朱節(jié)宏

（北海職業(yè)學(xué)院，廣西 北海536000）

0 引言

工程起重機(jī)械是各種工程建設(shè)中進(jìn)行起重作業(yè)的各種機(jī)械的總稱，其作為基建工程的高彈性品種，被廣泛地應(yīng)用在交通運(yùn)輸、建筑工業(yè)、礦山油田、港口機(jī)場(chǎng)、水利水電、軍工及市政工程等行業(yè)領(lǐng)域。根據(jù)中國(guó)工程機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)工程起重機(jī)分會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2019年1-6月，國(guó)內(nèi)工程起重機(jī)總計(jì)銷量35470臺(tái)，其中汽車起重機(jī)銷售25494臺(tái)，占比71.87%，同比增長(zhǎng)53.3%，其余機(jī)型（履帶式起重機(jī)、隨車起重機(jī)、輪胎起重機(jī)）總計(jì)銷售9 976臺(tái)，占比28.13%。汽車起重機(jī)銷量的強(qiáng)勁增長(zhǎng)，也說(shuō)明了其卓越的起重能力與機(jī)動(dòng)性能，確實(shí)得到了工程起重行業(yè)的高度認(rèn)可，號(hào)稱“工程起重之王”，有過(guò)之而無(wú)不及。由此可見(jiàn)，提高汽車起重機(jī)的整機(jī)安全性與可靠性，對(duì)于工程自重行業(yè)顯得尤為重要，而吊鉤總成作為汽車起重機(jī)的關(guān)鍵零部件，其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)剛度水平（在外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力）將直接影響整機(jī)的安全性與可靠性。下面將以8 t汽車起重機(jī)吊鉤總成為例，通過(guò)設(shè)計(jì)建立吊鉤總成完整的三維模型，并對(duì)吊鉤總成組合件進(jìn)行有限元分析，主要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)線性靜力分析和相關(guān)計(jì)算，以保證吊鉤總成的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和靜剛度滿足整機(jī)安全的需要。

1 汽車起重機(jī)吊鉤總成的設(shè)計(jì)建模

1.1 汽車起重機(jī)技術(shù)參數(shù)

汽車起重機(jī)是一種裝在通用或?qū)Ｓ幂d重汽車底盤上的起重機(jī)，汽車專用底盤使其具備較高的行駛速度、良好的通過(guò)性能與機(jī)動(dòng)性能，可快速實(shí)現(xiàn)設(shè)備的轉(zhuǎn)場(chǎng)[1-2]，并且起重范圍大，小到十噸以下，大到千噸以上，能很好地滿足各噸位流動(dòng)式起重作業(yè)的需求。表1所示為某8 t汽車起重機(jī)的技術(shù)參數(shù)。

表1 某8 t汽車起重機(jī)技術(shù)參數(shù)

1.2 吊鉤總成的三維建模

汽車起重機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)包括起升機(jī)構(gòu)、變幅結(jié)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、金屬臂架和汽車專用底盤等[3]。起升機(jī)構(gòu)是提升或下降貨件的工作機(jī)構(gòu)，是汽車起重機(jī)不可缺少的、最主要的，也是最基本的機(jī)構(gòu)；起升機(jī)構(gòu)主要由驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)裝置、卷繞系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)及吊鉤總成等組成，吊鉤總成又是其中的關(guān)鍵部件。圖1為某8 t汽車起重機(jī)六繩吊鉤總成的三維模型，圖2為吊鉤總成的結(jié)構(gòu)組成，圖中序號(hào)1是滑輪組，2、3是吊鉤螺母和止推軸承、4是橫梁，5是吊鉤，6是拉板支架，7是滑輪軸，8是緊固件（螺栓、螺母及墊圈），這些零部件通過(guò)一定的裝配關(guān)系連接成一個(gè)組合體。

圖1 吊鉤總成的三維模型

圖2 吊鉤總成的結(jié)構(gòu)組成

2 汽車起重機(jī)吊鉤總成結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 吊鉤總成三維模型的簡(jiǎn)化

在Creo3.0軟件中建立精確的吊鉤總成三維模型，總成各零部件之間的配合按照實(shí)際的位置關(guān)系進(jìn)行組裝。模型的簡(jiǎn)化，包括去掉各種連接螺栓、螺母、墊圈、隔套、墊板和潤(rùn)滑脂油杯，忽略各零部件的小倒角、小圓角和孔螺紋，簡(jiǎn)化吊鉤螺母與止推軸承的結(jié)構(gòu)等，刪除掉的緊固件直接用實(shí)體特征代替[4]，而鋼絲繩與滑輪、拉板支架與連接桿、緊固件結(jié)合成實(shí)體。簡(jiǎn)化后的某8 t汽車起重機(jī)吊鉤總成三維模型由吊鉤、橫梁、吊鉤螺母、拉板支架、滑輪組件和滑輪軸構(gòu)成，如下圖3所示。

圖3 某8 t汽車起重機(jī)吊鉤總成簡(jiǎn)化模型

2.2 吊鉤總成結(jié)構(gòu)有限元分析

這里的結(jié)構(gòu)有限元分析，即結(jié)構(gòu)靜力分析，解靜態(tài)載荷下機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形的有效手段，是在不考慮慣性和阻尼影響的情況下，計(jì)算機(jī)械結(jié)構(gòu)在施加固定載荷下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。結(jié)構(gòu)靜力分析大體流程分為建立模型、施加邊界條件和載荷、求解、結(jié)果后處理與分析等步驟[5-6]。吊鉤總成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要通過(guò)CAD/CAM/CAE設(shè)計(jì)軟件Creo實(shí)現(xiàn)（零部件的設(shè)計(jì)與裝配件的組裝），有限元分析則是利用ANSYS Workbench的結(jié)構(gòu)靜力分析模塊，該分析旨在獲取在一定載荷作用下吊鉤總成結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力和總變形的情況，以此作為結(jié)構(gòu)安全性的參考和優(yōu)化設(shè)計(jì)的依據(jù)。

（1）材料屬性

在ANSYS Workbench工程數(shù)據(jù)中添加吊鉤總成需要分析的各零部件材料，相應(yīng)的材料參數(shù)包括楊氏模量、密度、泊松比和屈服強(qiáng)度等。吊鉤總成結(jié)構(gòu)的有限元分析主要是獲得吊鉤、橫梁、拉板、滑輪軸及吊鉤螺母這五個(gè)零部件的最大等效應(yīng)力與最大總變形量，所以需要分析前必須對(duì)這些零部件進(jìn)行材料賦予，具體材料屬性如表2所示。

表2 材料屬性

（2）創(chuàng)建接觸、連接和劃分網(wǎng)格

各零部件的材料屬性賦予設(shè)定后，在滑輪組與滑輪軸，橫梁端部與拉板支架孔，吊鉤螺母與橫梁軸承孔座，吊鉤鉤柄與吊鉤螺母之間創(chuàng)建Bonded或No Separation接觸約束，對(duì)滑輪組連接主臂位置創(chuàng)建Fixed與大地固定連接，其余接觸由系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別。接著根據(jù)模型外形尺寸設(shè)置網(wǎng)格參數(shù)，這里采用六面體網(wǎng)格形式，1 mm大小的網(wǎng)格尺寸對(duì)吊鉤總成模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，圖4是劃分網(wǎng)格后的吊鉤總成（橫梁和拉板支架連接部位）。

圖4 劃分網(wǎng)格后的吊鉤總成

（3）施加載荷及求解

該型汽車起重機(jī)的最大起重量為8 000 kg，根據(jù)GB/T3811-2008起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范，起重機(jī)靜載試驗(yàn)載荷取最大起重量的1.25倍，所以實(shí)際施加載荷為10 000 kg（1.25 × 8 000 kg），并且以掛載鋼絲繩與吊鉤鉤底的面-面接觸形式施加。表3所示為鋼絲繩安全荷重表，以0°吊單頭為鋼絲繩與吊鉤的掛載形式，應(yīng)選擇鋼絲繩最小直徑為32 mm，施加載荷吊鉤鉤槽危險(xiǎn)斷面位置的受力面積等于該鉤底掛載位置有效長(zhǎng)度（70 mm）與鋼絲繩直徑（32 mm）的乘積，約為0.07 m×0.032 m=0.002 24 m2，所以實(shí)際施加在吊鉤鉤底面上載荷Pressure為10 000×9.8/0.00224=43.75 MPa，方向?yàn)榈蹉^鉤底面法向向下（-Y向）。

表3 鋼絲繩安全荷重表（6倍）噸

經(jīng)過(guò)ANSYS Workbench求解，吊鉤總成各組成零部件最大應(yīng)力和最大變形如表4所示，等效應(yīng)力云圖如圖 5、7、9、11、13 所示，總變形云圖如圖 6、8、10、12、14所示。等效應(yīng)力方面，吊鉤最大等效應(yīng)力84.76 MPa發(fā)生在鉤底內(nèi)側(cè)壁，橫梁最大等效應(yīng)力64.47 MPa發(fā)生在孔口與吊鉤螺母接觸邊緣，吊鉤螺母最大等效應(yīng)力24.57 MPa發(fā)生在與橫梁接觸面的邊緣，拉板支架最大等效應(yīng)力16.20 MPa發(fā)生在與滑輪軸、橫梁配合孔處，滑輪軸最大等效應(yīng)力6.92 MPa則發(fā)生在與拉板支架接觸面位置，這些最大等效應(yīng)力值均小于所相應(yīng)材料的許用應(yīng)力（見(jiàn)表2），說(shuō)明該吊鉤總成各零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是足夠的。

在總變形方面，吊鉤最大總變形0.58 mm發(fā)生在鉤尖部分，橫梁最大總變形0.29 mm發(fā)生在側(cè)邊圓弧面，吊鉤螺母最大總變形0.29 mm發(fā)生在與橫梁接觸面外緣，拉板支架最大總變形量0.29 mm發(fā)生在拉板側(cè)邊，滑輪軸最大總變形0.29 mm發(fā)生在軸頭位置，結(jié)合最大等效應(yīng)力數(shù)值，通過(guò)計(jì)算得知，以上各零部件的靜剛度（材料應(yīng)力/應(yīng)變）遠(yuǎn)小于材料許用剛度（見(jiàn)表2楊氏模量），也就是說(shuō)，吊鉤總成各零部件的最大總變形都在材料允許的變形范圍之內(nèi)，剛度是達(dá)到設(shè)計(jì)要求的。

此外，從各部件的最大等效應(yīng)力值與相應(yīng)材料許用應(yīng)力值對(duì)比分析可得，該吊鉤總成的結(jié)構(gòu)還有進(jìn)一步設(shè)計(jì)優(yōu)化空間的，至少在滿足機(jī)械強(qiáng)度的前提下，整體自重是可以降低的，這對(duì)節(jié)約鋼材，降低整機(jī)生產(chǎn)制造成本，大有裨益。

表4 吊鉤總成各零部件最大等效應(yīng)力（MPa）和最大總變形（mm）

圖5 吊鉤等效應(yīng)力云圖

圖6 吊鉤總變形云圖

圖7 橫梁等效應(yīng)力云圖

圖8 橫梁總變形云圖

圖9 吊鉤螺母等效應(yīng)力云圖

圖10 吊鉤螺母總變形云圖

圖11 拉板支架等效應(yīng)力云圖

圖12 拉板支架總變形云圖

圖13 滑輪軸等效應(yīng)力云圖

圖14 滑輪軸總變形云圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文使用Creo軟件對(duì)某8 t汽車起重機(jī)吊鉤總成進(jìn)行了詳細(xì)的參數(shù)化建模，并在模型簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上，對(duì)汽車起重機(jī)吊鉤總成組合件進(jìn)行了基于ANSYS Workbench的有限元分析，結(jié)構(gòu)線性靜力分析求解獲取到的吊鉤總成各零部件的等效應(yīng)力云圖和總變形云圖顯示，吊鉤總成各零部件的最大等效應(yīng)力值均小于相應(yīng)材料的許用應(yīng)力值，最大總變形量也在材料允許的變形范圍內(nèi)，且發(fā)生部位都符合設(shè)計(jì)預(yù)期，吊鉤總成的結(jié)構(gòu)是安全的，等效應(yīng)力云圖與總變形云圖也是指導(dǎo)各零部件開(kāi)展結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的重要參考。