李洋++宋雨屏

摘 要：起重臂作為起重機的主要受力構(gòu)件，其強度和剛度的強弱對整機的性能有很大影響。因此對起重機伸縮臂的強度和剛度分析以及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計研究有深遠的現(xiàn)實意義。本文把汽車起重機伸縮臂作為研究對象，先結(jié)合起重機設計規(guī)范和相關力學知識對伸縮臂結(jié)構(gòu)進行必要的力學分析。然后據(jù)實際工程作業(yè)情況，對起重機實際工況作出分析，選擇其中三種典型工況進行了相關分析研究。

關鍵詞：伸縮臂；工況分析；力學計算

一、引言

隨著我國城鎮(zhèn)化建設的快速發(fā)展，促使建筑業(yè)也蓬勃發(fā)展，造就了一批高大宏偉的建筑物。近年來，居民樓也由傳統(tǒng)的多層發(fā)展為高層，并且外觀造型新穎奇特，深受人們青睞。對如何維護新型建筑外觀的清潔與美觀提出了新的要求，所以對施工作業(yè)設備在日常施工、安裝以及維護有了更高的要求。此外，在經(jīng)濟迅速發(fā)展，國家對基礎設施建設投入也逐漸增大，在建設規(guī)模越來越大的環(huán)境下，對起重安裝工程設備的需求量也隨之加大，并由之前傳統(tǒng)的半自動化作業(yè)向自動化，半機械化向機械化過渡，因此工程起重機的需求量開始快速增長，產(chǎn)量也是日新月異地刷新紀錄。值得一提的是，國內(nèi)外有一個共通點——發(fā)展最為迅速的是汽車起重機。而汽車起重機關鍵部位在于吊臂，利用吊臂卸載負荷，可以提高起重機的作業(yè)范圍和作業(yè)難度。而汽車起重機的主要承載構(gòu)件是吊臂，擔負著起重機的各種負荷，因而耗鋼量很大。其結(jié)構(gòu)設計好壞，對起重機整體性能以及生產(chǎn)成本的控制將產(chǎn)生直接影響。因此很有必要對汽車起重機吊臂的結(jié)構(gòu)設計、力學性能等進行充分的分析與辯證。

二、起重機吊臂發(fā)展動向

近年來，不難發(fā)現(xiàn)工程機械領域的起重機發(fā)展是很迅速的，為了適應以及改善用戶所提出的一些新性能，被廣泛應用于汽車起重機的一些運算理論和方法同時也得到了長足進步。知名企業(yè)做得很好，他們大多有自己的科研機構(gòu)，對汽車起重機吊臂各種創(chuàng)新研究設計均有比較深入的認識。很多企業(yè)之前就已開始用有限元等新型計算方法，使得研究頗有成效，不但能較準確地校核結(jié)構(gòu)的強度和剛度，還能降低了整機的自重，因此有效解決了強度與重量的矛盾。近年來由于CAD和CAE技術的發(fā)展，使得工程技術人員發(fā)揮創(chuàng)新創(chuàng)造的能力得到了很大提升，進而將這些新技術用在設備吊臂的設計上，將電算運用到全過程中，降低了產(chǎn)品的研發(fā)設計時間，使產(chǎn)品的設計水平大幅提升，使研制時間和成本大大縮短和降低，因此使得產(chǎn)品的經(jīng)濟效益得到了巨大提升。截止當前，對汽車起重機吊臂的優(yōu)化設計、穩(wěn)定性分析等主要還是靠有限元來進行分析和研究，而箱形截面的吊臂則被用來研究起重機吊臂的強度及剛度。

三、隨車吊伸縮型臂架工況分析

汽車起重機作業(yè)過程中，其伸縮臂的實際工況較多。由于箱型截面伸縮臂可以實現(xiàn)伸縮，所以不必按非工作狀態(tài)下的工況進行強度、剛度驗算。只需在額定起重量、最小幅度和伸縮臂伸至最長三種工況下進行分析。因此，僅選用三組具有典型代表意義的工況為例來介紹U型截面四節(jié)臂的汽車起重機吊臂的有限元分析過程。根據(jù)《起重機設計手冊》50噸起重機性能表（如下表），選用以下三種工況，參數(shù)分別為：

四、隨車吊伸縮型臂架力學計算

工況分析一：伸縮臂三節(jié)臂均未伸出，達到工作最小幅度3m，載重記為G1，液壓缸對其支反力記為F1，液壓缸和基本臂鉸點與伸縮臂固定端水平距離記為L，伸縮臂末端與固定端水平距離記為L1。

設計得：L1=1.42m，L2=3m，吊重m1=5×104kg

根據(jù)力矩平衡原理M1+M2+M3=0得：F1=1037726N，G1=490000N

工況二：伸縮臂為中場臂，三節(jié)臂均為部分伸出，達到工作幅度5m，載重記為G2，液壓缸對其支撐力記為F2，液壓缸和基本臂鉸點與伸縮臂固定端水平距離記為L，伸縮臂末端與固定端水平距離為L2。

設計計算得：L1=1.42m，L2=5m吊重m2=24.7t

根據(jù)力矩平衡原理M1+M2+M3=0得：F2=854600N，

G2=242060N

工況三：伸縮臂三節(jié)臂完全伸出，達到全伸狀態(tài)，工作幅度為7m，載重記為G3，液壓缸對其支撐力記為F3，液壓缸和基本臂鉸點與伸縮臂固定端水平距離記為L，伸縮臂末端與固定端水平距離記為L3。

設計計算得：L=1.42m，L3=7m吊重m3=10.2t

根據(jù)力矩平衡原理 M1+M2+M3=0得：F3=594323N ，

G3=99960N

五、隨車吊伸縮臂數(shù)學模型的建立

伸縮式吊臂采用液壓缸實現(xiàn)變幅，作用在臂架上的載荷有起升載荷、自重、回轉(zhuǎn)慣性力以及風載荷等。臂架自重視為沿臂架長均勻分布，也可按重心位置分配至臂的根部鉸頂端。箱形伸縮式吊臂應按最小幅度吊最大起重量的工況進行計算。在最大幅度時起吊的最小起重量工況下驗算整機穩(wěn)定性，因為在此工況下吊臂的承載能力有富余，所以不必驗算。

（一）吊臂在變幅平面所承受的載荷

（1）垂直載荷Q0

式中，φ1——起升沖擊系數(shù)；φ2——動載荷系數(shù)；Gb ——吊臂重力。

（2）根據(jù)力平衡方程算出截面所受的軸向力

A-A截面所受的橫向力FZ：

式中，φ3——風載荷轉(zhuǎn)化到臂端的轉(zhuǎn)化系數(shù)；

（3）A-A截面在變幅平面內(nèi)所受的彎矩My

（二）吊臂在旋轉(zhuǎn)平面承受的載荷

伸縮臂在旋轉(zhuǎn)平面的側(cè)向載荷Fy。Fy=Q0tga3+ φ3 Pω2

式中，Pω2——側(cè)向風載荷。

A-A截面在回轉(zhuǎn)平面內(nèi)所受的彎矩MZ

由以上受力分析可知，起重機伸縮臂架是以受彎為主的雙向壓彎構(gòu)件。

六、結(jié)論

隨著現(xiàn)代化工程建設的增多，汽車起重機由于其自身的靈活性和便捷性已被越來越廣泛地應用于施工中，這就要求汽車起重機具有較強的承載能力，因此便對其強度和剛度提出了更高的要求。本文以此為出發(fā)點，以結(jié)構(gòu)分析理論為基礎。選取合適的工況，對約束條件和載荷進行了詳細的分析和計算，并加載到模型的相應位置，對三種工況下的伸縮臂模型進行了力學分析。

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