隨車起重機立柱結構的設計與分析

□ 閻慧杰 □ 車 璐 □ 李俊峰 □ 李坦汀 □ 邵 騰

山西航天清華裝備有限責任公司 山西長治 046000

1 設計背景

折臂式隨車起重機是一種新型起重運輸機械,集運輸與起重于一體,屬于多功能產(chǎn)品,具有高效、快捷、靈活,以及維修維護方便等諸多優(yōu)點,已廣泛應用于搶救搶修、車站吊裝等多個領域[1]。應某競爭性采購項目需求,筆者承擔設計額定起重質量不小于1 500 kg的某型號折臂式隨車起重機的任務。對標隨車起重機技術要求,依托以往多種型號隨車起重機設計經(jīng)驗,對這一項目的折臂式隨車起重機進行設計。

2 隨車起重機結構

所設計的折臂式隨車起重機主要機械機構包括底座、支腿油缸、回轉機構、立柱、動臂油缸、動臂、吊臂、吊臂油缸、吊鉤等,如圖1所示。立柱是折臂式隨車起重機的重要組成部件,立柱上部與動臂鉸接,立柱下部與底座總成連接,立柱同時與動臂油缸進行鉸接。立柱是折臂式隨車起重機中連接底座與動臂的關鍵部件,筆者通過NX三維軟件完成折臂式隨車起重機立柱結構的三維立體建模,應用有限元仿真分析軟件對立柱結構進行有限元分析,并對折臂式隨車起重機最大起重質量工況進行計算和強度校核,獲得最大起重質量工況下立柱結構的應力云圖與變形云圖,以此驗證立柱結構的設計是否滿足設計和性能要求[2]。

圖1 折臂式隨車起重機機械結構

3 技術要求

折臂式隨車起重機的技術要求如下:

(1) 額定起重質量不小于1 500 kg;

(2) 在額定起重質量工況下,工作幅度不小于2 500 mm;

(3) 回轉角度為360°;

(4) 結構合理可靠,具有良好的防鹽霧、防濕熱性能;

(5) 立柱結構自身質量不大于110 kg。

4 立柱結構設計

4.1 立柱結構組成

立柱是折臂式隨車起重機中連接底座實現(xiàn)回轉,且連接動臂實現(xiàn)翻轉的關鍵部件。立柱結構組成如圖2所示,主要包括槽型板、加強板、貼板、齒輪軸、連接板、筋板、鉸接軸等部件。立柱結構中,各部件通過焊接方式形成箱型結構體。為了保證立柱結構強度,在槽型板內部兩側焊接加強板和貼板,在槽型板背面底部焊接筋板。采用槽型板,可以有效減小焊接量,實現(xiàn)結構簡化。立柱結構中,齒輪軸與上端連接板通過焊接固定,再與立柱主體焊接成型。

圖2 立柱結構組成

4.2 立柱結構工作原理

立柱結構中,齒輪軸與回轉機構活塞桿齒條嚙合,實現(xiàn)折臂式隨車起重機的360°回轉功能。齒輪軸上安裝軸套,采用油杯注油方式定期潤滑維護,減少磨損。鉸接軸與動臂鉸接,實現(xiàn)動臂的自由翻轉。立柱主體側面底部開孔,與動臂油缸通過鉸接軸鉸接,支撐動臂油缸實現(xiàn)變幅動作,驅動動臂翻轉。

5 極限工況分析

為滿足額定起重質量不小于1 500 kg、額定工作幅度不小于2 500 mm的技術要求,綜合考慮系統(tǒng)壓力、起升力矩等因素,將設計指標設定為工作幅度2 600 mm、起吊質量1 600 kg,對折臂式隨車起重機進行操作。最大起重質量工況如圖3所示。當立柱主體與動臂水平夾角為69°,動臂與吊臂夾角為131°時,處于折臂式隨車起重機最大起重質量工況,工作幅度達到2 600 mm,起重質量為1 600 kg。在此工況下,立柱結構受力達到最大,折臂式隨車起重機的最大起重力矩約為42 kN·m。

圖3 最大起重質量工況

6 立柱結構受力分析

綜合考慮鋼板的力學性能與加工特性,為滿足起吊技術要求,立柱主體采用屈服強度為960 MPa的高強度鋼板,厚度為4 mm。其余部件厚度不一,其中齒輪軸采用調質后的高強度合金鋼。此類鋼材強度高,耐磨性、焊接性、耐候性良好,具有較高的平整度與尺寸精度,表面質量良好,可以滿足折臂式隨車起重機的性能要求。所選鋼材力學性能參數(shù)見表1。

表1 鋼材力學性能參數(shù)

根據(jù)表1數(shù)據(jù)可得,高強度鋼板的屈強比約為0.98,高強度合金鋼的屈強比約為0.85,兩者均大于0.7,均為高強度鋼。根據(jù)GB/T 3811—2008《起重機設計規(guī)范》載荷組合A進行計算,取安全因數(shù)n為1.48[3]。

鋼材的基本許用應力[σ]為:

[σ]=(0.5σs+0.35σb)/n

(1)

通過式(1)計算,可得高強度鋼板的基本許用應力為556 MPa,高強度合金鋼的基本許用應力為514 MPa。

為滿足立柱結構設計要求,結合材料性能,立柱結構整體剛度變形量應不大于3.5 mm。

采用NX軟件對折臂式隨車起重機各部件進行建模,并賦予相應的材料屬性,獲得各部件的質量,以及力矩平衡求解時所需的幾何尺寸?；谌S模型,可以得到立柱結構質量約為60 kg,滿足技術指標要求。

在最大起重質量工況下,立柱與動臂鉸接處及與動臂油缸鉸接處是主要承載靜載荷的部位。立柱受力分析如圖4所示。以動臂與立柱的鉸接點為原點,建立XOY坐標系。記立柱與動臂鉸接處受力為F1,與Y軸夾角為80°,立柱與動臂油缸鉸接處受力為F2,立柱齒輪軸上下復合襯套受力為F3、F4?；谑芰土仄胶?計算可得F1為2.1×105N,F2為2.1×105N,F3與F4大小相等,為1.35×105N。

圖4 立柱受力分析

7 有限元分析

有限元分析的基本思想是將復雜問題簡單化,然后進行求解,可以歸納為“化整為零,積零為整”。有限元分析已廣泛應用于各種工程設計領域,筆者應用有限元分析方法對折臂式隨車起重機立柱結構進行靜力學分析。對立柱結構進行有限元分析的基本流程包括三維模型建立、模型簡化、網(wǎng)格劃分、求解等,如圖5所示。

圖5 立柱結構有限元分析流程

7.1 創(chuàng)建模型

采用NX三維軟件建立折臂式隨車起重機立柱結構三維立體模型,保存為.stp格式文件,導入有限元分析軟件[4]。進行有限元分析時,一般使模型理想化。為了提高分析精度,在原有完整的三維模型基礎上進行簡化,簡化原則如下:① 認定立柱結構所用材料為均質線性彈性材料;② 將對分析影響不大的工藝孔、細小孔、安裝孔等開孔刪除;③ 不考慮焊縫形式及焊接應力對分析的影響;④ 保留主要承載受力部件,刪除對分析影響不大的細小部件。將模型導入有限元分析軟件后,定義模型材料。通過材料數(shù)據(jù)庫對立柱各部件設定所用鋼材力學屬性后,對立柱三維模型整體進行網(wǎng)格劃分。采用六面體對模型進行劃分網(wǎng)格,網(wǎng)格大小設為10 mm,局部應力集中處采用2倍網(wǎng)格細化。網(wǎng)格劃分后模型節(jié)點數(shù)為101 775,單元數(shù)為50 873。立柱結構網(wǎng)格劃分模型如圖6所示。

圖6 立柱結構網(wǎng)格劃分模型

7.2 施加邊界條件

在立柱齒輪軸上施加固定約束,從而限制X軸、Y軸、Z軸方向的移動。根據(jù)對立柱結構的受力分析,在有限元模型中對應位置施加靜態(tài)載荷。立柱結構的重力以重力加速度的形式施加。

7.3 分析結果

進行仿真求解計算,得到立柱結構等效應力云圖和總變形云圖,分別如圖7、圖8所示。從圖7中可以看出,立柱槽型板拐點處應力最大,應力最大值約為485 MPa,立柱齒輪軸最大應力約為151 MPa,均小于各自鋼材的基本許用應力。從圖8中可以看出,立柱結構最大變形約為1.8 mm?？梢?立柱結構滿足折臂式隨車起重機強度和剛度要求[5-11]。

圖7 立柱結構等效應力云圖

圖8 立柱結構總變形云圖

8 結束語

筆者采用NX三維軟件創(chuàng)建折臂式隨車起重機立柱結構三維立體模型,模擬起吊1 600 kg物體,在極限工況下進行靜載荷受力分析。

仿真分析結果表明,立柱結構最大應力小于所選鋼材的基本許用應力,立柱結構穩(wěn)定可靠,強度滿足折臂式隨車起重機設計要求。立柱結構總體最大變形約為1.8 mm,剛度滿足設計要求。

應用仿真軟件進行有限元分析,可以有效提高折臂式隨車起重機的設計效率。通過有限元分析方法對立柱結構進行分析,同時為起重機產(chǎn)品其它結構的進一步優(yōu)化提供了參考。