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          北方交通淺談起重機臂體設計的優化與應用
          www.idgather.com   2014-10-31  中國工程機械信息網

            近年來,隨著汽車起重機的不斷發展,汽車起重機吊臂截面形狀也由四邊形,六邊形,八邊形等逐漸進化成U形。U形截面可以顯著提高截面的抗彎能力,試驗表明,起重機主臂截面相同周長相同厚度情況下,使用U形截面和使用六邊形截面相比抗彎性能提高近10%,因此U形截面主臂已被廣泛采用。利用有限元分析方法對U形截面吊臂進行分析與優化,對提高材料的利用率,提高吊臂的強度、剛度和穩定性是非常有必要的。

            1 工況分析

            某型號汽車起重機為5節伸縮主臂,雙油缸加繩排式伸縮機構。根據吊臂的形式可知起重機工作狀態下各節臂搭接處應力值最大,為危險截面。一般情況下,每種臂長在相應長度的最大起重力矩工況時應力達到最大值。雙缸加繩排式伸縮機構的起重機性能表一般為7列,我們選取每列中最大起重力矩的工況進行分析。共7種工況。

            2 幾何模型

            處理吊臂幾何模型建立完成后,通過parasolid格式導入ANSYS workbench中。之后,根據不同臂長工況下伸縮油缸的行程,對二、三、四、五節臂進行平移操作,共建立7種不同長度的幾何模型。危險截面處于吊臂的搭接處,而各節臂的臂頭臂尾處應力值較小。將螺栓、銷軸、墊板、油杯等對吊臂整體分析影響很小的零件刪掉,并且去掉板上的焊接坡口,只留下包箍、滑輪支座、繩排拉板和滑塊等主要承力結構。然后對一些不規則的零件進行切割處理,使之變成比較規則的形狀,以便于劃分網格。

            3 網格劃分

            由于吊臂結構復雜,如果抽中面用殼單元來分析將會在幾何處理時花費大量時間,故采用實體模型。吊臂板采用solid186單元用sweep的方式劃分成規則的網格,個別不規則的零件采用自由分網。主要承力零件如上下槽板,在厚度方向劃分為2層單元,有5個節點,可以比較準確的得到該處的應力情況。solid186單元是一個高階三維20節點固體結構單元,solid186單元具有二次位移模式,可以更好的模擬不規則的幾何形狀。吊臂中各節臂之間力的傳遞是通過伸縮油缸和伸縮繩排來進行的,故而要把伸縮油缸和伸縮繩排也建立到模型中。伸縮油缸共有2根,分別連接在一節臂二節臂尾部和二節臂三節臂尾部。伸縮油缸采用beam188單元來模擬,beam188的截面尺寸即伸縮油缸的真實尺寸。伸縮油缸和吊臂尾部油缸支座處為銷軸連接,可以相互轉動,即不傳遞彎矩。銷軸也采用beam188單元來模擬,銷軸與伸縮油缸、銷軸與吊臂油缸支座處采用MPC revolution的方式進行連接,使之可以相互轉動。伸縮繩采用link8單元進行模擬,一端連接到吊臂的繩排支座處并繞過滑輪連接到另外節臂的繩排支座。

            4 約束與載荷

            滑塊材料為MC尼龍,剛度與鋼材相比相差很多,故采用No Separation的方式連接,此種方式連接對整個吊臂的剛度影響很小,而且NoSeparation連接方式是線性的,計算速度快。基本臂尾部與轉臺連接處約束UX、UY、UZ3個平動自由度和RotY,RotZ2個轉動自由度,即使吊臂可以繞根部在變幅平面內轉動;變幅支座處采用同樣的方式進行約束。五節臂頭部導向滑輪處施加朝向卷揚方向的單繩拉力,起升滑輪處施加吊重載荷,2個滑輪之間有大小相等方向相反的單繩拉力。重力加速度取10m/s2,以加速度的方式添加。

            5 應力測試結果

            按照該有限元分析對樣車原設計與工藝進行了優化處理。樣車試制完成之后,對吊臂進行了應力試驗,選擇與有限元分析相同的工況進行測試,貼片位置為每節臂搭接處,應力測試結果與有限元分析結果比較可以看出,實測值與有限元分析值比較接近,但是還是有一些誤差,主要原因是對吊臂兩鉸點的約束是全約束,沒有反映出吊臂工作中下車和轉臺的變形對吊臂造成的影響。

            6 結 論

            通過使用ANSYS軟件對汽車起重機吊臂進行有限元分析表明分析結果與實際測量值接近,在可以接受的范圍內,說明使用該方法分析得到的結果比較準確,并且該方法過程簡單、操作簡便,可以有效地指導實際設計工作和生產制造。

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