□ 閻慧杰 □ 許 琛 □ 張 鋒

山西航天清華裝備有限責(zé)任公司 山西長治 046000

1 設(shè)計(jì)背景

隨著我國社會(huì)的進(jìn)步與科技的發(fā)展,工程設(shè)備開發(fā)技術(shù)也得到了大幅提高。在機(jī)械工程領(lǐng)域,各類工程機(jī)械產(chǎn)品取得了日新月異的發(fā)展,隨車起重機(jī)就是一種安裝在汽車固定底盤車架上的便捷式工程機(jī)械產(chǎn)品。隨車起重機(jī)主要分為兩種形式,即直臂式隨車起重機(jī)和折臂式隨車起重機(jī)。其中折臂式隨車起重機(jī)一般通過液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)臂體實(shí)現(xiàn)多幅伸縮、回轉(zhuǎn)、吊運(yùn)以及升降等功能,具有高效便捷、反應(yīng)快速、操作靈活等基本特性,因此被廣泛應(yīng)用于工地吊裝、搶救救援、車站碼貨、倉儲(chǔ)吊運(yùn)等多個(gè)場所。筆者針對(duì)某型號(hào)折臂式隨車起重機(jī)進(jìn)行討論研究,該折臂式隨車起重機(jī)由底座總成、立柱、動(dòng)臂液壓缸、動(dòng)臂、吊臂和吊臂液壓缸等組成,如圖1所示。底座總成是該隨車起重機(jī)的重要組成部分,該部分的設(shè)計(jì)質(zhì)量決定了整機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性,該底座總成主要通過雙頭螺柱、副梁、襯板以及相關(guān)連接件固定在某越野車底盤大梁上,底座總成通過焊接方式固定在副梁上,在副梁上增添了限位塊,防止底座總成前后滑移竄動(dòng),也改善了雙頭螺柱的彎矩受力情況,同時(shí)通過齒輪齒條結(jié)構(gòu),將吊機(jī)中的立柱結(jié)構(gòu)與底座總成連接起來,實(shí)現(xiàn)了立柱的360°回轉(zhuǎn)作業(yè)功能。

在隨車起重機(jī)作業(yè)過程中,底座總成承受的彎矩最大。底座是底座總成主要承載部件,筆者針對(duì)底座進(jìn)行了載荷計(jì)算和分析,使用NX8.5三維設(shè)計(jì)軟件建立該隨車起重機(jī)底座的三維模型,根據(jù)隨車起重機(jī)作業(yè)極限工況,利用有限元分析軟件進(jìn)行載荷仿真分析,從而獲得最大承載作業(yè)工況下底座的強(qiáng)度和剛度分布云圖,為整體設(shè)計(jì)提供可靠的仿真數(shù)據(jù)支持,為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)工作提供現(xiàn)實(shí)的理論依據(jù)。

圖1 折臂式隨車起重機(jī)結(jié)構(gòu)

2 底座總成結(jié)構(gòu)

底座總成是折臂式隨車起重機(jī)支撐立柱、動(dòng)臂、吊臂、立柱實(shí)現(xiàn)360°回轉(zhuǎn)的重要部件,同時(shí)是連接底盤的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件,主要為隨車起重機(jī)提供與副梁連接的安裝平臺(tái)和起吊作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定支撐。底座總成由底座、手拉梁、支腿三部分組成,如圖2所示。

圖2 底座總成結(jié)構(gòu)

底座為底座總成中的基本結(jié)構(gòu)件,由支座和橫梁構(gòu)成。支座由水平筒、立筒、支撐板、圍板、筋板等焊接而成,立筒用于安裝立柱,水平筒用于安裝回轉(zhuǎn)油缸。為提高底座的防水性,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中盡可能減少開放結(jié)構(gòu),對(duì)于開放結(jié)構(gòu)采取了一定的防水措施。橫梁為箱形體結(jié)構(gòu),采用四塊鋼板拼焊而成,減少了焊接變形。橫梁底部焊接加強(qiáng)板,增強(qiáng)了隨車起重機(jī)與底盤安裝部位的強(qiáng)度,橫梁口部設(shè)置端板,采用半包圍結(jié)構(gòu),增加了與手拉梁接觸部位的強(qiáng)度和剛度,底座結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 底座結(jié)構(gòu)

3 工作機(jī)制

底座總成為可翻轉(zhuǎn)支腿結(jié)構(gòu)形式,空間結(jié)構(gòu)緊湊,使用雙頭螺柱安裝在底盤大梁上,且對(duì)底盤大梁間距裝配工藝適應(yīng)性強(qiáng)。手拉梁可從底座中靈活伸縮,手拉梁與支腿在行車與作業(yè)狀態(tài)時(shí),設(shè)置有限位鎖緊裝置,能夠確保作業(yè)、行駛安全,能滿足10%及其以下坡度作業(yè)要求,同時(shí)底座總成兩側(cè)分別安裝有水平儀,便于操作人員在車輛兩側(cè)進(jìn)行觀察判斷,手拉梁人工操作設(shè)有兩處導(dǎo)向輪,極大地提升了用戶使用的便捷性。

4 載荷計(jì)算

通過對(duì)該隨車起重機(jī)的多種作業(yè)工況分析,在工作半徑最大為3 600 mm、起吊物質(zhì)量為1 200 kg時(shí),底座總成所承受的彎矩最大,此時(shí)為極限工況。此時(shí)底座為主要承載結(jié)構(gòu)件,通過對(duì)立柱齒輪軸的受力分析,結(jié)合牛頓第三定律,以立柱齒輪軸端面與止推墊圈的左側(cè)為坐標(biāo)原點(diǎn),反推出底座的受力狀態(tài),如圖4所示。

由O點(diǎn)力矩平衡MO為0,得:

-N2L1+N3L2-G1L3-G2L4=0

(1)

由X方向受力平衡NX為0,得:

-N2+N3=0

(2)

圖4 受力分析

由Y方向受力平衡NY為0,得:

-N1+G1+G2=0

(3)

式中:L1為支座上復(fù)合襯套簡化受力點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)的垂向距離;L2為支座下復(fù)合襯套簡化受力點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)的垂向距離;L3為起重機(jī)回轉(zhuǎn)部分質(zhì)心與坐標(biāo)原點(diǎn)的水平距離;L4為吊物質(zhì)心與坐標(biāo)原點(diǎn)的水平距離;G1為回轉(zhuǎn)部分質(zhì)量;G2為吊物質(zhì)量;N1為立柱齒輪軸與止推墊圈接觸面的正壓力;N2為立柱齒輪軸與支座上復(fù)合軸承鉸接處的徑向力;N3為立柱齒輪軸與支座下復(fù)合軸承鉸接處的徑向力。

將相關(guān)數(shù)值代入以上各式,求得N1為17 000 N,N2為150 000 N,N3為150 000 N。通過作用力與反作用力分析,可得底座的受力分別為N1、N2、N3的相反力。

5 有限元分析

5.1 材料力學(xué)性能

考慮到底座所需材料的力學(xué)性能和加工工藝,在滿足強(qiáng)度的要求下,底座選取高強(qiáng)鋼板,材料力學(xué)性能如下:屈服強(qiáng)度σs為960 MPa,彈性模量為206 GPa,泊松比為0.3,密度為7 850 kg/m3。

查詢資料可知,此類材料的抗拉強(qiáng)度σb為980 MPa,因而得出屈強(qiáng)比為0.98,大于0.7,屬于高強(qiáng)度鋼板。依照GB/T 3811—2008中載荷組合A進(jìn)行計(jì)算,取安全因數(shù)n為1.48。結(jié)構(gòu)件的基本許用應(yīng)力[σ]為:

[σ]=(0.5σs+0.35σb)/n

(4)

將數(shù)值代入式(4),計(jì)算可得該材料的許用應(yīng)力為560 MPa。為滿足底座設(shè)計(jì)需求,結(jié)合材料性能,對(duì)于該底座,在最大載荷作用下最大變形量盡量滿足不大于3.7 mm。

5.2 建模

(1) 網(wǎng)格劃分。應(yīng)用NX8.5三維軟件設(shè)計(jì)出底座的三維模型,綜合考慮起重機(jī)工作特性及結(jié)構(gòu)要素,在不影響受力的狀態(tài)下,對(duì)底座進(jìn)行簡化操作,如刪掉對(duì)分析影響不大的孔、刪掉不影響受力的小結(jié)構(gòu)件。完成模型更改工作后,將三維模型轉(zhuǎn)化成有限元軟件兼容的文件格式,導(dǎo)入到有限元軟件中。導(dǎo)入后定義材料的屬性,設(shè)定材料的彈性模量為206 GPa,泊松比為0.3等,使用自由網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行劃分,網(wǎng)格密度設(shè)為10 mm,對(duì)劃分完的網(wǎng)格實(shí)施質(zhì)量檢測,結(jié)果顯示無差錯(cuò)單元,網(wǎng)格質(zhì)量可以滿足要求,得到節(jié)點(diǎn)數(shù)為47 663個(gè),單元數(shù)為17 701個(gè),網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5所示。

圖5 底座網(wǎng)格劃分結(jié)果

(2) 設(shè)定邊界條件。針對(duì)底座在極限工況下進(jìn)行有限元分析,根據(jù)底座與底盤的安裝位置,分別在橫梁、支座與底盤連接部位施加固定約束,按照受力分析結(jié)果對(duì)其施加載荷,如圖6所示。

圖6 施加載荷

5.3 結(jié)果分析

經(jīng)過有限元軟件仿真計(jì)算,獲得了底座的變形分布云圖和應(yīng)力分布云圖,分別如圖7、圖8所示。

圖7 底座變形分布云圖

圖8 底座應(yīng)力分布云圖

由圖7可知,底座在最大載荷作用下最大變形量為1.6 mm,依照變形量來看,底座的剛度滿足設(shè)計(jì)要求。由圖8可知,最大應(yīng)力值約為384 MPa,其大部分應(yīng)力值處在120 MPa以下,底座所用材料的許用應(yīng)力值為560 MPa,最大應(yīng)力值小于許用應(yīng)力值,符合強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。由綜合應(yīng)力、變形分析結(jié)果可知,底座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以滿足該型號(hào)隨車起重機(jī)工作要求。

6 結(jié)束語

筆者闡述了某型號(hào)隨車起重機(jī)底座總成的設(shè)計(jì)組成,對(duì)其工作機(jī)制進(jìn)行了說明。并應(yīng)用NX8.5三維軟件建立了該型號(hào)隨車起重機(jī)的底座三維模型,根據(jù)極限工況分析得出其受力狀態(tài),而后建立了底座有限元模型,對(duì)其進(jìn)行了有限元仿真分析,分析結(jié)果表明,最大應(yīng)力值小于所選材料的許用應(yīng)力值,最大變形值也滿足設(shè)計(jì)要求,驗(yàn)證了該底座結(jié)構(gòu)的可靠性。同時(shí)也可以從分析結(jié)果看出,該底座結(jié)構(gòu)仍然有較大的設(shè)計(jì)余量,也對(duì)今后的優(yōu)化改進(jìn)工作提供了有效的數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù)。