基于A D A MS在不同地面条件下汽车起重机的稳定性分析

刘 贺，周 静，刘 康

（长安大学工程机械学院，陕西 西安710064）

0 引言

汽车起重机是装在普通汽车底盘上的一种起重机，由于这种起重机的机动性好，它对减轻劳动强度，节省人力，降低建设成本，提高施工质量和加快建设速度方面有十分重要的作用[1]，因而广泛用于各个领域。由于它依靠四个外伸支腿支撑而非固定在地面上，所以在工作过程中很容易倾翻[2]。数据显示在日本每年会发生大约100次移动式起重机的倒塌事故[3]，此外世界各国也存在同样的问题，因此研究汽车起重机的稳定性是非常必要的。

导致汽车起重机倾覆的原因有很多，如操作不当，设备维护不及时，带载伸臂等[4]。在发生实际翻转的许多情况下，吊钩的负载小于安全规定的额定负载时发生翻转，约占翻车事故的20%，这是因为起重能力图中认为地面是足够坚硬[5]。“足够坚硬”并不是汽车起重机所具备的基础条件。因此，在评估倾翻风险的过程中必须考虑地面条件。本文着重研究地面条件起重机的稳定性的影响。

1 虚拟样机的建立

以汽车起重机QY25K-1为基础，在SolidWorks中建立虚拟样机。

1.1 建模

在SolidWorks中建立QY25K-1汽车起重机的模型，如图1所示，其主要部件有：支腿、轮胎、底盘、驾驶室、旋转平台、操作室、起重臂（需在analysis中柔性化）[6]、液压缸和吊钩。所述组件除起重臂外都为刚性。

图1 Q Y25K-1汽车起重机模型

1.2 约束

约束包括：固定幅，如底盘与驾驶室及底盘与支腿之间。滑移幅，各起重臂之间。旋转幅，旋转平台与底盘之间。除此之外，外伸支腿与地面之间建立“接触”。

1.3 驱动与负载

除固定幅外，其余各运动幅之间需要添加驱动来控制，使用step函数来控制起重臂的伸缩变幅以及旋转平台的旋转。

在吊钩的前端施加方向垂直向下的空间固定力（即在计算的过程中力的方向不随构件的位形变化而变化，始终垂直向下）来代替负载。使用step函数来控制负载大小的变化，列如在5 s加载4 000 kg，10 s后卸载，加载时间为0.01 s，则step函数为：0+step（time，5，0，5.01，4 000*9.8）+step（time，9，0，9.01，-4000*9.8）。

2 地面模型的建立

在将模型导入Adams中后，需在模型下方建立一块足够大的地面以承受汽车起重机。可用“接触”来代替地面的沉降，在Adams中有两种计算接触力的方法：补偿法和冲击函数法。本文采用较广泛的冲击函数进行模拟。

其广义形式表示为[7]：

式中：Fni为法向接触力；k为接触刚度为接触点的法向穿透深度；v1接触点的法向相对速度。

见表1，其中1号地面被认为是足够坚硬，如沥青、水泥混凝土路面；2号地面模拟亚粘土地面。

表1 不同的接触类型

3 虚拟样机的测试

要检查虚拟样机的原型是否正确，需要进行一系列测，试通过外伸支腿的振动来进行综合分析。

为了方便分析，将四个支腿分别标为1、2、3、4号，分析起重臂在某工况下工作，当起重臂摆到45°时突然加载，当起重臂摆到90°时突然卸载（这个角度卸载是最不利的情况）。得到个外伸支腿的振动曲线如图2所示。

图2 各支腿的振动曲线

如图 2（a）～（d）所示，在开始阶段，1～4 号支腿振动情况基本相同，在起重臂转过45°时突然加载时，1～4号支腿受压并振动，产生向下的位移。其中1号支腿受力最大，因此向下的位移也最大。2号支腿随起重臂转动受压逐渐增大，向下的位移也逐渐增大。3、4号支腿由于加载而产生震动。90°卸载后由于惯性力作用起动机有倾翻趋势。1、2号支腿振动剧烈，其中1号支腿振动幅度最大。因此1号支腿更有可能离开地面。卸载之后随着转动1～4号支腿仍有振动，但渐渐趋于平稳。这些振动的变化符合实际情况，验证了虚拟样机的合理性。

4 模拟方法

具体来说，应该在每种工况下进行模拟，这意味着每个吊臂长度，每个吊臂仰角，都要在两个不同的地面上进行模拟。首先，可以获得虚拟样机在每个工作状态下保持稳定的最大负载，用2号地面最大负载除以1号地面最大负载得到比率，该比率可以认为是地面状况对负载的净额影响，最后用该比率乘以表汽车起重机在相应工况下的起重性能（部分性能见表2），得出软地面上相应工况下的起重能力。

表2 汽车起重机起重性能表

例如要获得起重臂长10.4 m，工作幅度为6.5 m时，2号地面的额定负载，就应该知道该工况下两个地面的最大负载，为此进行一系列模拟。如图3所示，在该工况下负载为15 800 kg时1号支腿的振动曲线，由图像可知，起重臂在90°卸载时，支腿离开地面，传感器检测距离为零，仿真停止。图4显示负载为15 700 kg，1号支腿的振动曲线，由图可知，1号支腿未离开地面，所以该工况下1号地面最大负载为15 700 kg.

图3 负载为15800k g时1号支腿的振动曲线（1号地面）

图4 负载为15700k g时1号支腿的振动曲线（1号地面）

类似得到该工况下2号地面的最大负载为6 250 kg（如图5和图6），在该工况下地面状况对净额影响比率为：6250/15700。该工况下的额定负载为13 800 kg（见表2），则2号地面的额定负载为5 490 kg.对每个工况进行重复操作，得出2号地面起重性能。

图5 负载为6300k g时1号支腿的振动曲线（2号地面）

图6 负载为6250Kg时1号支腿的振动曲线（2号地面）

5 结论

本文在Adams中构建了QY25K-1的虚拟样机，并基于此分析了起重机的稳定性，本文研究的结论总结如下：

为了防止汽车起重机的倒坍事故，必须考虑地面条件，地面越软，对汽车起重机的影响越大。

本文介绍了如何根据制造商提供的起重能力，得到在相对较软的地面上的起重能力图，通过实验对比表明，不同的地面条件对汽车起重机在特定工况下的最大起重量有很大影响。