汽車吊具開臂動態(tài)分析與靜強度校核

□ 蔣 萍 □ 戴衛(wèi)剛 □ 李鋒寶 □ 張華兵 □ 劉娜娜 □ 沈 鋒

天奇自動化工程股份有限公司 江蘇無錫 214000

1 分析背景

在汽車生產(chǎn)車間中,為了合理利用廠房空間,除地面輸送線外,空中車身運輸也是不可缺少的一部分。汽車吊具是空中車身運輸?shù)囊环N重要工具。國內(nèi)對汽車吊具的研究目前主要集中在橋吊、箱吊等簡易吊具方面[1-5],對結(jié)構(gòu)相對復雜的汽車吊具的研究設(shè)計則較少[6-8]。汽車前車身質(zhì)量所占比例大,若選用鐵鏈式汽車吊具,會產(chǎn)生劇烈擺動,甚至有可能傾斜滑脫,因此宜選用支撐銷式固定吊臂等剛性連接形式。車身運輸線通常有多臺汽車吊具,以一定節(jié)拍運行,在投產(chǎn)前需校核汽車吊具的強度、變形,防止運行過程中設(shè)備突然發(fā)生故障,在降低維修成本的同時,提高汽車產(chǎn)量。筆者結(jié)合數(shù)學模型和ADAMS軟件分析汽車吊具打開過程中出現(xiàn)抖動的原因,以及減小軌道壓力的因素。通過ANSYS軟件分析三組汽車吊具的應(yīng)力和變形,經(jīng)過比較得到每組汽車吊具的適用場合,為整條運輸線合理安排汽車吊具提供理論依據(jù)。

2 汽車吊具概述

汽車吊具通過在軌道上摩擦前進,將車身部件運輸至指定裝配工位,作業(yè)人員仍然在地面或者鋼平臺上操作,使空間利用率大大提高。

汽車吊具結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要包括車組、軸承座、框架、接油盤、吊臂等。汽車吊具按載體不同分為多種形式,包括門形、L形、可調(diào)節(jié)形式等。門形汽車吊具有四個吊臂,四個吊臂基本呈對稱分布,穩(wěn)定性較好。L形汽車吊具只有兩個吊臂,一般適用于空間要求高的情況,如底盤運輸線,承載較大,通常會有兩個斜撐進行加強。軸承座分為立式和轉(zhuǎn)盤兩種,在加工精度較低的情況下,為保證吊臂轉(zhuǎn)動時不卡死,可以選用轉(zhuǎn)盤軸承座,具有回轉(zhuǎn)靈敏的特點。接油盤主要用于防止鏈條潤滑油滴落至下方的車身及行人,可保持車間整潔。

▲圖1 汽車吊具結(jié)構(gòu)

3 受力分析

當車身被下方的轉(zhuǎn)接設(shè)備托住后,汽車吊具打開兩側(cè)吊臂,與車身及轉(zhuǎn)接設(shè)備一同前行。通常汽車吊具相對于軌道呈對稱分布,吊臂打開時也是如此。吊臂打開過程中受力如圖2所示。圖2中,L為軌道對車組的支撐力,G為車身和汽車吊具重力之和,F1、F2分別為使左右兩吊臂打開的作用力,F1i、F2i、F1j、F2j為框架四周各軸承座受力,l1、l2分別為重力方向與框架中心、短邊間的距離,l為框架長度,h為車組與質(zhì)心間的距離,h1、h2分別為吊臂受力點與軸承座、質(zhì)心間的距離,θ為打開裝置對吊臂的作用力方向與水平方向的夾角,θ在-90°～90°之間。

▲圖2 吊臂打開時受力

由圖2可得框架豎直方向上力的平衡關(guān)系為:

sinθ(F1+F2-F1i-F1j-F2i-F2j)=G-L

(1)

同理可得水平方向上力的平衡關(guān)系為:

cosθ(F1i+F1j+F2)=cosθ(F1+F2i+F2j)

(2)

化簡得:

F1i+F1j+F2=F1+F2i+F2j

(3)

豎直方向除了力平衡,還有力矩平衡,為:

sinθ(F1i+F2i)l/2+(G-L)l1

=sinθ(F1j+F2j)l/2

(4)

同理可得水平方向上力矩平衡為:

cosθ(F1i-F2i)l2

=cosθ(F1j-F2j)(l-l2)-cosθ(F1-F2)l1

(5)

化簡得:

(F1i-F2i)l2+(F1-F2)l1

=(F1j-F2j)(l-l2)

(6)

l1+l2=l/2

(7)

根據(jù)高度方向力的平衡關(guān)系,有:

cosθ(F1-F2)h2

=cosθ(F1i+F1j-F2i-F2j)(h1+h2)

(8)

化簡得:

(F1-F2)h2

=(F1i+F1j-F2i-F2j)(h1+h2)

(9)

由式(3)和式(9)可以看出,當h1為0時,吊臂打開過程的動平衡較好。吊臂打開裝置有圓形、凸輪兩種形式,如圖3所示。圓形打開裝置的吊臂桿呈水平狀態(tài),為保證h1為0,打開裝置容易產(chǎn)生死點,出現(xiàn)電機光打轉(zhuǎn),吊臂無法打開的情形。凸輪打開裝置克服了上述缺點,隨著電機啟動,吊臂順利打開。

▲圖3 吊臂打開裝置

使用ADAMS虛擬樣機仿真軟件獲得的吊臂轉(zhuǎn)動過程中四個軸承座各向受力情況如圖4～圖6所示[9]。X向為兩臂相對方向,呈對稱分布,受力較小。Y向為吊臂打開時軸承座阻止前后竄動受到的力的方向,峰值較大,因而汽車吊具設(shè)計時應(yīng)盡量使質(zhì)心靠近中間位置。Z向為重力方向,空載時受力較小。各向力隨著轉(zhuǎn)角的變化呈二次曲線分布,波峰和波谷交替出現(xiàn),并不同步。汽車吊具軸承座的型號為UCP210,基本額定動載荷為23.2 kN,軸承座各向受力最大值小于6 500 N,滿足承載要求。

▲圖4 軸承座X向受力

4 有限元靜態(tài)分析

為了保證汽車吊具的順利運行,通常要校核其強度[10]。對于復雜的部件,無法像計算傳統(tǒng)簡支梁一樣計算承載。而隨著計算機軟件技術(shù)的成熟,有限元分析方法逐漸推廣[11]。

▲圖5 軸承座Y向受力

▲圖6 軸承座Z向受力

筆者對三種常用的汽車吊具進行有限元分析。對零部件的材質(zhì)添加屬性,軸承座選用GCr15鋼,吊臂選用Q345B鋼,支撐銷選用45號鋼,支撐上方的墊塊材質(zhì)為聚氨酯,其余零部件材質(zhì)為Q235A鋼。進行網(wǎng)格劃分,吊臂和框架較長,網(wǎng)格劃分略粗即可?？蚣芘c車組相連的零件設(shè)為固定約束,添加重力,并在兩個前支撐處加載車身重力的2/3,約8 000 N,在后支撐加載4 000 N。分別對門形、L形汽車吊具進行分析,得到應(yīng)力、變形結(jié)果,如圖7～圖9所示。門形汽車吊具受載后,最大等效應(yīng)力為198.33 MPa,最大變形為8.861 7 mm。當L形汽車吊具的前支撐位于吊臂正下方時,正L形汽車吊具受載后最大等效應(yīng)力為239.11 MPa,最大變形為20.621 mm。當L形汽車吊具的后支撐位于吊臂正下方時,反L形汽車吊具受載后最大等效應(yīng)力為340.84 MPa,最大變形為39.815 mm,數(shù)值均比正L形汽車吊具大。因而吊具相同,不同的安裝形式,吊具的使用工況大不相同。

▲圖7 門形汽車吊具分析結(jié)果

三組汽車吊具的最大等效應(yīng)力和變形均位于前支撐,應(yīng)力主要集中在吊臂處,變形在支撐銷處最大。從分析結(jié)果看,門形汽車吊具的應(yīng)力和變形最小,說明強度和穩(wěn)定性均較高,在同等條件下,可優(yōu)先使用門形汽車吊具。對于底盤輸送線,盡量使用正L形汽車吊具。

▲圖8 正L形汽車吊具分析結(jié)果

▲圖9 反L形汽車吊具分析結(jié)果

5 結(jié)束語

筆者建立了汽車吊具打開過程數(shù)學模型,尋求減小動平衡及軌道作用力的途徑,并應(yīng)用ADAMS軟件分析了吊臂打開時軸承座的各向受力。雖然四個軸承座受力不均,但是滿足承載要求。另外,通過有限元方法分析了三組汽車吊具的應(yīng)力、變形。其中,門形吊具由于對稱性好,應(yīng)力和變形都最小,沒有特殊要求的情況下可優(yōu)先使用。對于底盤輸送線,盡量選用正L形汽車吊具。對于車頭需要寬松空間的緊湊場合,可以選用反L形汽車吊具。