折臂式隨車起重機(jī)連桿機(jī)構(gòu)的計(jì)算分析

李聰 張亞鵬 翟海強(qiáng)

摘要：受力分析計(jì)算是起重機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，尤其對(duì)于流動(dòng)式起重機(jī)而言。在折臂式隨車起重機(jī)中，變幅機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)極為重要，因其對(duì)油缸及結(jié)構(gòu)件的受力、起重機(jī)整機(jī)性能的發(fā)揮起著非常重要的作用。在中人噸位的隨車起重機(jī)設(shè)計(jì)中，變幅機(jī)構(gòu)往往設(shè)置有曲柄搖桿機(jī)構(gòu)（或稱為連桿機(jī)構(gòu)），可以極人地改善油缸的受力，并對(duì)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化有積極的影響。以某隨車起重機(jī)第一變幅機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，討論連桿機(jī)構(gòu)的計(jì)算分析及設(shè)計(jì)原則。

關(guān)鍵詞：折臂式隨車起重機(jī);連桿機(jī)構(gòu);計(jì)算分析

中圖分類號(hào)：U469.6+4收稿日期：2022-01-05

DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.04.013

本文以某型號(hào)折臂式起重機(jī)設(shè)計(jì)為例，介紹在起重機(jī)設(shè)計(jì)中變幅機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)及原則。起重機(jī)的變幅機(jī)構(gòu)一般為第一變幅機(jī)構(gòu)及第二變幅機(jī)構(gòu)。第一變幅機(jī)構(gòu)由第一變幅油缸、轉(zhuǎn)臺(tái)、第一節(jié)臂組成;第二變幅機(jī)構(gòu)由第一節(jié)臂、第二變幅油缸、第二節(jié)臂組成。由于起重機(jī)主要進(jìn)行吊載重物的動(dòng)作，故在變幅機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，主要關(guān)注變幅油缸的受力及第一、第二節(jié)臂的結(jié)構(gòu)件受力情況。

l 起重機(jī)模犁簡(jiǎn)化

本文所述的折臂式起重機(jī)，額定起升力矩為175 kN-m。經(jīng)過方案設(shè)計(jì)，可將起重機(jī)主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為如圖1所示的模型。

在圖l起重機(jī)簡(jiǎn)化模型中，油缸與臂的鉸接點(diǎn)設(shè)計(jì)極為重要。在本文所選起升力矩背景下，第二變幅機(jī)構(gòu)可不進(jìn)行曲柄搖桿設(shè)計(jì)，第二變幅油缸的受力變化曲率較人，但受力不人。選用吊臂油缸缸徑為160 mm時(shí)，其油缸受力變化曲線如圖2所示。

如圖2所示，第二變幅油缸受力最人值不到570 kN，相應(yīng)的油缸所需壓力也較小，無需進(jìn)行連桿設(shè)計(jì)，僅從結(jié)構(gòu)上保證無十涉，受力相對(duì)較小即可。

相對(duì)來說，第一變幅機(jī)構(gòu)由于力臂更大，如不考慮連桿機(jī)構(gòu)，則第一變幅油缸受力最人值為850 kN，受力較人，因此需進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，此時(shí)連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)就非常重要。

2 連桿機(jī)構(gòu)模型分析

對(duì)圖l的起重機(jī)模型做進(jìn)一步簡(jiǎn)化后，可知第一變幅機(jī)構(gòu)主要由圖3所示的五點(diǎn)位置所決定，即A、B、C、D、E的位置決定了變幅機(jī)構(gòu)的性能特性，故對(duì)連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化主要是對(duì)此五點(diǎn)的坐標(biāo)位置進(jìn)行優(yōu)化，最終確定該結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

如圖3所示，該機(jī)構(gòu)本質(zhì)上是一種曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，在連桿機(jī)構(gòu)中，能做整周回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的稱之為曲柄，只能在一定范圍內(nèi)擺動(dòng)者稱為搖桿[1]。如果連桿中有一個(gè)為曲柄，另一個(gè)為搖桿，則稱為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。成為曲柄的條件即是某個(gè)運(yùn)動(dòng)副中有周轉(zhuǎn)副存在，在本例中，D為周轉(zhuǎn)副。D成為周轉(zhuǎn)副的條件為：

BE+BC>CD+DE

（l）

DC

（2）

分析式（1）式（2）可知，組成周轉(zhuǎn)副的兩桿中必有一桿為最短桿，有最短桿參與構(gòu)成的轉(zhuǎn)動(dòng)副都是周轉(zhuǎn)副。

如圖3所示，將起重機(jī)第一變幅機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為該模型后，可將起重機(jī)所承受載荷等效為對(duì)該機(jī)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)力矩M， AB則等效為油缸作用線，A、B為油缸鉸接點(diǎn)，將起重機(jī)展開后，五點(diǎn)位置可變化為如圖4所示的模型。

通過分析可知，油缸AB作用線受力計(jì)算如下：

（3）

（4）

在圖4所示的狀態(tài)下，∠EBA=127°，∠CBA=57°，經(jīng)計(jì)算得FAB=0.83FBE即在連桿機(jī)構(gòu)作用下，油缸作用力約為無連桿機(jī)構(gòu)油缸作用力的83%，故在結(jié)構(gòu)空問尺寸允許的狀況下，變幅機(jī)構(gòu)增加連桿機(jī)構(gòu)可在一定程度上優(yōu)化油缸的受力。在初步確定了連桿機(jī)構(gòu)位置后，另一項(xiàng)重要工作即為優(yōu)化連桿機(jī)構(gòu)鉸接點(diǎn)位置，以對(duì)油缸受力情況進(jìn)行優(yōu)化。

3 連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在變幅機(jī)構(gòu)油缸的實(shí)際受力中，通過手動(dòng)分析計(jì)算僅是初步確定各結(jié)構(gòu)尺寸的受力關(guān)系，在確定了邊界條件后，對(duì)連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析。本文所示的變幅機(jī)構(gòu)在對(duì)鉸接點(diǎn)位置進(jìn)行了微調(diào)后，對(duì)油缸受力情況進(jìn)行了優(yōu)化。油缸的受力優(yōu)化分為兩個(gè)方面：

a.減小油缸所受最人推力：b.在起重機(jī)變幅運(yùn)動(dòng)過程中，使變幅油缸的受力變化范圍減小，即使油缸受力曲線更加平緩，減小受力沖擊。

針對(duì)以上內(nèi)容，在本文中所限定的起重機(jī)第一變幅機(jī)構(gòu)外形尺寸約束下，對(duì)鉸接點(diǎn)C、D、E的位置進(jìn)行微調(diào)，在軟件分析的幫助下，對(duì)油缸受力前的分析如圖5所示。

在對(duì)鉸接點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整后，油缸受力前的分析如圖6所示。

如圖6所示，第一變幅機(jī)構(gòu)油缸在受力優(yōu)化前最大值為700 kN，且局部曲線變化斜率較人，不利于變幅機(jī)構(gòu)穩(wěn)定，在對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整后，油缸優(yōu)化后最大值為650 kN，且油缸受力曲線趨于平緩，達(dá)到了變幅機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

在油缸最人壓力分析完成后，另一項(xiàng)重要工作是確定油缸缸徑、安裝距及行程，以確定最終起重機(jī)方案的布置。在本例中，根據(jù)油缸最人受力分析，初選第一變幅機(jī)構(gòu)油缸缸徑為180 mm，第二變幅機(jī)構(gòu)油缸缸徑為160 mm，綜合計(jì)算后，對(duì)兩油缸所需的壓力進(jìn)行分析，并最終確定起重機(jī)安裝空間及外形尺寸。

根據(jù)上述油缸受力變化，在對(duì)油缸選型后，計(jì)算油缸所受壓力并分析，如圖7所示。

通過圖7可知，經(jīng)過綜合選型，將油缸壓力控制住26 MPa左右，并考慮液壓系統(tǒng)背壓，起重機(jī)系統(tǒng)壓力確定為30 MPa即可滿足系統(tǒng)要求。

在變幅機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的過程中，可進(jìn)一步分析油缸所需行程的位置，從而確定油缸所需最大行程。在此基礎(chǔ)上，可由油缸缸徑及安裝距進(jìn)一步論證油缸設(shè)計(jì)的合理性，根據(jù)油缸安裝距及行程，最終設(shè)計(jì)變幅油缸。在本義所運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，油缸工作行程曲線如圖8所示。

經(jīng)上述分析可知，起重機(jī)變幅機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要綜合考慮的方面很多，既要考慮油缸實(shí)際受力工況，也要考慮油缸的外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否可滿足起重機(jī)整機(jī)布置情況，因?yàn)樵谡郾凼诫S車起重機(jī)設(shè)計(jì)中，對(duì)外形尺寸的要求越來越嚴(yán)，使得起重機(jī)設(shè)計(jì)需重點(diǎn)關(guān)注重要機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及布置，其中變幅機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是重中之重，因?yàn)樽兎鶛C(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)直接影響到起重機(jī)的起升性能，并確定了整機(jī)的液壓系統(tǒng)工作流量及壓力情況。

在變幅機(jī)構(gòu)完成初步計(jì)算后，一般需對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，以進(jìn)一步確認(rèn)分析結(jié)果。在本文所受壓力狀況下，對(duì)變幅機(jī)構(gòu)受力仿真分析如圖9所示。

由圖9分析可知，該變幅機(jī)構(gòu)的最人剪切應(yīng)力約為528 MPa，符合高強(qiáng)材質(zhì)鋼板的強(qiáng)度要求，該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案合理、可行。

4 結(jié)語

起重機(jī)連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)作為變幅機(jī)構(gòu)的重要組成部分，對(duì)起重機(jī)的設(shè)計(jì)布置起著重要作用，起重機(jī)設(shè)計(jì)的成功與否，與各機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)關(guān)系極人。變幅機(jī)構(gòu)作為起重機(jī)的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是影響起重機(jī)起升性能的重點(diǎn)所在，故在設(shè)計(jì)過程中，對(duì)變幅機(jī)構(gòu)及連桿機(jī)構(gòu)應(yīng)做系統(tǒng)性分析，充分考慮影響該機(jī)構(gòu)的各個(gè)方面，以系統(tǒng)地進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，從而最終確定起重機(jī)布置方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫恒，陳作摸，葛文杰.機(jī)械原理[M].北京：高等教育出版社，2013

作者簡(jiǎn)介：

李聰，男，1987年生，工程師，研究方向?yàn)榱鲃?dòng)式起重機(jī)及起重裝置。785FB949-08A6-471D-8783-37112E228E33