王佳怡， 廉哲滿

（延邊大學(xué) 機械工程學(xué)科，吉林 延吉133002）

1 引 言

汽車起重機就是將起重作業(yè)部分安裝在通用或?qū)Ｓ闷嚨妆P上的起重機，并具有載重汽車的行駛性能。汽車起重機由于具有動作靈活、集成化程度高、功率大、穩(wěn)定性好、操作方便等優(yōu)點，廣泛受到各工程的青睞，在現(xiàn)代化生產(chǎn)過程中應(yīng)用得越來越廣。汽車起重機主要由起升、變幅、回轉(zhuǎn)、起重臂和汽車底盤組成［1］。為保證安全，汽車起重機往往采用加大安全系數(shù)的方法，使吊臂粗大笨重。因此，減輕起重機自重，對提高整機經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)有重要意義。本文將針對此問題進(jìn)行具體分析，提出改進(jìn)方案，并完成了優(yōu)化設(shè)計。

2 建立汽車起重機的三維模型

2.1 總體方案的確定

小型汽車起重機底盤的選擇是根據(jù)汽車起重機總重量約為120%到140%的起重量來選擇，即將汽車滿載后的總重量乘上0.70～0.83 得到的數(shù)值為改裝后的起重機最大額定起重量［2］。支架選擇為蛙式支腿。因為結(jié)構(gòu)簡單、液壓缸數(shù)量少（一條腿一個液壓缸）、且重量輕，較適用于小型起重機。汽車起重機整體重量約為700kg，其中心距離在3.1～3.5m 范圍內(nèi)變化。本汽車起重機的吊臂頂部配有裝載箱，與其他汽車起重機的吊具裝置（(吊鉤、吊環(huán)等）有所不同。本汽車起重機結(jié)構(gòu)簡單，底座部分的起重操縱按鈕裝置，替代了以往的獨立起重操縱室。

2.2 主要技術(shù)性能參數(shù)

汽車起重機的主要技術(shù)性能參數(shù)如表1 所示，是起重機工作性能指標(biāo)，也是最終檢驗研究方案是否可行的主要參照依據(jù)，包括起重量、工作幅度、起重力矩、起升高度、工作速度、自重、通過性能等。

表1 技術(shù)性能參數(shù)

2.3 基于Pro/E 三維模型的建立

汽車起重機的總裝圖如圖1所示，是由起重機支架、底座、起重機旋轉(zhuǎn)支撐裝置、起重機柱、起重機吊臂等組成。汽車起重機作業(yè)時，起重機支架用來將整個車體升起脫離地面，完全由支腿支承車身水平，以提高作業(yè)時的抗傾覆能力。起重機底座是汽車起重機的重要組成部分，起重機底座的結(jié)構(gòu)強度將直接影響著整個起重機的平穩(wěn)運行。起重機旋轉(zhuǎn)支撐裝置是將起重機的回轉(zhuǎn)部分支撐在固定部分上，電動機經(jīng)過減速器帶動最后一級小齒輪與裝在起重機固定部分上的大齒圈相嚙合，以實現(xiàn)起重機的回轉(zhuǎn)。起重機柱的下端與旋轉(zhuǎn)支撐裝置相連接，上端與起重機吊臂相連接且成一定角度，可通過調(diào)整其角度大小來實現(xiàn)吊臂的起升。起重機吊臂分為三節(jié)，它承受著起重機的各種外載荷，且耗鋼量大，占總機重量的20%［3］。

圖1 起重機總裝圖

3 汽車起重機有限元分析

3.1 三維模型的導(dǎo)入

建立準(zhǔn)確、可靠的計算模型是應(yīng)用有限元方法進(jìn)行汽車起重機有限元分析的重要步驟之一。ANSYS Workbench的CAD/CAE 協(xié)同環(huán)境能直接讀入各種CAD 軟件的零件模型，并在其統(tǒng)一環(huán)境中實現(xiàn)任意模型的裝配和CAE 分析，通過連接技術(shù)實現(xiàn)與CAD 軟件之間的共享。其優(yōu)點是任何CAD 和CAE 人員對設(shè)計的改變都立即反映到對方軟件環(huán)境中，從而實現(xiàn)設(shè)計與仿真的同步協(xié)同。本研究采用目前專業(yè)的三維繪圖軟件Pro/E 建立汽車起重機模型，并且在Pro/E 中對汽車起重機進(jìn)行了裝配（如圖1），并存儲為.x_t 格式直接導(dǎo)入到ANSYS Workbench 中，提高了建模的效率，為有限元分析做準(zhǔn)備。

3.2 有限元分析

（1）定義汽車起重機各個部分的材料屬性。起重機的吊臂采用高強度結(jié)構(gòu)鋼Q690D 制造，密度為7.58g/mm3，彈性模量（楊氏模量）為200GPa，泊松比為0.29，屈服強度為700MPa；起重機柱及底座材料為Q345B 制造，屈服強度為440MPa。

（2）對汽車起重機的整體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。ANSYS Workbench 可以對網(wǎng)格進(jìn)行自動劃分，但是為了取得較好的結(jié)果，需要對部分網(wǎng)格手動修改。將汽車起重機分為307，027 個單元和762，002 個節(jié)點。

（3）施加約束條件。將支架與汽車起重機底座設(shè)為固定約束，在起重機裝載箱的上部給予垂直向下的壓力3.5kN，并對起重機的總體及局部的應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行分析計算。

（4）得到分析結(jié)果。汽車起重機柱部分承受的最大應(yīng)力約為284MPa，底座部分承受最大應(yīng)力約為169MPa，如圖2、3 所示。

圖2 起重機柱應(yīng)力分布情況

圖3 起重機底座應(yīng)力分布情況

4 主要部件結(jié)構(gòu)改進(jìn)

本文通過ANSYS Workbench 中Shape Finder 模塊對研究對象的形狀進(jìn)行優(yōu)化分析。在Shape Finder 模塊中，為保證所研究對象的總體結(jié)構(gòu)不變，使體積最小化，盡可能地尋找對整體結(jié)構(gòu)強度不產(chǎn)生負(fù)面影響的可去除面積［4］。本文擬定縮減的目標(biāo)為原重量的40%。

根據(jù)分析得到的數(shù)據(jù)，對汽車起重機柱和底座提出了如下改進(jìn)方案：（1）對起重機柱和起重機底座局部進(jìn)行去除部分材料的特殊加工。（2）改變起重機柱豎直的兩塊鋼板厚度，由原來的6mm 縮減至4.5mm。

圖4、5 所示為優(yōu)化設(shè)計后的應(yīng)力分布情況。起重機柱由原來所承受的最大應(yīng)力284MPa 變?yōu)?80MPa，基本沒有發(fā)生變化，雖然底座由原來的169MPa 增長至207MPa，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Q345B 結(jié)構(gòu)鋼的最大屈服強度440MPa，完全符合設(shè)計要求。

圖4 起重機柱優(yōu)化設(shè)計后應(yīng)力分布情況

圖5 起重機底座優(yōu)化設(shè)計后應(yīng)力分布情況

5 結(jié) 語

本文根據(jù)簡式起重機的參數(shù)，利用Pro/E 軟件建立了汽車起重機的三維模型，并成功地導(dǎo)入到ANSYS Workbench 軟件中進(jìn)行了有限元分析。利用Shape Finder模塊確立了改進(jìn)方案，使汽車起重機輕量化，達(dá)到了預(yù)期成果。

通過對汽車起重機柱的優(yōu)化設(shè)計，在同等載荷作用下所承受的應(yīng)力未發(fā)生改變，且起重機柱重量由原來的85.58kg 減輕了28.96kg（約33.8%）。通過對汽車起重機底座的優(yōu)化設(shè)計，在同等載荷作用下，起重機底座由60.03kg 減輕了34.31kg（約57.1%），雖然所受應(yīng)力有些增加但完全符合設(shè)計要求。

［1］ 楊晶，李衛(wèi)民，劉玉浩.汽車起重機吊臂的有限元分析［J］.遼寧工學(xué)院學(xué)報，2007，27（3）：195-197.

［2］ 徐斌.QY25 型汽車起重機設(shè)計［D］.大連：大連理工大學(xué)，2003.

［3］ 郭克希，李國志.汽車起重機吊臂參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)研發(fā)［J］.工程圖學(xué)學(xué)報，2010（6）：80-84.

［4］ 張功學(xué)，田楊.基于ANSYS Workbench 的變速自行車車架的有限元分析［J］.微型機與應(yīng)用，2009，28（6）：63-65.