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汽車(chē)起重機(jī)吊臂結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化(留存版)

  

【正文】 況和趨勢(shì),了解該項(xiàng)目研究的背景,并指出當(dāng)前汽車(chē)起重機(jī)存在的主要問(wèn)題,通過(guò)介紹有限元分析的意義,最終得出用ANSYS分析軟件對(duì)吊臂進(jìn)行有限元分析的必要性。 項(xiàng)目研究的背景和意義目前汽車(chē)起重機(jī)主要存在一下幾個(gè)問(wèn)題:(1)汽車(chē)起重機(jī)設(shè)計(jì)主要以經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)為主,缺乏科學(xué)的數(shù)值分析。中國(guó)汽車(chē)式起重機(jī)已經(jīng)大量使用PLC可編程集成控制技術(shù),帶有總線接口的液壓閥塊,液壓馬達(dá),油泵等控制和執(zhí)行元件已較為成熟,液壓和電器已實(shí)現(xiàn)了緊密的結(jié)合。汽車(chē)起重機(jī)的主要工作部分是吊臂,通過(guò)調(diào)研了解吊臂伸縮與起升的基本原理和確定吊臂所受的載荷狀態(tài),利用起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)完成對(duì)一個(gè)額定起重量為8噸的3節(jié)伸縮式吊臂的設(shè)計(jì),該設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括:各節(jié)吊臂尺寸的確立,伸縮液壓缸、鋼絲繩和滑輪及滑輪組的選擇。通過(guò)先導(dǎo)比例手柄實(shí)現(xiàn)比例輸送多種負(fù)荷的無(wú)級(jí)調(diào)速,有效防止起重作業(yè)時(shí)的二次下滑現(xiàn)象,極大的提高了起重作業(yè)的安全性、可靠性和作業(yè)效率[1,2]。 隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的日趨成熟,設(shè)計(jì)人員迫切需要一種對(duì)所做的設(shè)計(jì)進(jìn)行精確評(píng)價(jià)和分析的工具,而不再僅僅依靠以往積累的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)去估計(jì)。與塔式起重機(jī)相比,其起升高度小,幅度小且幅度利用率低[5]。在額定起升高度以內(nèi)可選用任一伸出長(zhǎng)度,用完后將各節(jié)吊臂收藏在第一節(jié)吊臂內(nèi),便于吊車(chē)的移動(dòng)。(c)額定總起重量:起重機(jī)在各種工況和規(guī)定使用條件下所允許起吊的最大總起重量。(6)倍率動(dòng)滑輪組的承載鋼絲繩數(shù)與引入卷筒的鋼絲繩數(shù)之比。參見(jiàn)《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》起重機(jī)利用等級(jí)表,如表32 所示,可以選擇起重機(jī)的利用等級(jí)為U5,起重機(jī)的使用情況為,經(jīng)常中等的使用。帶入31式可得=++500=18300,=5150mm、分別為各節(jié)吊臂的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度,若假設(shè)為臂頭滑輪中心離基本臂端面的距離,則基本臂結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度加上即為基本臂的工作長(zhǎng)度,=+,而=+。表36 缸筒內(nèi)徑(GB 2348—80)(mm)810121620253240506380100125160200250320400(2)活塞桿的設(shè)計(jì)計(jì)算活塞桿直徑d一般按液壓缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度比計(jì)算,公式如下:式中:D—液壓缸直徑,往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度比,參見(jiàn)表37,選擇=2。將上述值帶入式(34)可得C=。 鋼絲繩出入鋼絲繩繩槽的偏角過(guò)大時(shí)(5176。(3)滑輪組的確定由鋼絲繩依次繞過(guò)若干動(dòng)滑輪和定滑輪而組成的裝置稱為滑輪組,滑輪組根據(jù)功能可分為增速滑輪組和省力滑輪組。系數(shù)的取值方法如下:當(dāng)時(shí),=;當(dāng)時(shí)。(e)伸臂鋼絲繩拉力為起升鋼絲繩通過(guò)伸臂滑輪對(duì)第三節(jié)吊臂的拉力(待求)。顯然,如果插值函數(shù)滿足一定的要求,隨著單元數(shù)量的增加,求解的精度會(huì)不斷提高而最終收斂于確解。由于本項(xiàng)目采用按照全局坐標(biāo)系進(jìn)行建模的方法,故可將重力加速度g分解為。利用Pro/E中拉伸、旋轉(zhuǎn)等特性,建立典型零件的三維模型如圖61所示:圖61 吊臂支撐架和起升滑輪的零件圖 吊臂的裝配當(dāng)前流行的裝配方式分為兩種:自底向上的裝配方式和自頂向下的裝配方式。 第二節(jié)吊臂的減重可行性分析,—,現(xiàn)在將其整體鋼板厚度分別改為11mm和10mm,施加同樣的載荷和約束,經(jīng)過(guò)求解后得其位移和應(yīng)力分布云圖如圖6圖69和圖6圖611所示:圖68 第二節(jié)吊臂鋼板厚度為11mm時(shí)位移分布云圖圖69 第二節(jié)吊臂鋼板厚度為11mm時(shí)應(yīng)力分布云圖圖610第二節(jié)吊臂鋼板厚度為10mm時(shí)位移分布云圖圖611第二節(jié)吊臂鋼板厚度為10mm時(shí)應(yīng)力分布云圖當(dāng)?shù)诙?jié)吊臂鋼板的厚度減為10mm時(shí),這仍在16Mn的安全范圍之內(nèi),%左右,也可以達(dá)到減少整機(jī)重量的目的。根據(jù)有關(guān)資料介紹,美國(guó)貝爾(BelL)飛機(jī)公司采用優(yōu)化方法解決具有450個(gè)設(shè)計(jì)變量曲結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題,使一個(gè)飛機(jī)機(jī)翼的質(zhì)量減輕廣35%。圖512基本臂位移分布云圖513基本臂應(yīng)力分布云圖綜上結(jié)果,得出:,位于二節(jié)臂的頂端;最大應(yīng)力出現(xiàn)在二節(jié)臂與基本臂通過(guò)滑塊接觸部位,—,這在16Mn的強(qiáng)度范圍之內(nèi)。(4)定義材料屬性本文中需要定義的材料屬性分別為:楊氏模量為,泊松比為,密度為。第5章 基于ANSYS的吊臂力學(xué)模型結(jié)構(gòu)分析(1)有限元方法的概述有限元方法是用于求解各類實(shí)際工程問(wèn)題的方法。Ⅳ.迎風(fēng)面積起重機(jī)結(jié)構(gòu)和物品的迎風(fēng)面積,按其凈面積與最不利風(fēng)向的垂直投影面積計(jì)算。(2)起升載荷起升載荷是指起升質(zhì)量的重力,起升質(zhì)量包括允許起升的最大物品,取物裝置(下滑輪組、吊鉤、吊梁、抓斗、容器、起重電磁鐵等)、以及懸掛撓性件和其他隨同升降的設(shè)備質(zhì)量。 ②對(duì)于流動(dòng)式起重機(jī),建議取e=18,與工作級(jí)別無(wú)關(guān)。承受大載荷的滑輪,為了減輕重量,多做成筋板帶孔的結(jié)構(gòu),用強(qiáng)度不低于鑄鐵HT200、球鐵QT4017和鑄鋼ZG230450等材料制造。(2)起升用鋼絲繩直徑的設(shè)計(jì)計(jì)算鋼絲繩的直徑d可通過(guò)下式計(jì)算即 (33)式中:C—選擇系數(shù); S—鋼絲繩最大工作靜拉力。下地板一般做的比上底板后些,一方面可以使截面中性軸下移,從而減少下底板上的壓縮應(yīng)力,一方面滿足下底板局部應(yīng)力的需要,為了減輕自重,吊臂應(yīng)盡量做成等強(qiáng)度式梁。表35 起重機(jī)吊臂節(jié)數(shù)最大起升高度H(m)1015161920293040吊臂節(jié)數(shù)K3233445(1)吊臂各節(jié)尺寸的確定經(jīng)查閱資料,得知吊臂最短工作長(zhǎng)度為==7500mm。由于本設(shè)計(jì)為8噸,參見(jiàn)《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》不同類型起重機(jī)使用壽命表,如表31所示,可知Y=10年。(c)總起升高度:起升高度與下放深度之和。 液壓缸相對(duì)與活塞桿縮回時(shí),帶動(dòng)第二節(jié)吊臂縮回;縮臂鋼絲繩一端通過(guò)銷軸與第三節(jié)吊臂左端相接,經(jīng)過(guò)縮臂滑輪,另一端通過(guò)銷軸與基本臂右端相接, 液壓缸縮回過(guò)程中,直接帶動(dòng)第二節(jié)吊臂縮回,而縮臂鋼絲繩長(zhǎng)度是不變的,鋼絲繩下端變長(zhǎng),另一端隨之運(yùn)動(dòng),通過(guò)縮臂滑輪帶動(dòng)第三節(jié)吊臂縮回[7,8]。為了進(jìn)一步增加吊臂伸出長(zhǎng)度,在吊臂頂端安裝一節(jié)或兩節(jié)挺桿(副臂),可將較輕的貨物舉升到更高的空間。再次,通過(guò)有限元分析結(jié)果完成了對(duì)吊臂尺寸的簡(jiǎn)單優(yōu)化并進(jìn)行了簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。(5)開(kāi)創(chuàng)自我空間占領(lǐng)市場(chǎng)[3,4]。在不久的將來(lái),我國(guó)的汽車(chē)式起重機(jī)行業(yè)一定會(huì)發(fā)展成為一個(gè)發(fā)展穩(wěn)定,市場(chǎng)化程度高的成熟產(chǎn)業(yè)。并用CAD軟件對(duì)吊臂進(jìn)行三維零件圖及裝配圖和二維工程圖的繪制,根據(jù)調(diào)研所得吊臂伸縮和變幅速度與時(shí)間關(guān)系完成吊臂工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。 國(guó)內(nèi)外汽車(chē)起重機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)國(guó)外汽車(chē)起重機(jī)發(fā)展趨勢(shì)為:(1)設(shè)計(jì)、制造的計(jì)算機(jī)化、自動(dòng)化。鑒于這種目的,人們希望將工程領(lǐng)域里廣泛應(yīng)用的有限元分析方法與CAD技術(shù)相集成,共同實(shí)現(xiàn)“設(shè)計(jì)—評(píng)價(jià)—再設(shè)計(jì)”任務(wù)的自動(dòng)化,以縮短設(shè)計(jì)和分析的循環(huán)周期,增加產(chǎn)品和工程的可靠性,采用優(yōu)化設(shè)計(jì),降低材料的消耗和成本。 汽車(chē)起重機(jī)的分類(1)按起重量大小分類起重量312t為小型;1650t為中型;65125t為大型;125t以上為特大型?;A(chǔ)吊臂下端用軸鉸接在轉(zhuǎn)臺(tái)架上,而吊臂中后部由變幅液壓缸鉸接,變幅液壓缸下端用軸也支承在轉(zhuǎn)臺(tái)架上。(d)最大額定總起重量:起重機(jī)用基本臂處于最小額定幅度,用支腿進(jìn)行起吊的額定總起重量,以此作為起重機(jī)的名義起重量。(7)起升速度在平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)時(shí),起吊物品的垂直位移速度[9]。表31 幾種不同類型的起重機(jī)的使用等級(jí)起重機(jī)類型使用壽命(年)汽車(chē)起重機(jī)(通用汽車(chē)底盤(pán))10輪胎起重機(jī)和汽車(chē)起重機(jī)(專用底盤(pán))起重量(t)小于161116~4012>40~10013大于10015塔式起重機(jī)小于1010等于和大于1016橋式和門(mén)式起重機(jī)工作級(jí)別、220履帶起重機(jī)10門(mén)座和鐵路起重機(jī)25表32 起重機(jī)利用等級(jí)利用等級(jí)總的工作循環(huán)次數(shù)N起重機(jī)使用情況利用等級(jí)總的工作循環(huán)次數(shù)N起重機(jī)使用情況5經(jīng)常中等的使用1不經(jīng)常繁忙使用不經(jīng)常使用24繁忙的使用經(jīng)常清閑的使用4(2)起重機(jī)的載荷狀態(tài)載荷狀態(tài)是起重機(jī)分級(jí)的另一個(gè)基本參數(shù),它表明起重機(jī)的主要機(jī)構(gòu)—起升機(jī)構(gòu)受載的輕重程度。得出=6900mm??傻贸觯篸=;參見(jiàn)表38,選擇d=45mm。本項(xiàng)目采用雙聯(lián)滑輪組,其最大工作靜拉力S為 (35)式中:即。),繩槽側(cè)壁將受到很大橫向力的作用,容易使槽口損壞,使鋼絲繩脫槽,為了減小鋼絲繩的磨損,在滑輪繩槽中可用鋁或聚酰胺作為墊襯材料,這使滑輪構(gòu)造復(fù)雜,只有當(dāng)鋼絲繩很長(zhǎng),在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上要求較高時(shí),才推薦使用。按照構(gòu)造特點(diǎn)分為單聯(lián)滑輪組和多聯(lián)滑輪組,本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的汽車(chē)起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的滑輪組為雙聯(lián)滑輪組。式中 —穩(wěn)定起升速度,與起升吊具有關(guān),由空載電動(dòng)機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速導(dǎo)出;—起升載荷級(jí)別系數(shù),表41所示—起升載荷最小動(dòng)載系數(shù),與起升狀態(tài)級(jí)別有關(guān),表41所示根據(jù)起重機(jī)械的動(dòng)力特性,起重機(jī)的起升狀態(tài)分為四種級(jí)別,本項(xiàng)目將其取為,起升載荷施加到吊臂上的力為。由上述力得出平衡方程如下[11]:式中。從理論上講,無(wú)限增加單元的數(shù)量,可以得到問(wèn)題的精確解,但此舉必會(huì)導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間的無(wú)限增加,因此,在解決實(shí)際工程過(guò)程中,求解所得的數(shù)據(jù)只要滿足工程需要即可[]。Ⅱ.其他外載荷的施加,加在所設(shè)的位置即可。自底向上的裝配,需要先創(chuàng)建好組成裝配體的各個(gè)元件,然后按照一定的裝配順序依次將其組裝為組件。,這已經(jīng)接近16Mn的許用應(yīng)力,故暫時(shí)不作優(yōu)化。圖64 吊臂伸縮階段速度和時(shí)間關(guān)系圖65 吊臂變幅階段速度和時(shí)間的關(guān)系 吊臂的減重可行性分析優(yōu)化設(shè)計(jì)是從20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的,將最優(yōu)化原理與計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于設(shè)計(jì)領(lǐng)域的科學(xué)設(shè)計(jì)方法,已經(jīng)在機(jī)械、寧航、電機(jī)、石油、化工、建筑、造船、輕工等各個(gè)行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用,獲得顯著的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)效益。圖511基本臂的在Pro/E中建立的三維模型,只是約束和載荷情況不同()在此不做贅述,經(jīng)過(guò)求解,后處理后得到基本臂的位移分布云圖和應(yīng)力云圖如圖512,513所示。 (3)定義實(shí)常數(shù)吊臂單元厚度為8mm。圖48 基本臂橫向平面受力情況 本章小結(jié)本章主要通過(guò)分析吊臂的垂直載荷、偏擺載荷、鋼絲繩載荷和風(fēng)載荷,確定了起重機(jī)吊臂所受的載荷情況,建立了吊臂在極端工況下受力模型,詳細(xì)分析并計(jì)算出各節(jié)吊臂在變幅平面和橫向平面的受力情況,為下節(jié)用ANSYS進(jìn)行有限元分析提供數(shù)據(jù)。表42 起重機(jī)計(jì)算風(fēng)壓(N/m2)(GB381
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