劉成林 韓博

沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司 遼寧沈陽(yáng) 110000

1 伸縮臂截面形狀分析

起重機(jī)伸縮臂在應(yīng)用發(fā)展中，根據(jù)應(yīng)用條件，開(kāi)發(fā)了如下幾種典型的截面形狀：多邊形（六邊形、四邊形）、梯形、橢圓形以及U型截面等。其中四邊形截面伸縮臂一般應(yīng)用在中小噸位的起重機(jī)中，其缺點(diǎn)是伸縮臂的承載能力不足，無(wú)法很好發(fā)揮出材料的力學(xué)性能；而五邊形和六邊形截面伸縮臂則具有較好的使用性能，其中五邊形截面具有倒V型特征，可以很好改善蓋板的穩(wěn)定性，可以發(fā)揮出材料力學(xué)性能；六邊形則是上下蓋板呈現(xiàn)彎折形，受力非常合理，具有很高的抗屈服強(qiáng)度。伸縮臂U型截面在工作中可以均勻受力，能夠極大提高起重機(jī)穩(wěn)定性和安全性，并且結(jié)構(gòu)材料可以充分發(fā)揮力學(xué)性能，隨著其應(yīng)用發(fā)展，U型截面結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步優(yōu)化，以滿足多種使用條件[1]。

2 伸縮臂的截面分析及截面形式的確定

2.1 吊臂截面的有限元對(duì)比分析

為了進(jìn)一步提高穩(wěn)定性，在四邊形截面之后通過(guò)采用大圓弧過(guò)渡段設(shè)計(jì)出多邊形截面，更好的降低腹板的高度，使應(yīng)力不至于過(guò)度集中，幫助改善局部的抗失穩(wěn)能力。八邊形以及大圓角矩形截面的下翼緣板走與腹板的實(shí)際寬度相比要小很多，由此也沒(méi)更好的降低結(jié)構(gòu)重量，八邊形和大圓角矩形截面更適用于大噸位汽車起重機(jī)。橢圓形截面的上彎板是大圓弧形狀的槽板，下彎板是凹槽形狀，截面面積上部大，下部小，能很好的優(yōu)化吊臂力量，提高抗扭性，橢圓形截面是起重吊臂截面的重要形式。除此之外，還有類橢圓形截面與準(zhǔn)橢圓形截面。

橢圓形截面優(yōu)點(diǎn)突出，但也存在不少的問(wèn)題。橢圓形截面能最大化的發(fā)揮材料的機(jī)械性能，非常適用于高強(qiáng)度材料，但其使用過(guò)程中需要側(cè)向支撐，對(duì)工藝的要求較為復(fù)雜。U形截面的下彎板是U型槽板，U形臂也能很好的發(fā)揮材料性能，幫助起重機(jī)更好的運(yùn)行，除此之外，U形臂還能維持局部的穩(wěn)定，幫助實(shí)現(xiàn)起重機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行[2]。

2.2 伸縮臂的截面材料選擇

伸縮臂的重量大概占到整機(jī)重量的13%到20%，有時(shí)候可能更高。要盡可能的對(duì)起重機(jī)的重量設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，降低起重機(jī)臂的重量。當(dāng)材料確定后，要通過(guò)改進(jìn)吊臂形式來(lái)改善吊臂的起重性能，也就是改變吊臂的截面形狀。進(jìn)行截面優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，不能一味的減輕自重，要結(jié)合吊臂的形狀與性能，在保持吊臂性能不發(fā)生改變的情況下進(jìn)行優(yōu)化，故而只能在保持其總高和總寬不變的前提下進(jìn)行優(yōu)化。通常情況下，側(cè)板要選擇薄鋼板，厚度控制在4mm到8mm之間，為保證局部穩(wěn)定，可在每?jī)啥沃虚g加一橫向筋，以增加截面的強(qiáng)度。為滿足局部穩(wěn)定性，要適當(dāng)增加上蓋板的厚度，將吊臂做成等強(qiáng)度梁，從而起到減小自重的效果。在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題工況選擇時(shí)，要著重考慮全伸臂工況，5噸汽車起重機(jī)的伸縮臂主體材料要選用HG70。

2.3 截面的選擇

伸縮臂的受載情況較多，自重載荷、側(cè)向載荷等都會(huì)對(duì)受載情況造成影響。對(duì)伸縮臂進(jìn)行靜力學(xué)分析要結(jié)合動(dòng)載效應(yīng)進(jìn)行。文中所分析的起重機(jī)有5種工況，工況1到工況5為節(jié)臂全伸出與縮回的情況，各工況的起重量及臂長(zhǎng)如下表1所示。

表1 某型隨車起重機(jī)各工況的起重量及臂長(zhǎng)

對(duì)5種工況下的伸縮臂靜力學(xué)進(jìn)行分析，結(jié)合其實(shí)際受載情況，為了對(duì)基本臂兩鉸孔的徑向自由度和軸向自由度進(jìn)行約束，可將吊重加在伸縮臂的頭部。通過(guò)有限元軟件可得到各工況下的應(yīng)力值及變形分量，結(jié)合相關(guān)計(jì)算可得出表2的數(shù)據(jù)。

表2 伸縮臂靜力學(xué)分析結(jié)果

將U形截面與橢圓形截面進(jìn)行對(duì)比可知，U形截面的優(yōu)勢(shì)更大，U形截面的位移較小，與橢圓形截面相比，發(fā)生屈曲的概率更小。但二者與其他截面相比，都是不容易發(fā)生屈曲的截面類型。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著基建工程發(fā)展加快，機(jī)械起重工具日益受到關(guān)注，特別是汽車起重機(jī)，具有較高的靈活性和實(shí)用性。文章在總結(jié)分析了當(dāng)前汽車起重機(jī)伸縮臂的多種界面形狀基礎(chǔ)上，采用有限元分析手段，深入研究了汽車起重機(jī)伸縮臂的截面形式，并且對(duì)伸縮臂的截面材料選擇進(jìn)行研究與實(shí)驗(yàn)，最終得到以下幾個(gè)結(jié)論：

（1）汽車起重機(jī)伸縮臂的截面型式有多種，但U型截面在抗屈服方面具有更優(yōu)越性能，能夠更好發(fā)揮材料的性能[3]。

（2）采用U行截面，汽車起重機(jī)的伸縮臂能夠進(jìn)一步優(yōu)化，控制經(jīng)濟(jì)成本，對(duì)于起重機(jī)的應(yīng)用具有一定的促進(jìn)作用。