一種液壓調(diào)平式伸縮臂的剛強(qiáng)度分析*

高文磊

(中國船舶集團(tuán)有限公司 第七一三研究所,河南 鄭州 450015)

0 引 言

伸縮臂叉裝車(Telescope Handler)[1]是由傳統(tǒng)叉車發(fā)展起來的,它融合了汽車起重機(jī)的伸縮臂式結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的叉裝功能,可以對較高、較遠(yuǎn)的貨物進(jìn)行叉裝作業(yè),廣泛應(yīng)用于建筑、農(nóng)業(yè)、倉儲物流等多種行業(yè)領(lǐng)域。伸縮臂作為伸縮臂叉裝車的關(guān)鍵承載部件,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性是整機(jī)性能的可靠性保障。采用理論計(jì)算與有限元仿真相結(jié)合的方法對伸縮臂的機(jī)構(gòu)進(jìn)行剛強(qiáng)度計(jì)算與分析,可以探究結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性,為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供相關(guān)的參考依據(jù)。

目前,伸縮臂的調(diào)平方式主要采用的是電控調(diào)平方式,該方式通過位置傳感器解析出伸縮臂前端屬具的位姿,進(jìn)而換算出屬具調(diào)平的運(yùn)動(dòng)信息,使屬具跟隨伸縮臂運(yùn)動(dòng)作業(yè)時(shí)一直處于水平狀態(tài)。針對采用電控調(diào)平方式的伸縮臂,桓耀輝[2]研究了不同的截面形式對伸縮臂的結(jié)構(gòu)影響;高天[3]以第二代非支配排序遺傳算法為算法基礎(chǔ),結(jié)合Isight優(yōu)化平臺對伸縮臂的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化;Jia Yao等[4]采用隱式和顯式相結(jié)合的方法對全地形起重機(jī)QAYX伸縮臂進(jìn)行了幾何、材料和狀態(tài)非線性有限元分析,討論了利用位移、應(yīng)變和應(yīng)力獲得的臨界屈曲載荷,其中利用應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)換獲得的載荷最接近實(shí)驗(yàn)臨界屈曲載荷。

采用電控調(diào)平的伸縮臂結(jié)構(gòu)較為簡單,研究內(nèi)容較為成熟。但是,電控調(diào)平的成本較高,且調(diào)平響應(yīng)存在著滯后的現(xiàn)象,這對精度要求較高的作業(yè)來說存在著一定的安全隱患。為了解決電控調(diào)平存在的上述不足,液壓調(diào)平方式逐漸被研究并推廣運(yùn)用。

而液壓調(diào)平式的伸縮臂結(jié)構(gòu)研究成果較少,基于此,筆者以一種液壓調(diào)平方式的伸縮臂為研究對象,運(yùn)用理論分析和有限元仿真相互結(jié)合的方式,對其結(jié)構(gòu)在多種極限工況下的剛強(qiáng)度情況進(jìn)行計(jì)算,為結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、加強(qiáng)、改進(jìn)提供參考依據(jù)。

1 三維模型建立

1.1 液壓調(diào)平式伸縮臂結(jié)構(gòu)概述

所述的液壓調(diào)平式伸縮臂主要由基本臂、一伸臂、二伸臂、臂頭、伸縮油缸、翻轉(zhuǎn)油缸、俯仰油缸、調(diào)平油缸等組成,如圖1所示。伸縮臂主要用于調(diào)節(jié)負(fù)載重量的伸縮長度,主要靠伸縮油缸帶動(dòng)進(jìn)行伸縮控制。其中,一伸臂與二伸臂內(nèi)部串聯(lián)鏈條,在鏈條的帶動(dòng)下可以進(jìn)行同步的伸縮。

圖1 液壓調(diào)平式伸縮臂結(jié)構(gòu)

伸縮臂臂頭鉸接貨叉屬具,通過翻轉(zhuǎn)油缸調(diào)節(jié)貨叉屬具的翻轉(zhuǎn)角度。俯仰油缸兩端分別與伸縮臂和支座鉸接,通過油缸的動(dòng)作帶動(dòng)伸縮臂進(jìn)行俯仰動(dòng)作。伸縮臂尾部連接調(diào)平油缸,調(diào)平油缸的有桿腔和無桿腔分別通過高壓油管與翻轉(zhuǎn)油缸的有桿腔和無桿腔連接在一起,實(shí)現(xiàn)貨叉功能模塊隨伸縮臂俯仰動(dòng)作時(shí)的調(diào)平功能[5]。

1.2 模型建立

根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)和初始計(jì)算參數(shù),運(yùn)用三維軟件Creo對伸縮臂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)體建模。在建模時(shí),考慮后續(xù)的仿真分析,對整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度影響不大的特征元素進(jìn)行了簡化,并去除不影響計(jì)算的拖鏈等相關(guān)附件,建立的伸縮臂三維模型如圖2所示。

圖2 伸縮臂三維模型

2 理論分析

2.1 極限工況分析

設(shè)計(jì)的伸縮臂的主要技術(shù)指標(biāo)有:①伸縮臂的變幅角度范圍為-3°～65°;②伸縮臂處于全縮狀態(tài)時(shí)承載2 000 kg,處于半伸狀態(tài)時(shí)承載1 000 kg,處于全伸狀態(tài)時(shí)承載500 kg。因此,伸縮臂的極限工況主要有如下六種情況:伸縮臂全縮狀態(tài)下,俯仰狀態(tài)分別位于-3°、65°時(shí)的工作狀態(tài);伸縮臂半縮狀態(tài)下,俯仰狀態(tài)分別位于-3°、65°時(shí)的工作狀態(tài);伸縮臂全伸狀態(tài)下,俯仰狀態(tài)分別位于-3°、65°時(shí)的工作狀態(tài)。文中的計(jì)算分析主要針對以上六種極限工作狀態(tài)開展。

2.2 調(diào)平油缸受力計(jì)算

設(shè)計(jì)的液壓調(diào)平伸縮臂主要調(diào)平特點(diǎn)為:翻轉(zhuǎn)油缸與調(diào)平油缸選用同等規(guī)格的液壓油缸;調(diào)平油缸的有桿腔和無桿腔分別通過高壓油管與翻轉(zhuǎn)油缸的有桿腔和無桿腔連接在一起[6]。因此,通過計(jì)算翻轉(zhuǎn)油缸的受力大小便可換算得到調(diào)平油缸的大小。

以全縮狀態(tài)下的伸縮臂結(jié)構(gòu)為例簡化伸縮臂的受力分析,示意圖如圖3所示。

圖3 伸縮臂受力分析示意圖

根據(jù)力矩的平衡原理有:

∑M=G負(fù)載×l負(fù)載+G貨叉×l貨叉-F×l油缸=0

伸縮臂全縮狀態(tài)下的最大負(fù)載為2 000 kg。根據(jù)上述公式可求得伸縮臂在-3°和65°狀態(tài)下的翻轉(zhuǎn)油缸力F分別為145 354 N和128 073 N。同理,可計(jì)算出半伸狀態(tài)與全伸狀態(tài)時(shí),伸縮臂在-3°和65°狀態(tài)下的翻轉(zhuǎn)油缸力F,整理后結(jié)果如表1所列。

表1 翻轉(zhuǎn)油缸在不同狀態(tài)下的滿載受力表

3 有限元分析

3.1 仿真分析模型創(chuàng)建

將Creo中創(chuàng)建的三維模型導(dǎo)入到Abaqus CAE分析軟件中。在有限元軟件中做如下處理。

(1) 去除對計(jì)算結(jié)果影響不大的特征以減少模型的計(jì)算量。

(2) 伸縮臂所用材質(zhì)為Q460C,彈性模量E=210 000 MPa,泊松比μ=0.3。

(3) 貨叉為外購標(biāo)準(zhǔn)件,此次分析主要考察伸縮臂,將貨叉作為剛體處理。

根據(jù)零件尺寸大小,采取合適的方式分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分,伸縮臂主體選用十結(jié)點(diǎn)二次四面體單元C3D10網(wǎng)格,劃分了147 077個(gè)網(wǎng)格,劃分后的有限元模型如圖4所示。

圖4 伸縮臂有限元模型

3.2 仿真結(jié)果

圖4為伸縮臂全縮狀態(tài)下,俯仰角為-3°時(shí)的有限元模型。設(shè)定俯仰油缸鉸接點(diǎn)處以及伸縮臂與支座的鉸接點(diǎn)處固定。并對貨叉和調(diào)平油缸鉸接點(diǎn)處加載相應(yīng)的外力進(jìn)行計(jì)算求解。得到的結(jié)果如圖5所示。同理,可得到伸縮臂結(jié)構(gòu)在其它極限工況下的仿真結(jié)果,如圖6～10所示。

圖5 伸縮臂仿真結(jié)果(全縮,-3°)

圖6 伸縮臂仿真結(jié)果(全縮,65°)

圖7 伸縮臂仿真結(jié)果(半伸,-3°)

圖8 伸縮臂仿真結(jié)果(半伸,65°)

圖9 伸縮臂仿真結(jié)果(全伸,-3°)

圖10 伸縮臂仿真結(jié)果(全伸,65°)

從圖5～10的仿真結(jié)果可以看出:①伸縮臂在受載狀況下,結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力較小,最大應(yīng)力主要集中在油缸鉸接點(diǎn)處和臂頭處,這些部位均為結(jié)構(gòu)的主要支撐受力區(qū)域,仿真結(jié)果與理論實(shí)際是相吻合的;②伸縮臂在六種極限工況下的最大應(yīng)力為428.3 MPa,小于選用材料Q460C的屈服強(qiáng)度,滿足使用要求;③在受載狀況下,伸縮臂結(jié)構(gòu)的最大位移發(fā)生在臂頭處,這和實(shí)際情況是一致的,仿真結(jié)果可為設(shè)計(jì)提供參考;④整體位移變動(dòng)范圍在2.07～3.24 mm之間,形變較小,滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 語

文中以一種液壓調(diào)平式的伸縮臂機(jī)構(gòu)為研究對象,分析了其工作狀態(tài)下的極限工況。通過理論計(jì)算與有限元數(shù)值仿真相結(jié)合的方式,對伸縮臂在六種極限工況下的受力狀態(tài)進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度滿足使用需求,為伸縮臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。