起重机伸缩臂结构优化设计及有限元分析

邓 敏， 许 维， 温纪云

（深圳市威富通讯技术有限公司， 广东 深圳 410000）

引言

随着城市化的突飞猛进发展，促进我国国内城镇的面貌发生了焕然一新的变化。经济的高速发展必然带动其他方方面面的进步，尤其是在基础设施建设方面，国家不断加大投资力度，建筑的规模越来越大，这同时就对起重安装工程提出了更高的要求，须保证在实际操作过程中，满足强度和刚度要求[1]。大吨位的起重机得益于近几年的经济高速发展，各种大型工程项目的增多，对大吨位起重机的需求也越来越迫切，这就导致了大吨位起重机的各种设计和原材料不断增多。同时在实际使用过程中，有些大型项目所处的环境地理位置及气候条件，也对起重机的结构及材料提出了一些较苛刻的要求[2]。为了保证起重机全路径和全气候的适应性，需要对起重机的关键部件伸缩臂进行结构设计，将起重机朝着微小型方向设计，尤其是对伸缩臂的结构进行优化设计，在不降低强度和刚度的情况下，降低其重量，保证起重机能够得到高效、安全的工作。

1 伸缩臂概述

根据目前现有的起重机来看，按照其变幅方式的不同，起重臂以固定式和伸缩式为主。按照吊臂的截面形状又可以将其分成箱式结构和桁架式结构，大多数情况下的起重机采用的是箱式结构[3]，箱式结构在实际使用的过程中能够承受吊升过程中的物体给予臂架的压力和弯矩，同时伸缩臂各处的约束点及稳定性能够更好的解决，因此本文以箱式伸缩臂为研究对象，对其进行分析研究。箱式伸缩臂一般情况下的臂节数设计以3～5 节为最优状态，在设计时要充分考虑其铰点的位置，其直接影响着伸缩臂的强度和刚度等重要参数。伸缩臂通常是由伸缩油缸、变幅油缸、伸缩臂及滑块等组成[4]。相互嵌套的相邻臂节之间安装有支撑滚子和滑块，通过内部的伸缩油缸及变幅油缸实现伸缩臂的伸缩功能。

2 伸缩臂结构静力学分析

由于伸缩臂的结构特殊性，在对伸缩臂进行静力学分析时只需要在额定重量的范围内，对其最长状态或者最小幅度状态进行分析研究[5]。通过利用ANSYS Workbench 进行静力学分析。本次静力学分析模型采用的是自由网格划分法，网格的尺寸为180 mm，总共有79 578 个节点和40 476 个节点。在设置载荷前需要设定材料的参数，材料的参数设置如表1 所示，通过对其进行载荷分布设置，其载荷分布如图1 所示。通过对简化的基本臂进行有限元分析，得到其变形图和应力图如下页图2 所示。

图2 静力学分析云图

表1 起重机伸缩臂材料属性

图1 伸缩臂的网格划分图和加载情况图

3 伸缩臂结构优化及有限元分析

起重机的伸缩臂一般情况下主臂的质量占全部机器质量的18%～32%，吊臂的重量直接影响着整个起重机的工作性能，这就需要设计一种最佳的吊臂截面尺寸。对吊臂进行优化设计，减轻吊臂的重量，达到优化起重机性能的作用。本文主要的研究对象是伸缩臂的U 形截面尺寸，U 形截面在实际应用过程中是由上盖板和下盖板组成的，上盖板的宽、厚、高分别为400 mm、6 mm 和 210 mm，圆角半径是 50 mm，下盖板的厚度是8 mm，半径为201 mm。利用Workbench 对截面尺寸进行优化，通过基本臂的下断面进行固定，在上断面施加垂直载荷104N。在参数的范围设置时，上盖板的厚度优化范围设置为5.3～6.6 mm，下盖板的为7.1～8.8 mm，上盖板高度的范围设置为180～240 mm。通过对其进行优化分析得到最优的的结果为上盖板厚度为6 mm，下盖板厚度为7.2 mm，上盖板高度为182.06 mm。总模型的质量为922.27 kg，模型的变形量为8.822 mm，最大的应力值为16.658 MPa，得到了如图3 所示的云图。

图3 优化后模型的应力云图和位移云图

通过对优化前和优化后的云图分析能够得到，优化后的平均应力比优化前减少了约59%，总变形量减少了17%，质量方面减少了大约8.87%。

4 结语

起重机伸缩臂作为起重机最重要的零部件，阐述了其结构和工作原理。通过实际参数情况下的伸缩臂进行静力学分析得到起重机伸缩臂伸长至最长状态时的应力云图和位移云图，然后利用Workbench 对截面尺寸进行优化，设定伸缩臂截面尺寸为设计变量，优化得到的数据进行建模分析对比，得到的数据明显优于未优化的数据。优化后的伸缩臂基本臂的重量比优化前有着很大的减少，在位移云图上能够明显观察到其变形量要小于未优化前的变形量，并且以优化后的数据进行设计，截面尺寸和结构更加符合设计理念，节省原材料，提升了整个起重机的性能。