隨車起重機(jī)動臂油缸連桿優(yōu)化及對比分析

朱 冰，暢思琦，石聯(lián)軍，任 鵬

（山西航天清華裝備有限責(zé)任公司，山西 長治 046012）

隨車起重機(jī)（以下簡稱起重機(jī)）是重要的軍民用產(chǎn)品，主要用于各種貨物的吊裝作業(yè)，本次研究對象為公司QH090型隨車起重機(jī)，最大起重量為1300kg，最大幅度為6.2m。其臂架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過舉升、動臂及伸縮油缸的運(yùn)動，使起重機(jī)臂架達(dá)到規(guī)定幅度進(jìn)行起重作業(yè)。其中，動臂油缸（以下簡稱油缸）系統(tǒng)一般分為2種機(jī)構(gòu)形式，即3鉸點(diǎn)機(jī)構(gòu)和5鉸點(diǎn)機(jī)構(gòu)，本起重機(jī)油缸的設(shè)計(jì)方案為3鉸點(diǎn)形式。本文通過對2種鉸點(diǎn)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化對比分析，詳細(xì)比較2種機(jī)構(gòu)的運(yùn)動、力學(xué)性能，為起重機(jī)及其它類似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供有效參考。

圖1 QH090起重機(jī)臂架系統(tǒng)模型

1 油缸鉸點(diǎn)機(jī)構(gòu)受力模型

取動臂及伸縮臂為水平狀態(tài)時為危險工況進(jìn)行研究，設(shè)伸縮臂對動臂形成的彎矩為M，則3鉸點(diǎn)形式下油缸處局部結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，O為伸縮臂與動臂連接點(diǎn)，A為油缸前鉸點(diǎn)，B為油缸后鉸點(diǎn)。

圖2 3鉸點(diǎn)形式油缸

此時油缸受力FAB為

將機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為5鉸點(diǎn)機(jī)構(gòu)，在此機(jī)構(gòu)形式下，油缸處局部模型如圖3所示。其中，O為伸縮臂與動臂連接點(diǎn)，CD為連桿1，DE為連桿2，D為油缸前鉸點(diǎn)，F(xiàn)為油缸后鉸點(diǎn)。此時油缸受力FDF為

圖3 5鉸點(diǎn)形式油缸

2 3鉸點(diǎn)機(jī)構(gòu)油缸受力優(yōu)化

采用ADAMS2012中的優(yōu)化模塊，分別建立3鉸點(diǎn)機(jī)構(gòu)和5鉸點(diǎn)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化模型，對油缸受力進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 設(shè)計(jì)變量

優(yōu)化時取伸縮臂水平及折疊2種狀態(tài)（即油缸分別為最長及最短）進(jìn)行研究，伸縮臂轉(zhuǎn)角為140°，設(shè)伸縮臂折疊時，圖2中A點(diǎn)對應(yīng)鉸點(diǎn)為G，虛線為伸縮臂折疊狀態(tài)，如圖4所示。

圖4 3鉸點(diǎn)機(jī)構(gòu)優(yōu)化模型

取伸縮臂轉(zhuǎn)動點(diǎn)O為定點(diǎn)，A、B、G 3個點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)為設(shè)計(jì)變量V1，即

各設(shè)計(jì)變量的取值范圍應(yīng)以不發(fā)生結(jié)構(gòu)干涉為前提，在此不再贅述。

2.2 約束條件

（1）應(yīng)保證A、G相對于O點(diǎn)的距離相等，即

（2）為保證油缸安裝，油缸最小長度去除油缸行程后，應(yīng)大于某固定值，此處設(shè)定為290mm，即

（3）應(yīng)保證油缸由最短伸長至最大時，伸縮臂的轉(zhuǎn)角為140°，即

（4）為滿足伸縮臂順利展開條件，應(yīng)保證

2.3 優(yōu)化目標(biāo)

優(yōu)化目標(biāo)為油缸受力最小，設(shè)優(yōu)化目標(biāo)為J1，則優(yōu)化目標(biāo)可定義為

2.4 優(yōu)化結(jié)果

設(shè)O點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，則優(yōu)化前后A、B點(diǎn)坐標(biāo)如表1所示。

表1 3鉸點(diǎn)機(jī)構(gòu)優(yōu)化數(shù)據(jù)

3 6鉸點(diǎn)機(jī)構(gòu)油缸受力優(yōu)化

3.1 設(shè)計(jì)變量

同理，優(yōu)化時取伸縮臂水平及折疊狀態(tài)進(jìn)行研究，設(shè)伸縮臂折疊時，圖3中C點(diǎn)對應(yīng)鉸點(diǎn)為H，D點(diǎn)對應(yīng)鉸點(diǎn)為K，其中，虛線為伸縮臂折疊狀態(tài)。

圖5 5鉸點(diǎn)機(jī)構(gòu)優(yōu)化模型

仍取伸縮臂轉(zhuǎn)動點(diǎn)O為定點(diǎn)，C、D、E、F、H、K 6個點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)為設(shè)計(jì)變量V 2，各設(shè)計(jì)變量的取值范圍應(yīng)以不發(fā)生結(jié)構(gòu)干涉為前提，可得

3.2 約束條件

（1）應(yīng)保證C、H相對于O點(diǎn)的距離相等，D、K相對于E點(diǎn)距離相等，C、D距離與H、K距離相等，即

（2）油缸安裝條件同上，如下式

（3）伸縮臂轉(zhuǎn)角同上，如下式

∠COH=140°

（D4F）為保證伸縮臂順利展開，應(yīng)滿足

3.3 優(yōu)化目標(biāo)

優(yōu)化目標(biāo)為油缸受力最小，設(shè)優(yōu)化目標(biāo)為J2，則優(yōu)化目標(biāo)可定義為

3.4 優(yōu)化結(jié)果

設(shè)O點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，則優(yōu)化后C、D、E、F點(diǎn)坐標(biāo)如表2所示。

表2 5鉸點(diǎn)機(jī)構(gòu)優(yōu)化數(shù)據(jù)

4 仿真分析

為驗(yàn)證優(yōu)化前后及不同鉸點(diǎn)機(jī)構(gòu)的性能，采用ADAMS對起重機(jī)進(jìn)行仿真分析，進(jìn)而對比其各項(xiàng)性能參數(shù)。

4.1 仿真模型及參數(shù)設(shè)置

由于起重機(jī)起重工況較多，選取伸縮臂為水平工況重點(diǎn)研究，此時伸縮臂對動臂產(chǎn)生的彎矩M為最大值，為方便分析，計(jì)算時將伸縮臂固定為水平狀態(tài)，彎矩M反向施加于動臂上，動臂與伸縮臂之間夾角由0°變化至65°，此范圍可以覆蓋起重機(jī)起重性能表內(nèi)的所有工況。設(shè)吊裝重量為P，載荷作用點(diǎn)距轉(zhuǎn)動點(diǎn)O的水平距離為L1，伸縮臂自重為Q，質(zhì)心距O點(diǎn)水平距離為L2，則M可寫為

針對優(yōu)化前的3鉸點(diǎn)機(jī)構(gòu)、優(yōu)化后的3鉸點(diǎn)機(jī)構(gòu)和5鉸點(diǎn)機(jī)構(gòu)（分別記為算例1、算例2、算例3）進(jìn)行對比分析，為方便計(jì)算，設(shè)M=5000t·mm，油缸勻速運(yùn)動，速度為10mm/s，各算例中基本參數(shù)如表3所示。

在ADAMS中建立3個算例的仿真計(jì)算模型，各部件之間的運(yùn)動副關(guān)系見表4及表5。

表3 各算例基本參數(shù)表

表4 算例1、算例2運(yùn)動副情況

表5 算例3運(yùn)動副情況

4.2 仿真結(jié)果分析

通過計(jì)算分析，得到3個算例中的油缸受力、動臂轉(zhuǎn)角、角速度及角加速度等特性，見圖6—圖9所示。

圖6 各算例油缸力—動臂轉(zhuǎn)角特性

圖7 算例1動臂轉(zhuǎn)角、角速度、角加速度特性

圖8 算例2動臂轉(zhuǎn)角、角速度、角加速度特性

圖9 算例3動臂轉(zhuǎn)角、角速度、角加速度特性

（1）分析圖6可知，3個算例中，油缸受力隨著轉(zhuǎn)角增大而降低。算例1油缸最大受力為37.7t，最小受力為10.6t；算例2油缸最大受力為26.4t，最小受力為10.3t；算例3油缸最大受力為18.4t，最小受力為12.1t。對比優(yōu)化前后數(shù)據(jù)，經(jīng)優(yōu)化后的3鉸點(diǎn)機(jī)構(gòu)油缸最大受力降低率為30%，5鉸點(diǎn)機(jī)構(gòu)油缸最大受力降低率為50%。

（2）3個算例的油缸行程分別為366mm、412mm和408mm，在相同的油缸運(yùn)動速度下，算例1臂架展開速度最快，算例3次之，算例2最慢。

（3）分析圖7—圖9可知，算例1動臂轉(zhuǎn)角最大加速度為-0.81deg/s2；算例2轉(zhuǎn)角最大加速度為-0.29deg/s2；算例3轉(zhuǎn)角最大加速度為-0.046deg/s2，相比之下，經(jīng)優(yōu)化后的5鉸點(diǎn)機(jī)構(gòu)角加速度最小，臂架運(yùn)動較平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)沖擊小。分析3個算例的動臂角速度，算例1最大角速度為4.17deg/s；算例2最大角速度為2.98deg/s；算例3最大角速度為2.1deg/s?？芍?jīng)優(yōu)化前，起重機(jī)臂展速度較快，易對周邊人員造成危險，優(yōu)化后的兩種機(jī)構(gòu)形式臂展速度均有明顯降低。

5 結(jié)束語

本文針對隨車起重機(jī)的2種動臂油缸鉸點(diǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了受力模型搭建，采用ADAMS對兩種鉸點(diǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，并對比分析了兩種機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)運(yùn)動及力學(xué)性能。

通過分析計(jì)算可知，經(jīng)優(yōu)化后，3鉸點(diǎn)機(jī)構(gòu)油缸最大受力降低率約為30%，5鉸點(diǎn)機(jī)構(gòu)油缸最大受力降低率約為50%?？芍?鉸點(diǎn)機(jī)構(gòu)能夠獲得更小的油缸受力值，從而降低系統(tǒng)壓力。

同時，5鉸點(diǎn)機(jī)構(gòu)下，臂架的最大轉(zhuǎn)角速度及加速度均較3鉸點(diǎn)機(jī)構(gòu)有所降低。因此，運(yùn)用5鉸點(diǎn)機(jī)構(gòu)可以有效降低沖擊，提高結(jié)構(gòu)性能，提高作業(yè)安全性。

在今后的研究工作中，可將結(jié)構(gòu)干涉考慮到優(yōu)化計(jì)算過程中，在結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生干涉的前提下，達(dá)到預(yù)期的優(yōu)化效果。