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        輪式起重機幾種典型形狀伸縮式吊臂的有限元分析與研究

        2014-12-19 01:45:34盧世坤
        制造業(yè)自動化 2014年9期
        關(guān)鍵詞:吊臂梯形起重機

        盧世坤,王 明

        LU Shi-kun, WANG Ming

        (萊蕪職業(yè)技術(shù)學(xué)院,萊蕪 271100)

        0 引言

        吊臂是起重機的主要工作部件,因為通過它把重物提到一定的高度,所以,吊臂的的受力時安全工作是起重機設(shè)計的必要條件,這就要求起重機的吊臂強度和剛度必須足夠。用有限元法進(jìn)行吊臂結(jié)構(gòu)強度和剛度分析優(yōu)點很多:一方面是準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)和可靠;另一方面是還可以得出工作部件在不同工況和界面形式下的應(yīng)力分布,為設(shè)計方案的選擇和改進(jìn)提供了有力的依據(jù)。

        1 伸縮臂結(jié)構(gòu)

        伸縮式起重機吊臂大多用鋼板焊接而成,現(xiàn)伸縮臂大多制成箱型,主要有方形、矩形、圓角矩形、八邊形、六邊形、倒置梯形、梯形、六邊形、橢圓形和三邊加半圓組成的截面形狀等;具體如圖1所示。

        圖1 起重機吊臂截面形狀示意圖

        以上幾種伸縮臂的截面在不考慮制作工藝的情況下,究竟哪種可以承受較大的彎矩及強度?哪種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更好?下面對之進(jìn)行有限元分析研究。

        2 受力模型

        考慮到設(shè)計起重機時,要求對起重的設(shè)計盡量輕量化,又為方便分析,需要對實際組成各吊臂截面的腹板進(jìn)行了簡化。所以,在分析以上各種不同截面形狀的吊臂受力狀況時,吊臂的的設(shè)計滿足以下條件:

        1)組成以上各種吊臂截面形狀的各腹板厚度相同;

        2)以上各截面吊臂長度相同和質(zhì)量大致相同;

        3)除正方形截面吊臂以外,其他各吊臂截面的設(shè)計寬度與高度之比大致相等,即有:

        圖2 各吊臂截面尺寸示意圖

        其中:t 為各吊臂截面的寬度與高度之比。

        各截面吊臂的長度都為10m;

        受力分析時,加載的重物的重量相等,吊臂的傾斜角相同。

        圖3 各截面形狀吊臂受力示意圖

        3 受力分析計算

        如圖4所示,若各截面吊臂吊重為PQ的重物,那么,在垂直方向的吊臂所承受的力為:PQ+吊具重量;忽略滑輪的摩擦力,則:

        式中:S1為起升繩拉力;

        S為S1與PQ+吊具重量的合力。

        這里吊臂吊重量為1t,即:

        因S1=PQ+吊具重量的夾角為60°,根據(jù)平行四邊形法則:

        圖4 各截面形狀吊臂受力分析圖

        4 有限元分析

        4.1 建立模型

        Pro/ENGINEER是廣泛應(yīng)用的三維建模軟件,采用Pro/ENGINEER對吊臂進(jìn)行實體建模,然后再用Pro/ENGINEER自帶的有限元分析模塊Pro/MECHANICA進(jìn)行有限元分析,既方便快捷又不失準(zhǔn)確性。

        4.2 材料屬性定義、網(wǎng)格劃分及有限元分析

        吊臂全部選用DB685鋼材,這種材料的屈服極限為590MPa,許用應(yīng)力為393MPa,加載1t的重物。

        4.2.1 正方形截面吊臂

        采用Pro/ENGINEER自帶的網(wǎng)格控制功能,實體的Surfaces 的Maximum Element Size控制在200mm,總共創(chuàng)建了7652四面體和2561個節(jié)點,有限元分析結(jié)果如圖5所示。

        圖5 正方形截面吊臂Von Mises應(yīng)力云圖

        圖6 矩形截面吊臂Von Mises應(yīng)力云圖

        4.2.2 矩形截面吊臂

        對矩形截面吊臂網(wǎng)格劃分,總共創(chuàng)建了7678個元素和2567個節(jié)點,有限元分析結(jié)果如圖6所示。

        4.2.3 圓角矩形截面吊臂

        對圓角矩形截面吊臂網(wǎng)格劃分,總共創(chuàng)建了22956個元素和7623個節(jié)點,有限元分析結(jié)果如圖7所示。

        圖7 圓角矩形截面吊臂Von Mises應(yīng)力云圖

        圖8 上寬下窄梯形截面吊臂Von Mises應(yīng)力云圖

        4.2.4 上寬下窄梯形截面吊臂

        對上寬下窄梯形截面吊臂進(jìn)行網(wǎng)格劃分,總共創(chuàng)建了7534個元素和2517個節(jié)點,有限元分析結(jié)果如圖8所示。

        4.2.5 上窄下寬梯形截面吊臂

        對上窄下寬梯形截面吊臂進(jìn)行網(wǎng)格劃分,總共創(chuàng)建了7602個元素和2539個節(jié)點,有限元分析結(jié)果如圖9所示。

        4.2.6 六邊形截面吊臂

        對六邊形截面吊臂進(jìn)行網(wǎng)格劃分,總共創(chuàng)建了7496個元素和2504個節(jié)點,有限元分析結(jié)果如圖10所示。

        圖9 上窄下寬梯形截面吊臂Von Mises應(yīng)力云圖

        圖10 六邊形形截面吊臂Von Mises應(yīng)力云圖

        4.2.7 下半圓截面吊臂

        對下半圓形截面吊臂網(wǎng)格進(jìn)行劃分,總共創(chuàng)建了14913個元素和4966個節(jié)點,有限元分析結(jié)果如圖11所示。

        4.2.8 橢圓截面吊臂

        對橢圓形截面吊臂進(jìn)行網(wǎng)格劃分,總共創(chuàng)建了24818個元素和8266個節(jié)點,有限元分析結(jié)果如圖12所示。

        圖11 下半圓形截面吊臂Von Mises應(yīng)力云圖

        圖12 橢圓形截面吊臂Von Mises應(yīng)力云圖

        5 結(jié)論

        由以上結(jié)果分析可知,在同樣吊臂長度、各形狀截面腹板厚度相同、吊載同樣重量的情況下,可得出以下結(jié)論:

        1)產(chǎn)生的最大應(yīng)力

        (1)就產(chǎn)生的最大應(yīng)力而言,本論文的圓角矩形吊臂所產(chǎn)生的最大應(yīng)力為162.1MP,除正方截面吊臂外,為本論文分析的所有截面中產(chǎn)生應(yīng)力最大的截面;

        (2)六邊形截面吊臂所產(chǎn)的最大應(yīng)力為66.3MP,除正方截面吊臂外,為所有截面中產(chǎn)生最大應(yīng)力最小的截面;

        (3)本文分析的所有截面形狀的吊臂中,正方形截面吊臂所產(chǎn)生的最大應(yīng)力為51.45 MP,為所有截面中產(chǎn)生最大應(yīng)力最小的截面。

        2)應(yīng)力分布

        正方形截面吊臂應(yīng)力分布較為平均,其他截面形狀吊臂應(yīng)力分布較為集中,且大部分在吊臂根部下沿處。

        表1 各截面形狀吊臂受力情況對比

        [1]靳慧,王金諾,張忠鵬等.N100型鐵路救援起重機吊臂的有限元設(shè)計[J].起重運輸機械,2001(3):14-16.

        [2]韋仕富,王三民,鄭鈺琪,等.某型汽車起重機吊臂的有限元分析及試驗驗證[J].機械設(shè)計,2011(6):92-96.

        [3]焦文瑞,孔慶華.汽車起重機箱形伸縮式吊臂的有限元分析[J].工程機械,2007(9):33-36.

        [4]張質(zhì)文,虞和謙,王金諾,等.起重機設(shè)計手冊[M].北京:中國鐵道出版社,1998:777-779.

        [5]劉海波,周文.伸縮式吊臂的截面設(shè)計[J].機械管理開發(fā),2011(12):96-97.

        [6]申士林,張仲鵬,陳榮,顧彬.一種新型起重機吊臂的輕量化設(shè)計與研究[J].機械設(shè)計與制造,2012(6):42-44.

        [7]曾憲淵,張仲鵬,陽燕,等.160 t鐵路救援起重機伸縮式吊臂有限元分析及優(yōu)化[J].起重運輸機械,2010(1):17-19.

        [8]紀(jì)愛敏,羅衍領(lǐng).起重機伸縮吊臂截面優(yōu)化設(shè)計[J].建筑機械化,2006(3):17-20.

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