某折臂式隨車起重機起升及卸載瞬態(tài)分析

崔 哲，趙得智，王艷輝

(1.徐州徐工隨車起重機有限公司，江蘇 徐州 221004；2.燕山大學(xué) 機械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

折臂式隨車起重機結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間相對較小，以其裝卸、運輸合二為一的優(yōu)勢，越來越受到用戶的青睞[1].隨車起重機廣泛應(yīng)用于交通運輸、建筑、電力等行業(yè)的貨物裝卸及遠(yuǎn)距離貨物轉(zhuǎn)移，添加了附加裝置的變型產(chǎn)品還被廣泛應(yīng)用于消防、軍事、非開挖作業(yè)及工程搶險等領(lǐng)域.

圖1 某型號折臂式隨車起重機結(jié)構(gòu)示意圖

如今，隨車起重機逐漸向大型化發(fā)展.因為大型折臂式隨車起重機工作時動態(tài)效應(yīng)明顯，所以起重機的瞬態(tài)響應(yīng)研究在工程界和學(xué)術(shù)界得到越來越多的關(guān)注.近來，一些學(xué)者利用解析方法，建立了起重機的動力學(xué)方程，并對起重機動態(tài)特性進行了分析[2-6].還有些學(xué)者利用虛擬樣機技術(shù)，將各構(gòu)件假設(shè)為剛體，在ADAMS軟件中建立了起重機結(jié)構(gòu)的動力學(xué)分析模型，并進行了動態(tài)分析[7-12].目前，對隨車起重機的動力學(xué)分析大都采用剛?cè)狁詈霞夹g(shù).劉曉峰等[13]采用剛?cè)狁詈系姆椒▽Ρ奂芟到y(tǒng)在帶載變幅、帶載回轉(zhuǎn)以及突然卸載工況進行了仿真分析，得到了臂架系統(tǒng)應(yīng)力及震動情況.李欣業(yè)等[14]采用剛?cè)狁詈戏椒ú⑶铱紤]油缸中活塞桿和缸套之間間隙的柔性和阻尼效應(yīng)，基于靜止和回轉(zhuǎn)兩種工況對其進行突然卸載的瞬態(tài)分析，分別得到了臂頭在變幅平面和回轉(zhuǎn)平面的位移和加速度曲線.王欣等[15]利用ANSYS和ADAMS建立了某大型固定回轉(zhuǎn)起重機副臂系統(tǒng)和主臂系統(tǒng)的動力學(xué)分析模型，首先單獨分析了副臂系統(tǒng)突然卸載時的最大后傾角，并且分析了卸載時間、起升載荷對最大傾角的影響，然后分析了主臂與副臂在突然卸載時的相互影響.本文采用ANSYS軟件建立了某折臂式隨車起重機的全柔性體有限元模型，對其起升和卸載工況進行了瞬態(tài)分析，并研究了工作幅度、起升載荷、起升時間對動態(tài)位移的影響.

1 某隨車起重機結(jié)構(gòu)介紹

某折臂式隨車起重機由活動支腿、基座體、回轉(zhuǎn)支撐、轉(zhuǎn)臺、內(nèi)臂、基本臂、伸縮臂等組成，如圖1所示.最大吊重質(zhì)量為7.5 t，吊臂最大仰角80°.最大起吊高度達(dá)18 m，最大工作幅度達(dá)16 m.

上車通過回轉(zhuǎn)支撐與基座體連接，由液壓油缸驅(qū)動轉(zhuǎn)臺齒輪柱帶動上車轉(zhuǎn)動.內(nèi)臂、基本臂為箱型結(jié)構(gòu)，伸縮臂為六邊形箱型結(jié)構(gòu)，均采用高強度低合金鋼板焊接而成，具有強度高、質(zhì)量輕的特點.轉(zhuǎn)臺和內(nèi)臂以及內(nèi)臂和基本臂分別通過變幅油缸連接實現(xiàn)變幅運動.基本臂內(nèi)套有六節(jié)伸縮臂，通過外置伸縮油缸驅(qū)動，能夠?qū)崿F(xiàn)順序伸縮運動.

圖2 上車有限元模型約束及加載示意圖

2 有限元分析模型

2.1 上車有限元模型建立

選取上車各部件(轉(zhuǎn)臺、內(nèi)臂、伸縮臂)作為整體在ANSYS中進行分析.因上車各部件均由薄鋼板焊接而成，所以上車各部件采用殼單元(shell181)進行模擬，單元尺寸為20 mm.變幅油缸和伸縮油缸都采用桿單元(link180)模擬.銷軸連接處采用截面單元技術(shù)進行模擬.轉(zhuǎn)臺底面施加固定約束，在六伸臂臂頭與吊鉤連接處施加垂直向下起升載荷，忽略側(cè)向載荷.上車有限元分析模型見圖2.

2.2 材料屬性

各部件鋼板為高強度結(jié)構(gòu)鋼，其中臂體為Q690D，轉(zhuǎn)臺為Q550D.滑塊材料為尼龍.材料屬性見表1.

表1 上車各部件材料屬性表

3 瞬態(tài)動力學(xué)分析

瞬態(tài)動力學(xué)的基本運動方程為

圖3 載荷加載示意圖

3.1 加載曲線

上車自重為3.365 t，起升質(zhì)量為1～8 t，起升載荷以集中力的形式施加到懸掛機構(gòu)臂頭.由于折臂吊在起升瞬間及突然卸載瞬間產(chǎn)生的沖擊載荷對結(jié)構(gòu)的受力影響很大，所以有必要對此過程進行瞬態(tài)動力學(xué)分析.載荷起升沖擊時間在10～(10+Δt)s內(nèi)，在15 s時突然卸載，然后保持到20 s.在ANSYS中的加載曲線如圖3所示.

上車自重為G，起升載荷為P，載荷步1是自重的斜坡加載過程；載荷步2是自重保持過程；載荷步3是起升載荷的斜坡加載過程；載荷步4是保持起升載荷的過程；載荷步5是重物突然卸載的階躍加載過程.

3.2 分析工況

選取3個工況(臂體水平，四伸臂、五伸臂、六伸臂全縮，其他臂體全伸；臂體水平，六伸臂全縮，其他臂體全伸；臂體水平全伸)進行分析，工作幅度及各節(jié)伸縮臂伸縮情況見表2.

表2 工況工作幅度及起升載荷列表

3種工況有限元模型如圖4所示.

圖4 3種工況有限元模型圖

4 結(jié)果分析

4.1 工作幅度對動載系數(shù)的影響

在上述3種工況下施加1 t的起升載荷，假設(shè)加載時間Δt=0.5 s，對上車有限元模型進行瞬態(tài)動力學(xué)求解,將瞬態(tài)動力學(xué)分析結(jié)果在時間歷程后處理器中進行處理，得到3種工況下第六節(jié)臂臂頭豎直方向位移隨時間變化曲線，如圖5所示.

3種工況下六伸臂臂頭y向位移隨時間變化趨勢相同.以工況3為例進行說明.由圖5(c)可以看出，在0～5 s內(nèi)由于自重的影響使得伸縮臂最臂頭有一個自然下降的位移，大約300 mm.在5～10 s內(nèi)只在重力作用下位移基本保持不變.在10～10.5 s突然加載，伸縮臂y向位移驟然加大.在10.5～15 s內(nèi)，靜態(tài)分析中10.5 s時位移達(dá)到最大，之后保持不變，而瞬態(tài)分析時，10.5 s后位移繼續(xù)增大，最大位移為1 224 mm，之后位移以靜態(tài)分析位移為基準(zhǔn)上下震動.在15 s時突然卸載，靜態(tài)分析中位移回到自重狀態(tài)，而在瞬態(tài)分析中臂頭位移處于上下震動的不穩(wěn)定狀態(tài).

圖5 3種工況臂端位移變化圖

根據(jù)圖5中臂頭動態(tài)位移和靜態(tài)位移，可以計算出3種工況下相應(yīng)的動載系數(shù)，見表3.由表3可以看出，當(dāng)起升載荷和起升時間為常數(shù)時，工況1動載系數(shù)最小，工況3最大，即工作幅度越大動載系數(shù)亦越大.

表3 3種工況下相應(yīng)動載系數(shù)

4.2 起升載荷對動載系數(shù)的影響

在工況3下，分別施加1.0、1.2、1.5 t的起升載荷，假設(shè)起升時間Δt=0.5 s，對上車有限元模型進行瞬態(tài)和靜態(tài)求解，得到第六節(jié)臂臂頭豎直方向動態(tài)位移值、靜態(tài)位移值和動載系數(shù)，見表4.

表4 工況3不同起升載荷相應(yīng)動載系數(shù)

由表4可以看出，當(dāng)工作幅度和起升時間不變時，隨起升載荷增加，動載系數(shù)增加.起升載荷由1.0 t增加到1.5 t時起升載荷增加了50%，動載系數(shù)增加到37%.

4.3 起升時間對動載系數(shù)的影響

圖6 不同起升時間臂端位移變化圖

在工況3下，施加1.5 t的起升載荷，假設(shè)起升時間Δt分別為0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 s，對上車有限元模型進行瞬態(tài)和靜態(tài)求解，得到第六節(jié)臂臂頭豎直方向動態(tài)位移值和靜態(tài)位移值，如圖6所示.

由圖6可以看出，當(dāng)工作幅度和起升載荷為常數(shù)時，隨起升時間增加，動態(tài)位移快速減小.當(dāng)起升時間達(dá)到0.9 s后動態(tài)位移幾乎等于靜態(tài)位移，即此時動態(tài)效應(yīng)非常微弱.

5 結(jié)論

本文建立了某型號折臂式隨車起重機上車有限元分析模型，對其起升和突然卸載后的瞬態(tài)響應(yīng)進行了仿真分析，得到了臂頭的振動位移曲線.分析了工作幅度、起升載荷和起升時間對起重機動態(tài)位移的影響，得到如下結(jié)論.

1)當(dāng)起升載荷和起升時間為常數(shù)時，工作幅度越大動載系數(shù)亦越大，即動態(tài)效應(yīng)越明顯.

2) 當(dāng)工作幅度和起升時間不變時，隨起升載荷增加動載系數(shù)亦增加.

3)當(dāng)工作幅度和起升載荷不變時，動態(tài)效應(yīng)對起升時間非常敏感，在一定時間內(nèi)增加起升時間，動載系數(shù)快速下降，當(dāng)起升時間超過某一數(shù)值時，動態(tài)位移與靜態(tài)位移相當(dāng).