轮式起重机三铰点优化设计

郑红，李安强，吴国锐

(1.湖南机电职业技术学院，湖南长沙 410151;2.三一重工，湖南长沙 410100)

汽车起重机可以广泛应用于工矿企业、建筑工地、港口码头、油田、铁路、仓库及货场等工况下的起重和吊装工作。随着国家电力、石化、钢铁、交通等基础设施建设进入高潮，国内起重机市场急速扩张，汽车起重机在各行业的作用也越来越大，经济杠杆作用与日俱增，对起重机质量及稳定性能等都提出了更高的要求。

轮式汽车起重机主要由三大部件组成:专用的汽车底盘、转台以及起重臂。其中转台是起重机的关键联接部件，起重臂、操纵室、专用的汽车底盘均与其直接相联，起承上启下的作用。转台主要由转台焊接体、三铰点轴、回转机构、起升机构、变幅机构、操纵室、机棚、配重等部件组成。轮式起重机变幅、回转、起升三大动作均通过转台实现。其中三铰点轴为转台连接起重臂、变幅油缸的三根轴。三铰点的合理布置，能够降低转台的受力，降低变幅油缸的变幅压力，减少油缸的缸径和杆径，实现转台设计的轻量化。故三铰点轴位置的合理布置，是轮式起重机整体设计里至关重要的一环。

1 问题简介

售后服务工程师反馈，客户有二号油缸全伸，在三、四、五节臂全伸的情况下将起重臂趴下(幅度为-2°)给起重臂筒体抹黄油的工况，而某司一款轮式起重机在此情况下不能实现起幅动作，给客户带来不便。在此前提条件下，设计人员对此故障进行了分析，设计了优化目标:在不改变变幅油缸，且不影响整车其他主要性能参数(转台、起重臂空间位置保持不变)的前提条件下，通过三铰点位置的优化，保证额定载荷下起重臂2 号伸缩油缸全伸负角度顺利起臂。

2 建立数学模型

2.1 建立数学模型

如图1 所示，以变幅缸下铰点O 为原点建立相对坐标系XOY，优化过程中不改变油缸，则油缸的最短长度与最长长度保持不变，即以原点O 为圆心作两个圆，其半径r，R 分别油缸最短长度与最长长度，其中:R=7 123 mm，r=3 900 mm。

图1 数学模型辅助图1

如图2 所示，下铰点为O (0，0);上铰点的两个极限位置点A (rcosα，rsinα)在半径为r 的圆上，点B (Rcosβ，Rsinβ)在半径为R 的圆上;尾铰点C 在AB 的垂直中心线上，且∠ACB=82°;点C 到直线AO 的距离h 即为-2°起臂时油缸相对于尾铰点的力臂。

图2 数学模型辅助图2

令C 为(X，Y)，则:

而A(rcosα，rsinα)，O(0，0)，推导出:

2.2 起重臂主要参数

起重机主要参数见表1，起重机起重性能参数见表2。

表1 起重机主要参数表

表2 起重机起重性能参数表

2.3 建立优化目标函数

变幅油缸推力:

-2°状况下2 号油缸全伸缩起臂变幅油缸推力:

2.4 优化结果

优化前后三铰点轴位置布置图见图3，优化前后结果对比见表3。

图3 优化前后三铰点轴位置布置图(虚线为优化前位置，实线为优化后位置)

表3 优化前后结果对比 MPa

3 结论

通过建立三铰点数学模型及目标函数，为三铰点位置的优化设计提供了理论依据;同时大幅度减低变幅油缸的变幅压力，为变幅油缸的轻量化设计提供了理论依据，提高了液压系统的可靠性。通过三铰点的合理布置，在不改变变幅油缸的前提下，成功解决了起重臂2 号伸缩油缸全伸负角度不能起臂的问题，提高了客户的满意度，为后期的设计提供了经验数据。

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