許慶杰，賈 堃，王 娜

（1.中國重汽集團(tuán)泰安五岳專用汽車有限公司，山東泰安 271000；2.泰安市岱岳區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械管理局，山東泰安 271000）

Excel軟件在起重機(jī)副臂設(shè)計(jì)中的應(yīng)用?

許慶杰1，賈 堃1，王 娜2

（1.中國重汽集團(tuán)泰安五岳專用汽車有限公司，山東泰安 271000；2.泰安市岱岳區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械管理局，山東泰安 271000）

汽車起重機(jī)的副臂長細(xì)比較大，而且在復(fù)雜工況中常伴隨二次屈曲、大變形和大位移等情況。針對這些狀況，提出用Excel軟件進(jìn)行計(jì)算的方法，通過對虛擬樣機(jī)的計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行有限元分析驗(yàn)證了這種新方法的可行性。

Excel軟件；有限元；副臂；長細(xì)比；大變形

1 引 言

汽車起重機(jī)的主臂因受其自身伸縮機(jī)構(gòu)布置困難、自重大等因素的影響，以及轉(zhuǎn)場過程中，對汽車行駛靈活性的客觀要求，其主臂長度受到很大限制，一般情況下主臂節(jié)數(shù)限制在5節(jié)內(nèi)，主臂最大起升高度限制在50 m以下。為適應(yīng)工程實(shí)際中對起重機(jī)大幅度、高起升高度的要求，常采用在起重機(jī)主臂上增設(shè)副臂來解決。副臂作為主臂的補(bǔ)充和發(fā)展，有效地提高了起重機(jī)的工作幅度和起升高度。在作業(yè)工況中處于不可缺少的地位。

筆者采用Excel電子表格計(jì)算法，對一個(gè)新設(shè)計(jì)的副臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，并結(jié)合有限元對虛擬樣機(jī)的計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗(yàn)證了這種新方法的可行性。

2 計(jì) 算

2.1 汽車起重機(jī)副臂計(jì)算

按基本載荷的載荷組合Ⅰ計(jì)算［1］：以主臂仰角θ1＝70°、副臂補(bǔ)償角θ2＝15°、起重量Q＝2.1 t時(shí)，即當(dāng)副臂與水平地面夾角55°時(shí)作為解析計(jì)算與有限元計(jì)算的工況。計(jì)算用到參數(shù)如下：

彈性模量：E＝2.10E＋05 N／mm2，安全系數(shù)：n＝1.50，圓周率：π＝3.14，重力加速度：g＝9.80 m／s2。

主弦桿材料：σs＝ 345.00 MPa，許用應(yīng)力：[σ]＝σs／n＝230 MPa，弦桿外徑：D1＝51mm。

單個(gè)弦桿面積：A1＝π()／4＝590.62 mm2，弦桿內(nèi)徑：d1＝43mm，偏載角度：θ3＝6°。

起升載荷系數(shù)：ψ1＝1.10，腹桿外徑：D2＝28mm，腹桿內(nèi)徑：d2＝24mm，自重載荷系數(shù)：ψ2＝1.10。

單腹桿面積：A2＝π（）／4＝163.36 mm2，鋼絲繩與副臂中心線夾角β＝2.90o，A－A面離臂端滑輪距離：L＝7 438 mm，副臂自重m＝0.48 t，副臂長度系數(shù)：μ1＝2.00，B－B面Y向間距：L2y＝220 mm（B面為副臂前端滑輪處），B－B面X向間距：L2x＝220 mm，副臂長度系數(shù)：μ3＝0.50。

2.1.1 副臂強(qiáng)度校核

按基本載荷的載荷組合Ⅰ對副臂危險(xiǎn)面A－A強(qiáng)度進(jìn)行校核，采用Excel電子表格計(jì)算，如表1所列。

2.1.2 剛度校核

按基本載荷的載荷組合Ⅰ對副臂剛度進(jìn)行計(jì)算，采用Excel電子表格計(jì)算，如表2所列。

2.1.3 副臂歐拉臨界力計(jì)算

按基本載荷的載荷組合Ⅰ對副臂歐拉臨界力進(jìn)行計(jì)算，采用Excel電子表格計(jì)算，如表3所列。

表1 強(qiáng)度校核

表2 剛度校核

表3 歐拉臨界力

續(xù)表3 歐拉臨界力

2.1.4 穩(wěn)定性校核

按基本載荷的載荷組合Ⅰ對副臂穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，采用Excel電子表格計(jì)算，見表4。

表4 穩(wěn)定性計(jì)算

副臂在不同工況下利用上述表格計(jì)算危險(xiǎn)截面A－A或主要部位強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等計(jì)算結(jié)果的匯總，如表5所列。

表5 匯總表

3 有限元計(jì)算

3.1 副臂有限元模型

副臂是由空間方向不同的管材與板件焊接組成的整體。在建立有限元模型時(shí)，單元?jiǎng)澐衷瓌t為：管材以梁單元beam188劃分；板件以板單元shell63劃分。建立其有限元模型所遵循的原則如下：①各板件厚度方向的位置以板厚中分面位置來確定；②對于為焊接工藝設(shè)置的板的邊緣建模時(shí)不予考慮。

副臂的三維模型如圖1、2，模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)為3 686，單元數(shù)為3 692。

圖1 總體應(yīng)力分布圖

圖2 局部放大圖

3.2 約束條件

根據(jù)實(shí)際情況，在鉸耳處進(jìn)行全約束。

3.3 計(jì)算結(jié)果

在計(jì)算的工況下，最大應(yīng)力位于副臂根部未被加強(qiáng)部位的弦桿，大小為196.69 MPa，小于許用應(yīng)力值。副臂的最大位移量為37.767 mm。

3.4 副臂在不同工況下有限元計(jì)算結(jié)果匯總

副臂在不同工況下有限元計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所列。

表6 匯總表

4 結(jié) 語

通過電子表格計(jì)算與有限元計(jì)算結(jié)果比較得出：在同種工況下，兩種計(jì)算結(jié)果比較吻合，所以副臂在所列工況下滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等要求。并且電子表格計(jì)算比較靈活、方便，不需要建三維模型就能夠確定副臂總體方案。

［1］ 顧迪民.工程起重機(jī)［M］.北京：中國建筑工工業(yè)出版社，1988.

［2］ 王金諾.起重機(jī)運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)［M］.北京：中國鐵道出版社，2002.

［3］ 張質(zhì)文.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：中國工業(yè)出版社，2001.

［4］ GB3811－2008.起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

Application of Excel Software in Crane Jib Design

XU Qing－jie1，JIA Kun1，WANG Na2

（1.China Heavy Truck Group Tai′an Wuyue Special Automobile Co.，Ltd，Tai′an Shandong 271000，China；2.Tai′an Daiyue District Bureau of agricultural machinery，Tai′an Shandong 271000，China）

Crane jib has a large slenderness ratio，but also in complex condition which is often accompanied by the two buck?ling，large deformation and large displacement and so on.In view of these conditions，a calculation method is put forward by Excel software，and the feasibility of this method is verified by finite element analysis based on the calculation data of virtual prototype.

Excel software；finite element analysis；crane jib；slenderness ratio；large deformation

TH123

A

1007－4414（2013）04－0089－04

2013－06－20

許慶杰（1980－），男，山東荷澤人，工程師，主要從事汽車起重機(jī)上裝設(shè)計(jì)方面的工作。