8 t 汽車起重機(jī)伸縮式主臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

朱節(jié)宏，蘇永志

（1.北海職業(yè)學(xué)院，廣西 北海 536000；2.廣西柳工機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州 545005）

0 引言

根據(jù)中國(guó)工程機(jī)械協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)，2016 年以來中國(guó)汽車起重機(jī)銷量保持高速增長(zhǎng)，年均增速超過20%，2020 年中國(guó)汽車起重機(jī)銷量為54176 臺(tái)，同比增長(zhǎng)26.1%。汽車起重機(jī)作為應(yīng)用最廣泛的工程起重機(jī)類型，因其具備機(jī)動(dòng)性好、轉(zhuǎn)場(chǎng)迅速、工作效率高的優(yōu)勢(shì)，被大量地應(yīng)用在橋梁、建筑、公路、電力、搶險(xiǎn)等工程建設(shè)當(dāng)中。汽車起重機(jī)的伸縮式主臂，作為起重作業(yè)的關(guān)鍵構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性，直接決定了起重作業(yè)的可靠性與安全性，在保持汽車起重機(jī)額定起重量不變的條件下，對(duì)伸縮式主臂進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善汽車起重機(jī)操控性能，有助于提升整機(jī)工作效率和產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。汽車起重機(jī)作為工程機(jī)械重要組成部分，其兼具工程起重作業(yè)和道路行駛功能，在全球能源緊張持續(xù)、價(jià)格高漲的形勢(shì)之下，整機(jī)的減材節(jié)能設(shè)計(jì)也是其發(fā)展的必然方向。

1 8 t 汽車起重機(jī)伸縮式主臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建模

1.1 伸縮式主臂結(jié)構(gòu)組成及額定起重量表

8 t 汽車起重機(jī)伸縮式主臂通常為三節(jié)箱型結(jié)構(gòu)，包括基本臂、二節(jié)臂、三節(jié)臂，以及主臂內(nèi)部的伸縮液壓油缸、繩排系統(tǒng)等，其外形結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該型汽車起重機(jī)伸縮臂采用同步伸縮機(jī)構(gòu)，通過內(nèi)置一個(gè)伸縮液壓油缸和滑輪組，實(shí)現(xiàn)各節(jié)臂以相同的相對(duì)速度進(jìn)行同步伸縮。另外，汽車起重機(jī)各種臂長(zhǎng)和工作幅度組合，起升機(jī)構(gòu)的額定起重量和起重高度，是要嚴(yán)格設(shè)計(jì)規(guī)定的，起重作業(yè)過程中，為了保證安全，起重量不可超過相應(yīng)的數(shù)值。不同工作幅度和主臂長(zhǎng)度組合情形下的額定起重量，如表1 所示。

表1 8 t 汽車起重機(jī)額定起重量（不含副臂）

圖1 8 t 汽車起重機(jī)伸縮式主臂結(jié)構(gòu)組成

1.2 伸縮式主臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程

考慮到ANSYS 軟件本身對(duì)復(fù)雜三維建模的能力有限[1]，所以選擇Creo 軟件進(jìn)行伸縮式主臂的參數(shù)化建模，利用ANSYS Workbench 結(jié)構(gòu)靜力分析模塊進(jìn)行8 t 汽車起重機(jī)伸縮式主臂模型應(yīng)力與變形分析。參照結(jié)構(gòu)靜力分析的結(jié)果，對(duì)伸縮式主臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)改進(jìn)，減輕伸縮式主臂的整體質(zhì)量，提高局部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和機(jī)動(dòng)性能，達(dá)到降低起重機(jī)制造成本和使用成本的目的。該汽車起重機(jī)伸縮式主臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程，如圖2 所示。

圖2 8 t 汽車起重機(jī)伸縮式主臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程

2 8 t 汽車起重機(jī)伸縮式主臂參數(shù)化建模及有限元分析

2.1 伸縮式主臂參數(shù)化建模及模型簡(jiǎn)化

在Creo 軟件中建立8 t 汽車起重機(jī)伸縮式主臂三維模型，各節(jié)臂、內(nèi)部導(dǎo)向部分、俯仰變幅油缸的裝配與伸縮式主臂各組成部分的配合關(guān)系是完全一致的。同時(shí)為了減少在ANSYS Workbench 中對(duì)幾何模型的前處理工作，在Creo 中也已添加好主臂、俯仰變幅油缸相關(guān)固定約束、載荷施加位置平面，移除聯(lián)結(jié)緊固件、重復(fù)面、過渡圓角倒角及小孔等影響網(wǎng)格質(zhì)量的缺陷。簡(jiǎn)化后的8t 汽車起重機(jī)伸縮式主臂模型由基本臂、二節(jié)臂、三節(jié)臂、俯仰變幅油缸及內(nèi)部導(dǎo)向部分等組成，外觀如圖3 所示。

圖3 伸縮式主臂結(jié)構(gòu)幾何模型（主臂7m 位置）

2.2 伸縮式主臂結(jié)構(gòu)有限元分析

在ANSYS Workbench 環(huán)境下，對(duì)伸縮式主臂進(jìn)行不同工作幅度和不同主臂長(zhǎng)度組合條件下的結(jié)構(gòu)靜力分析?？紤]到不同主臂伸縮的長(zhǎng)度和俯仰變幅液壓油缸支撐的角度，主臂各節(jié)臂所受應(yīng)力與變形的變化是非線性的，所以，通過對(duì)照8 t 汽車起重機(jī)額定起重量表，綜合考慮不同主臂長(zhǎng)度下，主臂最大起重量、最大起重力矩和工作幅度等因素[2]，選擇14 個(gè)涵蓋可能發(fā)生最大等效應(yīng)力與總變形的、不同的工作位置進(jìn)行有限元分析。該14 個(gè)工作位置分別為：

（1）主臂長(zhǎng)度為7 m 時(shí)，工作幅度3 m、3.5 m、5 m和6 m，對(duì)應(yīng)的額定起重量分別為8000 kg、7000 kg、4000 kg 和2300 kg。

（2）主臂長(zhǎng)度為12.1 m 時(shí)，工作幅度3.5 m、5 m、7.5 m 和10 m，對(duì)應(yīng)的額定起重量分別為4500 kg、3300 kg、1800 kg 和1000 kg。

（3）主臂長(zhǎng)度17.2 m 時(shí)，工作幅度3.5 m、5 m、6.5 m、7.5 m、10 m 和14 m，對(duì)應(yīng)的額定起重量分別為3100 kg、2200 kg、1800 kg、1500 kg、1000 kg 和400 kg。

選擇以上14 種伸縮式主臂工作位置進(jìn)行有限元分析，是為了對(duì)比各種條件下的最大等效應(yīng)力與總變形情況，進(jìn)而獲取伸縮式主臂各節(jié)臂在起重作業(yè)過程中最可能發(fā)生危險(xiǎn)的工作位置和具體部位，作為伸縮式主臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的參考。

2.2.1 材料屬性

這里主要考慮伸縮式主臂各節(jié)臂的應(yīng)力與變形情況，所以在ANSYS 軟件工程數(shù)據(jù)中只是創(chuàng)建汽車起重機(jī)伸縮式主臂各節(jié)臂所使用的材料Q690，并添加該鋼材相應(yīng)的性能參數(shù)，其他結(jié)構(gòu)部分所用材料默認(rèn)設(shè)置，材料屬性如表2 所示。

2.2.2 創(chuàng)建接觸、連接和劃分網(wǎng)格

伸縮式主臂各節(jié)臂之間、基本臂與俯仰變幅油缸上銷軸孔按照默認(rèn)接觸連接，各節(jié)臂的限位與導(dǎo)向也按照裝配關(guān)系默認(rèn)連接，基本臂銷軸孔位置、俯仰變幅油缸下銷軸孔位置與Ground 固定，同時(shí)為了得到均勻細(xì)密的網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸進(jìn)行了相應(yīng)的控制，使用四面體網(wǎng)格形式[3]，劃分網(wǎng)格后的幾何模型如圖4 所示。

2.2.3 載荷施加位置、大小與方向

分析8t 汽車起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)滑輪組與鋼絲繩的固定位置可知，起重機(jī)起重量分布在二節(jié)臂頭部多滑輪軸處、頂部單滑輪軸處和二節(jié)臂前端鋼絲繩固定銷軸處三個(gè)位置，受力方向與重力方向相同，同時(shí)根據(jù)該起升機(jī)構(gòu)滑輪組倍率關(guān)系可知，該三個(gè)位置分別接受額定起重量的1/6、1/6 和2/3，因此，實(shí)際的載荷施加也是按照這個(gè)比例對(duì)該三個(gè)受力位置進(jìn)行加載的，假設(shè)額定起重量為P，那么施加載荷為1.25P（按起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范靜載試驗(yàn)規(guī)定），具體加載位置如圖5 所示，A、B、C 分別為二節(jié)臂頭部多滑輪軸處、頂部單滑輪軸處和二節(jié)臂前端鋼絲繩固定銷軸處三個(gè)位置。不同工作幅度和不同主臂長(zhǎng)度的載荷施加，如表3 所示。

表3 不同工作幅度和不同主臂長(zhǎng)度的載荷施加表（根據(jù)額定起重量表計(jì)算）

圖5 載荷施加位置

2.2.4 伸縮式主臂結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力云圖和總變形云圖

通過ANSYS Workbench 對(duì)伸縮式主臂結(jié)構(gòu)有限元模型加載求解并進(jìn)行后處理，獲得各節(jié)臂的等效應(yīng)力云圖和總變形云圖[4]，從結(jié)果來看，伸縮式主臂最大等效應(yīng)力311.19 MPa 發(fā)生在基本臂上，主臂長(zhǎng)度為17.2 m、工作幅度3.5 m、額定起重量3100 kg 時(shí)；伸縮式主臂最大總變形187.63 mm 發(fā)生在三節(jié)臂上，主臂長(zhǎng)度為17.2 m、工作幅度5 m、額定起重量2200 kg時(shí)；基本臂最大等效應(yīng)力就是伸縮式主臂最大等效應(yīng)力，最大總變形18.923 mm 發(fā)生在主臂長(zhǎng)度為7 m、工作幅度為3.5 m、額定起重量7000 kg 時(shí)；二節(jié)臂最大等效應(yīng)力264.15 MPa，最大總變形78.993 mm 分別發(fā)生在主臂長(zhǎng)度為17.2 m、工作幅度3.5 m、額定起重量3100 kg 時(shí)和主臂長(zhǎng)度為17.2 m、工作幅度5 m、額定起重量2200 kg；三節(jié)臂最大應(yīng)力187.9 MPa 發(fā)生在主臂長(zhǎng)度為7 m、工作幅度為3 m、額定起重量8000 kg 時(shí)。不同工作位置的伸縮式主臂各節(jié)臂最大應(yīng)力和最大變形值，如表4 所示；伸縮式主臂各節(jié)臂最大應(yīng)力發(fā)生的工作位置的等效應(yīng)力云圖，如圖6 和圖7 所示，伸縮式主臂各節(jié)臂所用材料基本許用應(yīng)力，如表5 所示。

表4 不同工作位置各節(jié)臂最大等效應(yīng)力值和最大總變形值

表5 材料基本許用應(yīng)力（n=1.34，n 為強(qiáng)度安全系數(shù)）

圖6 主臂長(zhǎng)度為17.2 m、工作幅度為3.5 m 時(shí)的等效應(yīng)力云圖（基本臂與二節(jié)臂）

圖7 主臂長(zhǎng)度為7m、工作幅度為3m 時(shí)（最大額定起重量）的等效應(yīng)力云圖（三節(jié)臂）

分析表4 不同工作位置伸縮式主臂各節(jié)臂最大等效應(yīng)力、最大總變形，對(duì)照表5 各節(jié)臂所用材料基本許用應(yīng)力，伸縮式主臂結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力311.19 MPa小于材料基本許用應(yīng)力458.58 MPa，二節(jié)臂最大等效應(yīng)力264.15 MPa、三節(jié)臂最大等效應(yīng)力187.9 MPa，也遠(yuǎn)小于材料基本許用應(yīng)力，該汽車起重機(jī)伸縮式主臂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是足夠的，是安全的。此外，伸縮式主臂最大等效應(yīng)力發(fā)生在基本臂下方俯仰變幅油缸固定支座前端，二節(jié)臂結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力發(fā)生在與三節(jié)臂后端滑動(dòng)副位置，三節(jié)臂結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力發(fā)生在與二節(jié)臂前端滑動(dòng)副位置。

3 8 t 汽車起重機(jī)伸縮式主臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 伸縮式主臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)建模

根據(jù)伸縮式主臂靜力分析結(jié)果，該伸縮式主臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方向是在保證伸縮式主臂結(jié)構(gòu)及各節(jié)臂最大應(yīng)力滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求的前提下[5]，考慮降低主體結(jié)構(gòu)板材厚度、局部結(jié)構(gòu)增加肋板或筋板、加大構(gòu)件接觸的面積等方式，降低伸縮式主臂的整體質(zhì)量，同時(shí)對(duì)各節(jié)臂應(yīng)力集中位置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，改善應(yīng)力集中的情況，實(shí)現(xiàn)伸縮式主臂結(jié)構(gòu)更輕型化，結(jié)構(gòu)更為合理，降低制造成本。圖8 所示是優(yōu)化設(shè)計(jì)后的伸縮式主臂三維模型。

圖8 設(shè)計(jì)優(yōu)化后伸縮式主臂三維模型

優(yōu)化設(shè)計(jì)前后的伸縮式主臂各節(jié)臂質(zhì)量變化情況，見表6。經(jīng)過計(jì)算，設(shè)計(jì)優(yōu)化后的伸縮式主臂各節(jié)臂質(zhì)量的和比原來各節(jié)臂質(zhì)量的和減少了179.9kg，輕量化率約為12.61%。

表6 優(yōu)化前后伸縮式主臂各節(jié)臂質(zhì)量變化情況（單位：kg）

3.2 優(yōu)化后伸縮式主臂結(jié)構(gòu)有限元分析

對(duì)優(yōu)化后的伸縮式主臂結(jié)構(gòu)再次進(jìn)行有限元分析，確定優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性與可行性。根據(jù)對(duì)原伸縮式主臂結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果，取伸縮式主臂各節(jié)臂最大等效應(yīng)力值發(fā)生的工作位置作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化后有限元分析的工作位置，即主臂長(zhǎng)度為7 m、工作幅度為3m 時(shí)和主臂長(zhǎng)度為17.2 m，工作幅度為3.5 m 的位置。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的等效應(yīng)力云圖和總變形云圖如圖9、圖10所示，具體的最大等效應(yīng)力值和最大變形值，如表7所示。結(jié)果顯示，在主臂長(zhǎng)度為17.2m、工作幅度為3.5 m 的工作位置時(shí)，伸縮式主臂二節(jié)臂有該伸縮式主臂結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力值346.3 MPa，且小于其材料基本許用應(yīng)力，結(jié)構(gòu)是安全的，表明該優(yōu)化設(shè)計(jì)是有效的、可行的。

表7 伸縮式主臂結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力值和最大變形值（優(yōu)化后）

圖9 主臂長(zhǎng)度為7m、工作幅度為3m 時(shí)的等效應(yīng)力云圖和總變形云圖（優(yōu)化后）

圖10 主臂長(zhǎng)度為17.2m、工作幅度為3.5m 時(shí)的等效應(yīng)力云圖和總變形云圖（優(yōu)化后）

4 結(jié)語

8 t 汽車起重機(jī)伸縮式主臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，通過Creo 參數(shù)化建模和ANSYS Workbench 有限元結(jié)構(gòu)靜力分析，獲得伸縮式主臂在不同工作位置時(shí)的等效應(yīng)力與總變形極值情況和發(fā)生的部位。接著參照伸縮式主臂各節(jié)臂在主臂長(zhǎng)度7 m、工作幅度3 m 時(shí)和主臂長(zhǎng)度17.2 m、工作幅度3.5 m 時(shí)出現(xiàn)最大等效應(yīng)力這個(gè)分析結(jié)果，對(duì)伸縮式主臂各節(jié)臂進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的伸縮式主臂結(jié)構(gòu)靜力分析顯示，各節(jié)臂最大等效應(yīng)力值均未超出材料基本許用應(yīng)力，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是足夠的，同時(shí)伸縮式主臂結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量降低了12.61%，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。