重裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一種設(shè)計(jì)方案。

1 主要結(jié)構(gòu)方案分析及外形尺寸確定

1.1 吊臂材料及截面形狀

折疊式隨車(chē)起重裝置中，折疊臂以受彎為主，是雙向壓彎構(gòu)件，它在受到整體強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的約束限制的同時(shí)，主要受到局部穩(wěn)定性約束。在對(duì)折疊臂截面形狀研究的過(guò)程中，其形狀主要為：四邊形、五邊形、六邊形、八邊形、十邊形和橢圓形等。五邊形截面、六邊形、八邊形和十邊形截面都可以使材料得到充分利用，抗彎曲能力較好，對(duì)改善下翼緣板的局部穩(wěn)定性有較大幫助，八邊形和十邊形截面的下翼緣板和腹板的實(shí)際計(jì)算寬度較小，也有利于提高失穩(wěn)能力。但他們制作工藝相對(duì)復(fù)雜，加之此次設(shè)計(jì)為小型起重裝置，它的特點(diǎn)是起升力矩、負(fù)載重量較小。而在上述截面中，四邊形截面通過(guò)翼緣板和腹板焊接而成，雖然不能夠充分發(fā)揮伸縮臂的承載能力，但它的制作工藝最為簡(jiǎn)單，并且具備較好的抗彎能力和抗扭曲能力，能夠充分滿(mǎn)足此方案的要求。因此，選擇最便于加工的四邊形作為折疊臂截面。同時(shí)，為了減輕重量，減小體積，并且提高起重機(jī)的整體起重性能，應(yīng)采用高強(qiáng)度鋼板焊接而成，整體外形美觀適用即可。

綜上，小型隨車(chē)起重裝置吊臂截面形狀為四邊形。同時(shí)吊臂的材料選擇16 Mn，為高強(qiáng)度低合金鋼。

1.2 主折疊臂尺寸的確定

根據(jù)實(shí)際工作的工況，三節(jié)臂的尺寸需要滿(mǎn)足如下要求：①能夠較為方便快速的抓取四個(gè)位置的負(fù)載；②折疊式起重裝置高度小于2 100 mm；③三節(jié)臂總重量小于 200 kg；④折疊式起重機(jī)吊臂較短，一般每節(jié)臂長(zhǎng)不大于3 m；⑤收回狀態(tài)下，折疊起重機(jī)應(yīng)外形較為美觀。根據(jù)這5點(diǎn)要求，可通過(guò)繪制簡(jiǎn)圖1，得到符合外形要求的三節(jié)吊臂。最終得到的尺寸為：主折疊臂長(zhǎng) 2 500 mm，次折疊臂長(zhǎng) 2 250 mm，伸縮臂長(zhǎng) 1 000 mm。同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)要求3，選用主折疊臂截面寬100 mm，高 110 mm，臂厚為10 mm。

圖1 隨車(chē)起重裝置工況簡(jiǎn)圖

2 主折疊臂鉸點(diǎn)位置的確定

從圖1中可以看出，主臂的變幅角度可達(dá)到 127°。如圖2所示三個(gè)鉸接點(diǎn)A、B、C所構(gòu)成的三角形需滿(mǎn)足以下要求：

圖2 主臂、變幅油缸和立柱的關(guān)系圖

(1)在變幅油缸收回狀態(tài)下，AC的距離應(yīng)為變幅油缸的安裝距，此距離為標(biāo)準(zhǔn)化的液壓缸的安裝距，并且該狀態(tài)下主臂要保證一定的俯角α，使得吊臂在收回狀態(tài)下具有一個(gè)合適的寬度。

(2)在變幅油缸完全伸出時(shí)，即變幅油缸達(dá)到最大行程時(shí)，主折疊臂與水平面的夾角應(yīng)符合設(shè)計(jì)的要求，該角度β與之前的俯角之和應(yīng)該滿(mǎn)足主臂變幅角度的要求，即變幅角度=α+β。

綜上所述，初步確定的主折疊臂、次折疊臂和伸縮臂的外形尺寸為：主折疊臂長(zhǎng)2 500 mm，次折疊臂長(zhǎng)2 250 mm，伸縮臂長(zhǎng)1 000 mm，滿(mǎn)足條設(shè)計(jì)要求，起重裝置的最大伸縮距離不小于 5 500 mm。結(jié)合三節(jié)吊臂的截面尺寸，可近似求得主折疊臂、次折疊臂和伸縮臂的質(zhì)量，分別為：74.6 kg、51.7 kg 和 14.2 kg，總重 140.5 kg，滿(mǎn)足重量要求。

3 強(qiáng)度計(jì)算

3.1 載荷組成

作用在起重機(jī)結(jié)構(gòu)上的載荷主要分三類(lèi)，即基本載荷、附加載荷與特殊載荷。

(1)基本載荷

基本載荷是始終和經(jīng)常作用在起重機(jī)上的載荷。它們是：自重載荷、起升載荷、以及由于機(jī)構(gòu)的起(制)動(dòng)所引起的水平載荷。

(2)附加載荷

隨車(chē)起重機(jī)在正常工作狀態(tài)下，會(huì)受到偶然性載荷的作用，這些載荷被稱(chēng)為附加載荷。附加載荷主要由作用在起重機(jī)臂架等表面上的最大工作風(fēng)載荷、水平載荷、偏斜運(yùn)行時(shí)的側(cè)向力以及溫度載荷等組成。

(3)特殊載荷

在對(duì)折疊式隨車(chē)起重裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，需要明確載荷的構(gòu)成。若只考慮基本載荷，為組合Ⅰ；同時(shí)對(duì)基本載荷和附加載荷考慮為組合Ⅱ；組合Ⅲ是基本載荷與特殊載荷或者三種載荷同時(shí)考慮的組合。

顯然，只有能夠滿(mǎn)足起重機(jī)各部件相應(yīng)的安全系數(shù)，并不需要對(duì)這三種載荷組合都進(jìn)行計(jì)算。針對(duì)小型起重裝置，它具有額定負(fù)載小的鮮明特點(diǎn)，加之主折疊臂、次折疊臂和伸縮臂總的受風(fēng)壓面積較小，為了便于計(jì)算，這里忽略掉風(fēng)載荷。綜上，在對(duì)吊臂強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，我們主要考慮載荷組合Ⅰ。

3.2 主折疊臂強(qiáng)度計(jì)算

對(duì)這主折疊臂進(jìn)行強(qiáng)度校核，應(yīng)對(duì)折疊式起重機(jī)受力最差的情況進(jìn)行分析，即，吊臂的工作幅度達(dá)到最大。此時(shí)，主折疊臂受力簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 主折疊臂受力簡(jiǎn)圖

根據(jù)力矩平衡方程，可求得R1y=7 320 N、R1x=52 130 N和Pz=52 330 N，之后，可對(duì)主折疊臂進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。

(1)彎矩計(jì)算

根據(jù)受力簡(jiǎn)圖確定K3截面為危險(xiǎn)界面，這個(gè)截面的彎矩為：

MK3=R1y×LJ1F+G3×LJ10

(2)慣性矩計(jì)算

主折疊臂截面是規(guī)則截面該截面很容易可以求得慣性矩。

主折疊臂截面慣性矩：

=6 231 667 mm4

(3)強(qiáng)度計(jì)算

主折疊臂危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度：

式中：σs為吊臂材料的屈服強(qiáng)度，320 MPa；β為系數(shù)，1；n為安全系數(shù)，取n=1.33。

綜上：主折疊臂危險(xiǎn)截面的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力皆小于許用應(yīng)力，說(shuō)明這節(jié)臂的強(qiáng)度符合要求。

(4)主折疊臂穩(wěn)定性校核

主折疊臂校核應(yīng)力衡準(zhǔn)穩(wěn)定性，求得：

4 有限元分析

主折疊臂受力情況相對(duì)最為惡劣。因此，主折疊臂作為主要受力的構(gòu)件，其強(qiáng)度校核就顯得尤為重要。在之前對(duì)主折疊臂進(jìn)行的強(qiáng)度校核雖然能夠基本保證設(shè)計(jì)的合理性，但是由于使用的是該吊臂的簡(jiǎn)化模型，并不能使該吊臂的細(xì)節(jié)處得到較好的說(shuō)明。所以利用有限元軟件對(duì)其進(jìn)行有限元分析。使用 Ansys 中Workbench 模塊對(duì)主折疊臂的三維模型進(jìn)行有限元分析，在工作幅度達(dá)到最大5.75 m時(shí)，該節(jié)臂的受力情況最為嚴(yán)重。對(duì)各鉸點(diǎn)位置施加相應(yīng)作用力，劃分網(wǎng)格后求解，最終得到的結(jié)果如圖4所示。

圖4 主折疊臂等效應(yīng)力及總形變圖

從圖中可以看出，主折疊臂等效應(yīng)力最大為107.56 MPa，與之前計(jì)算結(jié)果吻合，小于許用應(yīng)力強(qiáng)度，并且總變形最大處為液壓缸鉸點(diǎn)位置，為0.06 mm符合設(shè)計(jì)要求。

5 總 結(jié)

文中主要對(duì)小型隨車(chē)起重裝置進(jìn)行了主折疊臂的設(shè)計(jì)，對(duì)折疊式起重裝置的主折疊臂進(jìn)行強(qiáng)度校核，同時(shí)進(jìn)行了穩(wěn)定性計(jì)算，并且使用有限元分析軟件對(duì)主折疊臂進(jìn)行了應(yīng)力和應(yīng)變的分析；根據(jù)最終得到的結(jié)果，證明了之前設(shè)計(jì)的尺寸以及方案是合理的，完成了設(shè)計(jì)要求。

文中校核所得到的應(yīng)力較小，雖然確保了構(gòu)件的強(qiáng)度，但也是對(duì)材料的一種浪費(fèi)，可以使用一些建模軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)，使吊臂材料得到最充分的利用。對(duì)于吊臂材料也可選用更高性能的合金鋼，從而減輕自重。