王 建 楊佳衛(wèi) 朱彤彤

南通潤邦重機有限公司

1 引言

臂架式起重機主要結(jié)構(gòu)由全回轉(zhuǎn)X型支腿底盤、雙層組合梁結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)臺、筒體式塔身和桁架型式臂架4大結(jié)構(gòu)組成(見圖1)。

1.塔身 2.司機室 3.后拉式液壓油缸 4.拉桿 5.絞車房 6.電氣房 7.垂直支腿 8.懸掛 9.臂架 10.吊鉤 11.動力房 12.轉(zhuǎn)臺 13.底盤 14.擺動支腿圖1 臂架式起重機組成圖

針對臂架式起重機的輕量化設(shè)計主要從以下幾方面進(jìn)行：①總體布局合理化，對各功能部件的布局進(jìn)行局部調(diào)整，通過合理布局降低自重；②智能化下的輕量化設(shè)計，研究客戶實際使用工況，通過邏輯控制使設(shè)備，既滿足客戶的效率需求，又減少整機性能浪費；③材料輕量化，采用強度更高的材料替代、優(yōu)化質(zhì)量體積較大的鋼結(jié)構(gòu)，從而降低整機自重；④依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，分析結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布與穩(wěn)定性情況，從而為起重機的輕量化設(shè)計提供理論依據(jù)。

2 輕量化設(shè)計

2.1 總體布局合理化

此機型輕量化設(shè)計的總體思路為：在確保整體穩(wěn)定性的前提下，通過配重平衡吊重產(chǎn)生的彎矩，在滿足使用要求的前提下對回轉(zhuǎn)軸承重新選型，使回轉(zhuǎn)軸承的尺寸減小，這將會直接影響轉(zhuǎn)臺、塔架筒體直徑和臂架根部開檔距，整體結(jié)構(gòu)輪廓尺寸相比較原機型明顯減小，整機自重有效降低。

優(yōu)化前的機型回轉(zhuǎn)軸承型號為133.50.4500.002,回轉(zhuǎn)齒圈直徑4 500 mm，通過提供回轉(zhuǎn)速度、工作頻率、軸向力、徑向力以及傾覆力矩給回轉(zhuǎn)軸承廠家進(jìn)行優(yōu)化計算，選定新的回轉(zhuǎn)軸承型號為133.50.4000.03K，回轉(zhuǎn)齒圈直徑4 000 mm。在集裝箱工況和抓斗工況下靜載安全系數(shù)和安全工作壽命均滿足設(shè)計要求[1]。因原連接螺栓受力不足，需增加內(nèi)外圈安裝螺栓數(shù)量，使螺栓的受力滿足要求。

回轉(zhuǎn)齒圈優(yōu)化后，對應(yīng)的結(jié)構(gòu)也需進(jìn)行優(yōu)化。原回轉(zhuǎn)軸承尺寸較大，塔身尺寸較小，導(dǎo)致轉(zhuǎn)臺上端小下端大，無法用直筒結(jié)構(gòu)，因此設(shè)計上采用上部圓錐過渡，易造成受力突變，筒體上端應(yīng)力集中。由有限元分析可知[2]，筒體與法蘭連接處出現(xiàn)285 MPa的應(yīng)力集中，在應(yīng)力云圖中通過標(biāo)識檢查，稍遠(yuǎn)離法蘭位置應(yīng)力約100 MPa，突變明顯(見圖2)。

圖2 原筒體有限元應(yīng)力分析結(jié)果

回轉(zhuǎn)軸承尺寸縮小后，轉(zhuǎn)臺筒體直徑與塔身筒體保持一致，可設(shè)計成直筒，制作簡單，同時筒體頂部受力應(yīng)力突變即消除，最大應(yīng)力約100 MPa，相連位置無突變、無應(yīng)力集中。

2.2 機構(gòu)運動參數(shù)優(yōu)化

在結(jié)構(gòu)計算中各機構(gòu)的速度和加速度參數(shù)是制約整機輕量化的因素之一，以回轉(zhuǎn)速度和回轉(zhuǎn)加速度為例：通過對吊具動作消耗時間研究發(fā)現(xiàn)，制約作業(yè)效率的主要因素是回轉(zhuǎn)速度(見表1)，而回轉(zhuǎn)加速度影響臂架以及吊載的平面外慣性力[3]，制約臂架的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計，臂架的自重加大同時會影響到吊載性能以及轉(zhuǎn)臺配重的質(zhì)量。

表1 吊具工況各動作消耗時間

對運動參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，將回轉(zhuǎn)速度提高，加速時間適當(dāng)延長，在不影響臂架結(jié)構(gòu)計算的前提下，提高作業(yè)效率。在吊鉤工況中，回轉(zhuǎn)速度相對于優(yōu)化前機型參數(shù)提高到1.58～2.92倍，在臂架中間幅度提高較少，兩端幅度提高較多?；剞D(zhuǎn)加速時間從3 s延長到6 s，回轉(zhuǎn)加速度達(dá)到優(yōu)化前機型的0.79～1.46倍，在中間頻繁工作幅度區(qū)間相對提高較少。

調(diào)整后，以優(yōu)化前機型的臂架為載體，分別施加調(diào)整前后的回轉(zhuǎn)速度和回轉(zhuǎn)加速度，其余載荷相同，在臂架相同位置的主弦桿，應(yīng)力只增加約10 MPa。因此，在滿足原有作業(yè)效率的前提下，臂架的結(jié)構(gòu)即可相對應(yīng)減輕。

綜上，調(diào)整回轉(zhuǎn)機構(gòu)的速度和加速度的相對應(yīng)關(guān)系，可以降低臂架的自重，從而降低轉(zhuǎn)臺配重的重量，達(dá)到輕量化的目的。

2.3 其余輕量化研究

通過改變塔身和臂架連接鉸點處的結(jié)構(gòu)形式。原設(shè)計采用雙層平臺，制作較為復(fù)雜，但對于鉸點耳板有一定的加強作用(見圖3)。而輕量化研究下的塔身采用單層平臺，筒體適當(dāng)向上過渡，為鉸點耳板提供支撐，結(jié)構(gòu)相對簡潔，雖應(yīng)力有所增加，但滿足設(shè)計使用要求，可達(dá)到輕量化設(shè)計的目的(見圖4)。

圖3 雙層平臺設(shè)計 圖4 輕量化單層平臺設(shè)計

此外，通過改變臂架頭部滑輪的材質(zhì)，降低臂架頭部的重量，同時臂架主撐管使用高強度材質(zhì)，在臂架結(jié)構(gòu)計算滿足要求的前提下，降低臂架的自重，從而將整機設(shè)計自重降低。

3 輕量化效果

通過上述技術(shù)手段對此機型進(jìn)行輕量化設(shè)計。其中塔身、轉(zhuǎn)臺、配重和臂架整體質(zhì)量下降占原總重的6.22%，通過配套件的合理選型，以及在主結(jié)構(gòu)尺寸變小的基礎(chǔ)上，附屬結(jié)構(gòu)相應(yīng)縮小，減輕的質(zhì)量占原總重的1.82%。最終輕量化減重量占原總重的8.04%，達(dá)到了減重的目的。

4 結(jié)語

整機輕量化研究設(shè)計以保持現(xiàn)有的設(shè)備的性能參數(shù)為基礎(chǔ)，同時保證產(chǎn)品的可靠性、穩(wěn)定性，并降低產(chǎn)品自重。通過配套件選型優(yōu)化、各機構(gòu)工作速度和加速度優(yōu)化、主結(jié)構(gòu)的精細(xì)計算、局部設(shè)計細(xì)節(jié)處理等技術(shù)手段實現(xiàn)輕量化設(shè)計，不但提高了產(chǎn)品的競爭力，對節(jié)能降耗和綠色低碳生產(chǎn)也有重要的推動作用。