輪式起重機(jī)三鉸點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計

鄭紅，李安強(qiáng)，吳國銳

(1.湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙 410151;2.三一重工，湖南長沙 410100)

汽車起重機(jī)可以廣泛應(yīng)用于工礦企業(yè)、建筑工地、港口碼頭、油田、鐵路、倉庫及貨場等工況下的起重和吊裝工作。隨著國家電力、石化、鋼鐵、交通等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)入高潮，國內(nèi)起重機(jī)市場急速擴(kuò)張，汽車起重機(jī)在各行業(yè)的作用也越來越大，經(jīng)濟(jì)杠桿作用與日俱增，對起重機(jī)質(zhì)量及穩(wěn)定性能等都提出了更高的要求。

輪式汽車起重機(jī)主要由三大部件組成:專用的汽車底盤、轉(zhuǎn)臺以及起重臂。其中轉(zhuǎn)臺是起重機(jī)的關(guān)鍵聯(lián)接部件，起重臂、操縱室、專用的汽車底盤均與其直接相聯(lián)，起承上啟下的作用。轉(zhuǎn)臺主要由轉(zhuǎn)臺焊接體、三鉸點(diǎn)軸、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、操縱室、機(jī)棚、配重等部件組成。輪式起重機(jī)變幅、回轉(zhuǎn)、起升三大動作均通過轉(zhuǎn)臺實(shí)現(xiàn)。其中三鉸點(diǎn)軸為轉(zhuǎn)臺連接起重臂、變幅油缸的三根軸。三鉸點(diǎn)的合理布置，能夠降低轉(zhuǎn)臺的受力，降低變幅油缸的變幅壓力，減少油缸的缸徑和桿徑，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺設(shè)計的輕量化。故三鉸點(diǎn)軸位置的合理布置，是輪式起重機(jī)整體設(shè)計里至關(guān)重要的一環(huán)。

1 問題簡介

售后服務(wù)工程師反饋，客戶有二號油缸全伸，在三、四、五節(jié)臂全伸的情況下將起重臂趴下(幅度為-2°)給起重臂筒體抹黃油的工況，而某司一款輪式起重機(jī)在此情況下不能實(shí)現(xiàn)起幅動作，給客戶帶來不便。在此前提條件下，設(shè)計人員對此故障進(jìn)行了分析，設(shè)計了優(yōu)化目標(biāo):在不改變變幅油缸，且不影響整車其他主要性能參數(shù)(轉(zhuǎn)臺、起重臂空間位置保持不變)的前提條件下，通過三鉸點(diǎn)位置的優(yōu)化，保證額定載荷下起重臂2 號伸縮油缸全伸負(fù)角度順利起臂。

2 建立數(shù)學(xué)模型

2.1 建立數(shù)學(xué)模型

如圖1 所示，以變幅缸下鉸點(diǎn)O 為原點(diǎn)建立相對坐標(biāo)系XOY，優(yōu)化過程中不改變油缸，則油缸的最短長度與最長長度保持不變，即以原點(diǎn)O 為圓心作兩個圓，其半徑r，R 分別油缸最短長度與最長長度，其中:R=7 123 mm，r=3 900 mm。

圖1 數(shù)學(xué)模型輔助圖1

如圖2 所示，下鉸點(diǎn)為O (0，0);上鉸點(diǎn)的兩個極限位置點(diǎn)A (rcosα，rsinα)在半徑為r 的圓上，點(diǎn)B (Rcosβ，Rsinβ)在半徑為R 的圓上;尾鉸點(diǎn)C 在AB 的垂直中心線上，且∠ACB=82°;點(diǎn)C 到直線AO 的距離h 即為-2°起臂時油缸相對于尾鉸點(diǎn)的力臂。

圖2 數(shù)學(xué)模型輔助圖2

令C 為(X，Y)，則:

而A(rcosα，rsinα)，O(0，0)，推導(dǎo)出:

2.2 起重臂主要參數(shù)

起重機(jī)主要參數(shù)見表1，起重機(jī)起重性能參數(shù)見表2。

表1 起重機(jī)主要參數(shù)表

表2 起重機(jī)起重性能參數(shù)表

2.3 建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

變幅油缸推力:

-2°狀況下2 號油缸全伸縮起臂變幅油缸推力:

2.4 優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化前后三鉸點(diǎn)軸位置布置圖見圖3，優(yōu)化前后結(jié)果對比見表3。

圖3 優(yōu)化前后三鉸點(diǎn)軸位置布置圖(虛線為優(yōu)化前位置，實(shí)線為優(yōu)化后位置)

表3 優(yōu)化前后結(jié)果對比 MPa

3 結(jié)論

通過建立三鉸點(diǎn)數(shù)學(xué)模型及目標(biāo)函數(shù)，為三鉸點(diǎn)位置的優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù);同時大幅度減低變幅油缸的變幅壓力，為變幅油缸的輕量化設(shè)計提供了理論依據(jù)，提高了液壓系統(tǒng)的可靠性。通過三鉸點(diǎn)的合理布置，在不改變變幅油缸的前提下，成功解決了起重臂2 號伸縮油缸全伸負(fù)角度不能起臂的問題，提高了客戶的滿意度，為后期的設(shè)計提供了經(jīng)驗數(shù)據(jù)。

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