起重機(jī)伸縮臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及有限元分析

鄧 敏， 許 維， 溫紀(jì)云

（深圳市威富通訊技術(shù)有限公司， 廣東 深圳 410000）

引言

隨著城市化的突飛猛進(jìn)發(fā)展，促進(jìn)我國國內(nèi)城鎮(zhèn)的面貌發(fā)生了煥然一新的變化。經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展必然帶動(dòng)其他方方面面的進(jìn)步，尤其是在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面，國家不斷加大投資力度，建筑的規(guī)模越來越大，這同時(shí)就對起重安裝工程提出了更高的要求，須保證在實(shí)際操作過程中，滿足強(qiáng)度和剛度要求[1]。大噸位的起重機(jī)得益于近幾年的經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，各種大型工程項(xiàng)目的增多，對大噸位起重機(jī)的需求也越來越迫切，這就導(dǎo)致了大噸位起重機(jī)的各種設(shè)計(jì)和原材料不斷增多。同時(shí)在實(shí)際使用過程中，有些大型項(xiàng)目所處的環(huán)境地理位置及氣候條件，也對起重機(jī)的結(jié)構(gòu)及材料提出了一些較苛刻的要求[2]。為了保證起重機(jī)全路徑和全氣候的適應(yīng)性，需要對起重機(jī)的關(guān)鍵部件伸縮臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將起重機(jī)朝著微小型方向設(shè)計(jì)，尤其是對伸縮臂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在不降低強(qiáng)度和剛度的情況下，降低其重量，保證起重機(jī)能夠得到高效、安全的工作。

1 伸縮臂概述

根據(jù)目前現(xiàn)有的起重機(jī)來看，按照其變幅方式的不同，起重臂以固定式和伸縮式為主。按照吊臂的截面形狀又可以將其分成箱式結(jié)構(gòu)和桁架式結(jié)構(gòu)，大多數(shù)情況下的起重機(jī)采用的是箱式結(jié)構(gòu)[3]，箱式結(jié)構(gòu)在實(shí)際使用的過程中能夠承受吊升過程中的物體給予臂架的壓力和彎矩，同時(shí)伸縮臂各處的約束點(diǎn)及穩(wěn)定性能夠更好的解決，因此本文以箱式伸縮臂為研究對象，對其進(jìn)行分析研究。箱式伸縮臂一般情況下的臂節(jié)數(shù)設(shè)計(jì)以3～5 節(jié)為最優(yōu)狀態(tài)，在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮其鉸點(diǎn)的位置，其直接影響著伸縮臂的強(qiáng)度和剛度等重要參數(shù)。伸縮臂通常是由伸縮油缸、變幅油缸、伸縮臂及滑塊等組成[4]。相互嵌套的相鄰臂節(jié)之間安裝有支撐滾子和滑塊，通過內(nèi)部的伸縮油缸及變幅油缸實(shí)現(xiàn)伸縮臂的伸縮功能。

2 伸縮臂結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

由于伸縮臂的結(jié)構(gòu)特殊性，在對伸縮臂進(jìn)行靜力學(xué)分析時(shí)只需要在額定重量的范圍內(nèi)，對其最長狀態(tài)或者最小幅度狀態(tài)進(jìn)行分析研究[5]。通過利用ANSYS Workbench 進(jìn)行靜力學(xué)分析。本次靜力學(xué)分析模型采用的是自由網(wǎng)格劃分法，網(wǎng)格的尺寸為180 mm，總共有79 578 個(gè)節(jié)點(diǎn)和40 476 個(gè)節(jié)點(diǎn)。在設(shè)置載荷前需要設(shè)定材料的參數(shù)，材料的參數(shù)設(shè)置如表1 所示，通過對其進(jìn)行載荷分布設(shè)置，其載荷分布如圖1 所示。通過對簡化的基本臂進(jìn)行有限元分析，得到其變形圖和應(yīng)力圖如下頁圖2 所示。

圖2 靜力學(xué)分析云圖

表1 起重機(jī)伸縮臂材料屬性

圖1 伸縮臂的網(wǎng)格劃分圖和加載情況圖

3 伸縮臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化及有限元分析

起重機(jī)的伸縮臂一般情況下主臂的質(zhì)量占全部機(jī)器質(zhì)量的18%～32%，吊臂的重量直接影響著整個(gè)起重機(jī)的工作性能，這就需要設(shè)計(jì)一種最佳的吊臂截面尺寸。對吊臂進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減輕吊臂的重量，達(dá)到優(yōu)化起重機(jī)性能的作用。本文主要的研究對象是伸縮臂的U 形截面尺寸，U 形截面在實(shí)際應(yīng)用過程中是由上蓋板和下蓋板組成的，上蓋板的寬、厚、高分別為400 mm、6 mm 和 210 mm，圓角半徑是 50 mm，下蓋板的厚度是8 mm，半徑為201 mm。利用Workbench 對截面尺寸進(jìn)行優(yōu)化，通過基本臂的下斷面進(jìn)行固定，在上斷面施加垂直載荷104N。在參數(shù)的范圍設(shè)置時(shí)，上蓋板的厚度優(yōu)化范圍設(shè)置為5.3～6.6 mm，下蓋板的為7.1～8.8 mm，上蓋板高度的范圍設(shè)置為180～240 mm。通過對其進(jìn)行優(yōu)化分析得到最優(yōu)的的結(jié)果為上蓋板厚度為6 mm，下蓋板厚度為7.2 mm，上蓋板高度為182.06 mm?？偰Ｐ偷馁|(zhì)量為922.27 kg，模型的變形量為8.822 mm，最大的應(yīng)力值為16.658 MPa，得到了如圖3 所示的云圖。

圖3 優(yōu)化后模型的應(yīng)力云圖和位移云圖

通過對優(yōu)化前和優(yōu)化后的云圖分析能夠得到，優(yōu)化后的平均應(yīng)力比優(yōu)化前減少了約59%，總變形量減少了17%，質(zhì)量方面減少了大約8.87%。

4 結(jié)語

起重機(jī)伸縮臂作為起重機(jī)最重要的零部件，闡述了其結(jié)構(gòu)和工作原理。通過實(shí)際參數(shù)情況下的伸縮臂進(jìn)行靜力學(xué)分析得到起重機(jī)伸縮臂伸長至最長狀態(tài)時(shí)的應(yīng)力云圖和位移云圖，然后利用Workbench 對截面尺寸進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)定伸縮臂截面尺寸為設(shè)計(jì)變量，優(yōu)化得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析對比，得到的數(shù)據(jù)明顯優(yōu)于未優(yōu)化的數(shù)據(jù)。優(yōu)化后的伸縮臂基本臂的重量比優(yōu)化前有著很大的減少，在位移云圖上能夠明顯觀察到其變形量要小于未優(yōu)化前的變形量，并且以優(yōu)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，截面尺寸和結(jié)構(gòu)更加符合設(shè)計(jì)理念，節(jié)省原材料，提升了整個(gè)起重機(jī)的性能。