全地面起重機(jī)桁架式副臂起臂變形量的研究

王詩柔，薛永飛，徐　偉，王文靜，王盼盼

（1.大連益利亞工程機(jī)械有限公司，遼寧大連116023 2.大眾汽車自動(dòng)變速箱（大連）有限公司，遼寧大連116019）

全地面起重機(jī)桁架式副臂起臂變形量的研究

王詩柔1，薛永飛2，徐偉2，王文靜1，王盼盼1

（1.大連益利亞工程機(jī)械有限公司，遼寧大連116023 2.大眾汽車自動(dòng)變速箱（大連）有限公司，遼寧大連116019）

運(yùn)用線性和非線性理論對全地面起重機(jī)桁架式副臂起臂工況進(jìn)行分析，提取起臂過程中最危險(xiǎn)的工況使用有限元法中的梁單元和桿單元代替各構(gòu)件進(jìn)行分析，得出線性和非線性理論對長柔性臂起臂的變形影響。

全地面起重機(jī)；起臂模型；線性；非線性

全地面起重機(jī)桁架式副臂對起重性能和作業(yè)高度有直接影響，桁架式副臂應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。全地面起重機(jī)桁架式副臂屬于柔性桿件系統(tǒng)，整體重量較大，臂長伸出較長作業(yè)時(shí)（長臂長指的是臂長較長時(shí)）臂頭產(chǎn)生彎矩較大，起重量載荷和前拉板等聯(lián)合作用下幾何變形較大，如何避免幾何變形的影響以及使桁架式副臂在起臂過程中具有足夠的剛度和穩(wěn)定性是全地面起重機(jī)臂架系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。通過對桁架式副臂起臂幾何變形的理論研究結(jié)果來指導(dǎo)實(shí)際操作具有較高的研究價(jià)值。

本文根據(jù)有限元模型簡化原則，將各構(gòu)件截面進(jìn)行等效慣性矩算法處理，建立以混合單元［1］（梁單元和桿單元）組成的全地面起重機(jī)桁架式副臂工況起臂模型，采用的NR［2］法對幾何變形問題進(jìn)行迭代計(jì)算，應(yīng)用ANSYS Parametric Design Language參數(shù)化設(shè)計(jì)語言編制臂架不同組合臂長的起臂模型的程序進(jìn)行計(jì)算，得出幾何變形對起臂影響的一般規(guī)律，為指導(dǎo)全地面起重機(jī)桁架式起臂作業(yè)有較好的實(shí)際工作意義。

1　起臂工況姿態(tài)的選取

桁架式副臂起臂工況通過以下過程實(shí)現(xiàn)：伸縮臂變幅，伸縮臂伸縮，桁架式副臂變幅。伸縮臂變幅及伸縮階段，臂架系統(tǒng)在短臂長時(shí)桁架式副臂垂直懸掛于臂頭，而臂長伸出較長作業(yè)時(shí)臂頭與地面直接接觸，因而兩個(gè)階段的桁架式副臂幾何變形量都較小。而在桁架式副臂變幅階段，桁架式副臂懸空，受其自重和拉板聯(lián)合作用，容易產(chǎn)生幾何變形，對臂架系統(tǒng)的剛度和穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響。

本文針對桁架式副臂起臂過程中臂長的不同組合工況進(jìn)行幾何變形量對比分析。先選取桁架式副臂接近水平狀態(tài)的工況進(jìn)行計(jì)算，研究桁架式副臂呈-5°、0°、5°時(shí)起臂幾何變形對整機(jī)起臂的影響。再以120 m和126 m為例對桁架式副臂整個(gè)桁架式過程中受幾何變形影響進(jìn)行分析。

2　有限元模型簡化

全地面起重機(jī)桁架式副臂工況模型分為：伸縮臂系統(tǒng)和桁架式副臂系統(tǒng)。伸縮臂系統(tǒng)包括：伸縮臂、變幅油缸、中間過渡節(jié)、TY支架。桁架式副臂系統(tǒng)包括：桁架式副臂、連接架、鋼絲繩、后撐桿、前撐桿、拉板等。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　全地面起重機(jī)帶輔助撐桿起臂某位姿瞬態(tài)示意圖

副臂各構(gòu)件運(yùn)用混合單元（梁單元和桿單元）建立成有同樣截面參數(shù)的有限元單元模型進(jìn)行分析。起臂時(shí)桁架式副臂臂頭一般不承受起重量載荷，所以不考慮起重量和繩具對其的作用，此次計(jì)算分析中有限元模型作如下假設(shè)處理：第一，各臂節(jié)均以其軸線進(jìn)行等效［3］；第二，忽略臂節(jié)間的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

3　線性和非線性算例分析

在ANSYSY14.0計(jì)算軟件中對18m～126 m臂長進(jìn)行計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果來看，18～72m臂長時(shí)應(yīng)用線性和非線性計(jì)算得出的幾何變形量相近。表1中78～126 m臂長計(jì)算工況應(yīng)用線性和非線性計(jì)算得出的幾何變形量差別較大，因此作為工況進(jìn)行分析。

表1　帶輔助撐桿起臂工況描述

經(jīng)ANSYS14.0有限元軟件計(jì)算分析可以看出:

（1）臂長≥108 m時(shí)，結(jié)構(gòu)撓度最大變形量基本發(fā)生在同一位置，而臂長大于108 m線性最大變形量發(fā)生在臂頭，非線性最大變形量發(fā)生在靠近前拉板的位置。

（2）126m臂長時(shí)非線性變形量比線性變形量略小，而18～120m臂長時(shí)非線性變形量比臂線性變形量大；

（3）臂長越長線性變形量和非線性變形量越大。如圖2圖3所示。

圖2　126m桁架式副臂工況0°時(shí)線性變形

圖3　126m桁架式副臂工況0°時(shí)非線性變形

126 m臂長時(shí)線性撓度為9 089 mm，非線性最大撓度達(dá)到8 125 mm.長臂長時(shí)幾何變形量均比較大，增加腰繩可以有效減小對桁架式副臂變形量和改善受力情況［4］。

4　線性和非線性變形量對比分析

線性采用小變形進(jìn)行計(jì)算，非線性采用大變形進(jìn)行分析，臂架整體幾何變形量對結(jié)構(gòu)的影響在非線性中體現(xiàn)出來。如圖4圖5所示。

圖4　桁架式副臂-5°~10°時(shí)線性和非線性變形

圖5　18~126m桁架式副臂-5°~5°時(shí)線性和非線變形量

從表2中可以看出，副臂變幅角度在-5°、0°及5°時(shí)，臂長≤102m采用非線性計(jì)算得出的幾何變形量結(jié)果較大，差值Dif達(dá)到峰值，隨后遞減，在臂長≥102m時(shí)采用線性計(jì)算得出的幾何變形量結(jié)果較大。

表2　部分副臂臂長呈-5°，0°和5°時(shí)線性和非線性變形量［3］

5　結(jié)束語

（1）桁架式副臂呈0°時(shí)，臂長小于96 m，線性和非線性變形均發(fā)生在靠進(jìn)前拉板與桁架式副臂鉸接的部位；而當(dāng)臂長為102 m～120 m，線性變形發(fā)生在桁架式副臂臂端，而非線性最大變形發(fā)生在桁架式副臂靠近與前拉板鉸接的部位。

（2）同一桁架式角度時(shí)，隨著臂長的增加，線性變形和非線性變形均增大，18～120 m臂長時(shí)，非線性變形量比線性變形量大；126 m臂長時(shí)線性變形量比非線性變形量大。

（3）同一桁架式角度時(shí)，非線性變形量與線性變形量之差最大值發(fā)生在78～126 m臂長范圍內(nèi)，102 m臂長時(shí)非線性變形量比線性變形量差值最大，差值大約28.74%，所以大臂長桁架式副臂起臂過程中需考慮非線性因素的影響。

（4）桁架式副臂桁架式角度從-5°至5°范圍內(nèi)變化時(shí)，臂長78～114m的桁架式副臂線性變形和非線性變形均增大，但增幅不大；臂長120 m和126 m臂長的線性變形和非線性變形量先減小后增大，增幅不大。

［1］Phani Kumar V.V.Nukala，Donald W.White.A Mixed Finite Element for Three dimensional Nonlinear Analysis of steel Frames［J］.Computer Methods in Applied Mechanics and Engi neering，2004，193（23-26）:2507-2545.

［2］Kiyohiro Imai，Dan M.Frangopol.Geometrically Nonlinear Finite Element Reliability Analysis of Structural Systems［J］. Computers and Structures，2000，77（6）:677-691.

［3］薛永飛.全地面起重機(jī)變幅副臂工況起臂研究［D］.大連：大連理工大學(xué)碩士論文，2013:41.

［4］張正元.塔機(jī)水平臂主載荷下線性和非線性變形和內(nèi)力［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，（12）：732-737.

Research on Deflection O f Truss Structure Of All-Terrain Crane WANG Shi-rou1，XUE Yong-fei2，XU wei2，WANGWen-jing1，WANG Pan-pan1

（1.Dalian Yiliya Construction Machinery Co.Ltd.Dalian Liaoning 116023，China；2.Volkswagen Automatic Transmission（Dalian）Co.，Ltd.Dalian Liaoning 116019，China）

This paper mainly analyze the boom lifting process of fly jib working condition of all terrain crane with linear theory and nonlinear theory.Firstly，The most dangerous working condition will be extracted.Then Each component will be established by beam and link element based on section of custom function and iterative computation，consequence will be analyzed with finite elementmethod.Finally，the deformation influence based on linear and nonlinear theory on boom lifting processwill be concluded.

all terrain crane；boom liftingmodel；linear；nonlinear

TH213.6

A

1672-545X（2016）05-0037-02

2016-02-05

王詩柔（1977-），女，遼寧鞍山人，碩士研究生，工程師，研究方向：結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)。