某折臂式随车起重机起升及卸载瞬态分析

崔 哲，赵得智，王艳辉

(1.徐州徐工随车起重机有限公司，江苏 徐州 221004；2.燕山大学 机械工程学院，河北 秦皇岛 066004)

折臂式随车起重机结构紧凑、占用空间相对较小，以其装卸、运输合二为一的优势，越来越受到用户的青睐[1].随车起重机广泛应用于交通运输、建筑、电力等行业的货物装卸及远距离货物转移，添加了附加装置的变型产品还被广泛应用于消防、军事、非开挖作业及工程抢险等领域.

图1 某型号折臂式随车起重机结构示意图

如今，随车起重机逐渐向大型化发展.因为大型折臂式随车起重机工作时动态效应明显，所以起重机的瞬态响应研究在工程界和学术界得到越来越多的关注.近来，一些学者利用解析方法，建立了起重机的动力学方程，并对起重机动态特性进行了分析[2-6].还有些学者利用虚拟样机技术，将各构件假设为刚体，在ADAMS软件中建立了起重机结构的动力学分析模型，并进行了动态分析[7-12].目前，对随车起重机的动力学分析大都采用刚柔耦合技术.刘晓峰等[13]采用刚柔耦合的方法对臂架系统在带载变幅、带载回转以及突然卸载工况进行了仿真分析，得到了臂架系统应力及震动情况.李欣业等[14]采用刚柔耦合方法并且考虑油缸中活塞杆和缸套之间间隙的柔性和阻尼效应，基于静止和回转两种工况对其进行突然卸载的瞬态分析，分别得到了臂头在变幅平面和回转平面的位移和加速度曲线.王欣等[15]利用ANSYS和ADAMS建立了某大型固定回转起重机副臂系统和主臂系统的动力学分析模型，首先单独分析了副臂系统突然卸载时的最大后倾角，并且分析了卸载时间、起升载荷对最大倾角的影响，然后分析了主臂与副臂在突然卸载时的相互影响.本文采用ANSYS软件建立了某折臂式随车起重机的全柔性体有限元模型，对其起升和卸载工况进行了瞬态分析，并研究了工作幅度、起升载荷、起升时间对动态位移的影响.

1 某随车起重机结构介绍

某折臂式随车起重机由活动支腿、基座体、回转支撑、转台、内臂、基本臂、伸缩臂等组成，如图1所示.最大吊重质量为7.5 t，吊臂最大仰角80°.最大起吊高度达18 m，最大工作幅度达16 m.

上车通过回转支撑与基座体连接，由液压油缸驱动转台齿轮柱带动上车转动.内臂、基本臂为箱型结构，伸缩臂为六边形箱型结构，均采用高强度低合金钢板焊接而成，具有强度高、质量轻的特点.转台和内臂以及内臂和基本臂分别通过变幅油缸连接实现变幅运动.基本臂内套有六节伸缩臂，通过外置伸缩油缸驱动，能够实现顺序伸缩运动.

图2 上车有限元模型约束及加载示意图

2 有限元分析模型

2.1 上车有限元模型建立

选取上车各部件(转台、内臂、伸缩臂)作为整体在ANSYS中进行分析.因上车各部件均由薄钢板焊接而成，所以上车各部件采用壳单元(shell181)进行模拟，单元尺寸为20 mm.变幅油缸和伸缩油缸都采用杆单元(link180)模拟.销轴连接处采用截面单元技术进行模拟.转台底面施加固定约束，在六伸臂臂头与吊钩连接处施加垂直向下起升载荷，忽略侧向载荷.上车有限元分析模型见图2.

2.2 材料属性

各部件钢板为高强度结构钢，其中臂体为Q690D，转台为Q550D.滑块材料为尼龙.材料属性见表1.

表1 上车各部件材料属性表

3 瞬态动力学分析

瞬态动力学的基本运动方程为

图3 载荷加载示意图

3.1 加载曲线

上车自重为3.365 t，起升质量为1～8 t，起升载荷以集中力的形式施加到悬挂机构臂头.由于折臂吊在起升瞬间及突然卸载瞬间产生的冲击载荷对结构的受力影响很大，所以有必要对此过程进行瞬态动力学分析.载荷起升冲击时间在10～(10+Δt)s内，在15 s时突然卸载，然后保持到20 s.在ANSYS中的加载曲线如图3所示.

上车自重为G，起升载荷为P，载荷步1是自重的斜坡加载过程；载荷步2是自重保持过程；载荷步3是起升载荷的斜坡加载过程；载荷步4是保持起升载荷的过程；载荷步5是重物突然卸载的阶跃加载过程.

3.2 分析工况

选取3个工况(臂体水平，四伸臂、五伸臂、六伸臂全缩，其他臂体全伸；臂体水平，六伸臂全缩，其他臂体全伸；臂体水平全伸)进行分析，工作幅度及各节伸缩臂伸缩情况见表2.

表2 工况工作幅度及起升载荷列表

3种工况有限元模型如图4所示.

图4 3种工况有限元模型图

4 结果分析

4.1 工作幅度对动载系数的影响

在上述3种工况下施加1 t的起升载荷，假设加载时间Δt=0.5 s，对上车有限元模型进行瞬态动力学求解,将瞬态动力学分析结果在时间历程后处理器中进行处理，得到3种工况下第六节臂臂头竖直方向位移随时间变化曲线，如图5所示.

3种工况下六伸臂臂头y向位移随时间变化趋势相同.以工况3为例进行说明.由图5(c)可以看出，在0～5 s内由于自重的影响使得伸缩臂最臂头有一个自然下降的位移，大约300 mm.在5～10 s内只在重力作用下位移基本保持不变.在10～10.5 s突然加载，伸缩臂y向位移骤然加大.在10.5～15 s内，静态分析中10.5 s时位移达到最大，之后保持不变，而瞬态分析时，10.5 s后位移继续增大，最大位移为1 224 mm，之后位移以静态分析位移为基准上下震动.在15 s时突然卸载，静态分析中位移回到自重状态，而在瞬态分析中臂头位移处于上下震动的不稳定状态.

图5 3种工况臂端位移变化图

根据图5中臂头动态位移和静态位移，可以计算出3种工况下相应的动载系数，见表3.由表3可以看出，当起升载荷和起升时间为常数时，工况1动载系数最小，工况3最大，即工作幅度越大动载系数亦越大.

表3 3种工况下相应动载系数

4.2 起升载荷对动载系数的影响

在工况3下，分别施加1.0、1.2、1.5 t的起升载荷，假设起升时间Δt=0.5 s，对上车有限元模型进行瞬态和静态求解，得到第六节臂臂头竖直方向动态位移值、静态位移值和动载系数，见表4.

表4 工况3不同起升载荷相应动载系数

由表4可以看出，当工作幅度和起升时间不变时，随起升载荷增加，动载系数增加.起升载荷由1.0 t增加到1.5 t时起升载荷增加了50%，动载系数增加到37%.

4.3 起升时间对动载系数的影响

图6 不同起升时间臂端位移变化图

在工况3下，施加1.5 t的起升载荷，假设起升时间Δt分别为0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 s，对上车有限元模型进行瞬态和静态求解，得到第六节臂臂头竖直方向动态位移值和静态位移值，如图6所示.

由图6可以看出，当工作幅度和起升载荷为常数时，随起升时间增加，动态位移快速减小.当起升时间达到0.9 s后动态位移几乎等于静态位移，即此时动态效应非常微弱.

5 结论

本文建立了某型号折臂式随车起重机上车有限元分析模型，对其起升和突然卸载后的瞬态响应进行了仿真分析，得到了臂头的振动位移曲线.分析了工作幅度、起升载荷和起升时间对起重机动态位移的影响，得到如下结论.

1)当起升载荷和起升时间为常数时，工作幅度越大动载系数亦越大，即动态效应越明显.

2) 当工作幅度和起升时间不变时，随起升载荷增加动载系数亦增加.

3)当工作幅度和起升载荷不变时，动态效应对起升时间非常敏感，在一定时间内增加起升时间，动载系数快速下降，当起升时间超过某一数值时，动态位移与静态位移相当.