全地面起重机桁架式副臂起臂变形量的研究

王诗柔，薛永飞，徐　伟，王文静，王盼盼

（1.大连益利亚工程机械有限公司，辽宁大连116023 2.大众汽车自动变速箱（大连）有限公司，辽宁大连116019）

全地面起重机桁架式副臂起臂变形量的研究

王诗柔1，薛永飞2，徐伟2，王文静1，王盼盼1

（1.大连益利亚工程机械有限公司，辽宁大连116023 2.大众汽车自动变速箱（大连）有限公司，辽宁大连116019）

运用线性和非线性理论对全地面起重机桁架式副臂起臂工况进行分析，提取起臂过程中最危险的工况使用有限元法中的梁单元和杆单元代替各构件进行分析，得出线性和非线性理论对长柔性臂起臂的变形影响。

全地面起重机；起臂模型；线性；非线性

全地面起重机桁架式副臂对起重性能和作业高度有直接影响，桁架式副臂应具有足够的强度、刚度和稳定性。全地面起重机桁架式副臂属于柔性杆件系统，整体重量较大，臂长伸出较长作业时（长臂长指的是臂长较长时）臂头产生弯矩较大，起重量载荷和前拉板等联合作用下几何变形较大，如何避免几何变形的影响以及使桁架式副臂在起臂过程中具有足够的刚度和稳定性是全地面起重机臂架系统设计的重点之一。通过对桁架式副臂起臂几何变形的理论研究结果来指导实际操作具有较高的研究价值。

本文根据有限元模型简化原则，将各构件截面进行等效惯性矩算法处理，建立以混合单元［1］（梁单元和杆单元）组成的全地面起重机桁架式副臂工况起臂模型，采用的NR［2］法对几何变形问题进行迭代计算，应用ANSYS Parametric Design Language参数化设计语言编制臂架不同组合臂长的起臂模型的程序进行计算，得出几何变形对起臂影响的一般规律，为指导全地面起重机桁架式起臂作业有较好的实际工作意义。

1　起臂工况姿态的选取

桁架式副臂起臂工况通过以下过程实现：伸缩臂变幅，伸缩臂伸缩，桁架式副臂变幅。伸缩臂变幅及伸缩阶段，臂架系统在短臂长时桁架式副臂垂直悬挂于臂头，而臂长伸出较长作业时臂头与地面直接接触，因而两个阶段的桁架式副臂几何变形量都较小。而在桁架式副臂变幅阶段，桁架式副臂悬空，受其自重和拉板联合作用，容易产生几何变形，对臂架系统的刚度和稳定性产生较大的影响。

本文针对桁架式副臂起臂过程中臂长的不同组合工况进行几何变形量对比分析。先选取桁架式副臂接近水平状态的工况进行计算，研究桁架式副臂呈-5°、0°、5°时起臂几何变形对整机起臂的影响。再以120 m和126 m为例对桁架式副臂整个桁架式过程中受几何变形影响进行分析。

2　有限元模型简化

全地面起重机桁架式副臂工况模型分为：伸缩臂系统和桁架式副臂系统。伸缩臂系统包括：伸缩臂、变幅油缸、中间过渡节、TY支架。桁架式副臂系统包括：桁架式副臂、连接架、钢丝绳、后撑杆、前撑杆、拉板等。结构如图1所示。

图1　全地面起重机带辅助撑杆起臂某位姿瞬态示意图

副臂各构件运用混合单元（梁单元和杆单元）建立成有同样截面参数的有限元单元模型进行分析。起臂时桁架式副臂臂头一般不承受起重量载荷，所以不考虑起重量和绳具对其的作用，此次计算分析中有限元模型作如下假设处理：第一，各臂节均以其轴线进行等效［3］；第二，忽略臂节间的加强结构。

3　线性和非线性算例分析

在ANSYSY14.0计算软件中对18m～126 m臂长进行计算，从计算结果来看，18～72m臂长时应用线性和非线性计算得出的几何变形量相近。表1中78～126 m臂长计算工况应用线性和非线性计算得出的几何变形量差别较大，因此作为工况进行分析。

表1　带辅助撑杆起臂工况描述

经ANSYS14.0有限元软件计算分析可以看出:

（1）臂长≥108 m时，结构挠度最大变形量基本发生在同一位置，而臂长大于108 m线性最大变形量发生在臂头，非线性最大变形量发生在靠近前拉板的位置。

（2）126m臂长时非线性变形量比线性变形量略小，而18～120m臂长时非线性变形量比臂线性变形量大；

（3）臂长越长线性变形量和非线性变形量越大。如图2图3所示。

图2　126m桁架式副臂工况0°时线性变形

图3　126m桁架式副臂工况0°时非线性变形

126 m臂长时线性挠度为9 089 mm，非线性最大挠度达到8 125 mm.长臂长时几何变形量均比较大，增加腰绳可以有效减小对桁架式副臂变形量和改善受力情况［4］。

4　线性和非线性变形量对比分析

线性采用小变形进行计算，非线性采用大变形进行分析，臂架整体几何变形量对结构的影响在非线性中体现出来。如图4图5所示。

图4　桁架式副臂-5°~10°时线性和非线性变形

图5　18~126m桁架式副臂-5°~5°时线性和非线变形量

从表2中可以看出，副臂变幅角度在-5°、0°及5°时，臂长≤102m采用非线性计算得出的几何变形量结果较大，差值Dif达到峰值，随后递减，在臂长≥102m时采用线性计算得出的几何变形量结果较大。

表2　部分副臂臂长呈-5°，0°和5°时线性和非线性变形量［3］

5　结束语

（1）桁架式副臂呈0°时，臂长小于96 m，线性和非线性变形均发生在靠进前拉板与桁架式副臂铰接的部位；而当臂长为102 m～120 m，线性变形发生在桁架式副臂臂端，而非线性最大变形发生在桁架式副臂靠近与前拉板铰接的部位。

（2）同一桁架式角度时，随着臂长的增加，线性变形和非线性变形均增大，18～120 m臂长时，非线性变形量比线性变形量大；126 m臂长时线性变形量比非线性变形量大。

（3）同一桁架式角度时，非线性变形量与线性变形量之差最大值发生在78～126 m臂长范围内，102 m臂长时非线性变形量比线性变形量差值最大，差值大约28.74%，所以大臂长桁架式副臂起臂过程中需考虑非线性因素的影响。

（4）桁架式副臂桁架式角度从-5°至5°范围内变化时，臂长78～114m的桁架式副臂线性变形和非线性变形均增大，但增幅不大；臂长120 m和126 m臂长的线性变形和非线性变形量先减小后增大，增幅不大。

［1］Phani Kumar V.V.Nukala，Donald W.White.A Mixed Finite Element for Three dimensional Nonlinear Analysis of steel Frames［J］.Computer Methods in Applied Mechanics and Engi neering，2004，193（23-26）:2507-2545.

［2］Kiyohiro Imai，Dan M.Frangopol.Geometrically Nonlinear Finite Element Reliability Analysis of Structural Systems［J］. Computers and Structures，2000，77（6）:677-691.

［3］薛永飞.全地面起重机变幅副臂工况起臂研究［D］.大连：大连理工大学硕士论文，2013:41.

［4］张正元.塔机水平臂主载荷下线性和非线性变形和内力［J］.同济大学学报，2000，（12）：732-737.

Research on Deflection O f Truss Structure Of All-Terrain Crane WANG Shi-rou1，XUE Yong-fei2，XU wei2，WANGWen-jing1，WANG Pan-pan1

（1.Dalian Yiliya Construction Machinery Co.Ltd.Dalian Liaoning 116023，China；2.Volkswagen Automatic Transmission（Dalian）Co.，Ltd.Dalian Liaoning 116019，China）

This paper mainly analyze the boom lifting process of fly jib working condition of all terrain crane with linear theory and nonlinear theory.Firstly，The most dangerous working condition will be extracted.Then Each component will be established by beam and link element based on section of custom function and iterative computation，consequence will be analyzed with finite elementmethod.Finally，the deformation influence based on linear and nonlinear theory on boom lifting processwill be concluded.

all terrain crane；boom liftingmodel；linear；nonlinear

TH213.6

A

1672-545X（2016）05-0037-02

2016-02-05

王诗柔（1977-），女，辽宁鞍山人，硕士研究生，工程师，研究方向：结构分析及优化设计。