随车起重运输车臂架设计要素

2012-08-02杨路

商用汽车 2012年8期

关键词：臂架吊臂随车

杨路

(注：本文作者单位系安徽星马汽车股份有限公司。)

1 随车起重运输车分类与结构

随车起重运输车，是在定型载货汽车底盘上加装臂架式随车起重机(俗称随车吊)，能实现自行装卸货物的专用汽车。可进行“起吊、装载、搬运”等一系列作业，具有体积小、自质量轻、结构紧凑、操作简便、安全可靠、机动性强、作业效率高等特点。

随车起重机主要分为直臂式和折臂式2大类。这2类各有其优缺点[1]。

直臂式随车起重机的优点是起吊重物用卷扬机构完成，作业平稳，作业范围大；其缺点是收回后体积较大，作业效率不高，臂架伸缩油缸及管路维修不易等(见图1)。

折臂式随车起重机的优点是臂架可折叠，收回后体积较小；起升动作完全由油缸的组合动作完成，作业效率高；维修方便，并可选配多种辅具，实现一机多用等。其缺点是在同等伸缩臂架节数的条件下，其比直臂式随车起重机的作业范围要小；作业平稳性也略低于直臂式随车起重机(见图2)。

中、大吨位折臂式随车起重机是当前发展的主要模式，并将逐步替代20 t以下的汽车起重机。

在能源日益紧张的今天，降低随车起重机自质量成为未来的发展趋势。因为这不仅可以为企业降低原材料的消耗，也为客户增加了运载能力，同时降低了随车起重运输车在空载情况下的耗油量，间接为客户提高了盈利能力。

臂架是随车起重机中最重要的受力构件，其设计的好坏将直接影响随车起重机整机的安全性能和经济成本。在设计臂架时既要考虑到臂架须满足足够的强度和刚度，又要考虑臂架自质量尽量轻巧，这样才能使随车起重机具有较高的“起重性能系数”。

现国内生产的随车起重机主要由固定臂、各级伸缩臂、伸缩油缸等组成，臂架多为钢结构的多边形等截面箱形套装结构。其作用主要用于支撑载荷并改变起重机作业半径的大小，实现各节臂架之间相互滑动，并保证操作平稳性。其臂架的截面形状和形式与臂架具体的应用及加工工艺条件等有关，故有一定的差别。

直臂式随车起重机的臂架仅从长度而言通常比较长，且臂架伸缩油缸通常在臂架内部。臂架节数通常为3、4节、最多为5节，5节的作业范围至少能达到18 m。单一就长度来比较，折臂式随车起重机的臂架通常比直臂式随车起重机的臂架短不少。但为了实现更大的工作半径，往往采用增加伸缩臂节数予以实现，目前中、大吨位的折臂式随车起重机通常都达到了6节，作业范围至少可达到16 m。

2 臂架设计3要素

目前，为了提高起重性能并降低经济成本，在随车起重机臂架的设计时通常从3个方面考虑。

2.1 应用新材料降低臂架自质量和成本

在中、大吨直臂式随车起重机中，臂架自质量一般能占整机质量的15%～20%[2]；在中、大吨位折臂式随车起重机中，臂架自质量一般能占整机质量的20%～25%。因此降低臂架自质量，不仅可以节约材料、降低成本，而且还可以减轻随车起重机底盘的负荷、提高随车起重机的灵活性与起重性能。

目前制造臂架的材料基本上采用的是高强度板材，特别是近几年屈服强度在600 MPa、700 MPa甚至1 000 MPa以上的进口或国产高强度钢板得到了广泛应用。如国产宝钢的BS600MC、BS700MC，太钢的TQ600MC、TQ700MC，武钢的HG785D，国外瑞典weldox900等材料，板材方面已非常成熟。这些新材料既有良好的机械性能和焊接性能，也能满足制作中、大吨位随车起重机臂架材料所需的要求，在臂架上已被广泛应用。这些新材料的出现及应用，使得降低臂架自质量成为可能。

2.2 改变臂架截面形状以提高吊臂局部稳定性

随车起重机臂架的截面形状经历数代演变，臂架截面由最初的矩形，变成五边形、六边形、八边形、十边形、十二边形甚至椭圆形。这主要是在尽可能地增大臂架高厚比的前提下，通过改变臂架截面形状，提高吊臂局部稳定性。

2.2.1 矩形截面

矩形截面(见图3)与其他截面形式相比，其优点是制造工艺简单；对设备要求不大，下料的精度要求不高；具有较好的抗弯能力和抗扭刚度。其缺点是这种截面没有充分发挥材料的承载能力；焊接工作量大，制作时需做反变形处理；矩形截面每节臂架之间的接触是上下面，不能抑制臂架伸缩时的横向滑动，因此平稳性差。现已基本上不被厂家采用。

2.2.2 五边形截面

五边形截面(见图4)与矩形截面相比，增大了横向刚度与抗扭刚度，并且臂架下部部分抑制了臂架伸缩时的横向滑动，但没有充分发挥材料的承载能力。现很少有厂家采用。

2.2.3 六边形截面

六边形截面(见图5)能较好地发挥材料机械性能，并能较好地传递扭矩与横向力，减轻结构自质量，而且它的加工和制作不是特别复杂，臂架上部和下部的形状能够抑制臂架伸缩时的横向滑动，操纵平稳性好。六边形截面同时是一种较为经济的结构形式，也是目前国内应用最多的吊臂截面形式，它同样也经历了几次演变。

2.2.3.1 六边形截面a

六边形截面a的制作最为简单，精度要求不是特别高，但有4条焊缝，焊接工作量大，成型后变形大，制作时需做反变形处理，生产效率不高。随车起重机吊臂材料采用的屈服强度一般均在600 MPa以上，因此与之相匹配的焊丝强度级别要求高，焊丝的价格昂贵；焊缝过多，焊接工作量增大，且所需焊丝的量也大，与之相应的吊臂成本则高。因其对下料和折弯设备精度要求不是很高，目前该种结构仍有少量的生产厂家在12 t以下的随车起重机上还在应用。

2.2.3.2 六边形截面b

六边形截面b与六边形截面a相比较，其优点是焊缝数量由4条变成2条，节约了焊材, 减少了焊接变形的影响，也减少了工人的劳动量，提升了近一倍的生产效率；节省了搭接部分的材料，降低了生产成本，降低了自质量。但其缺点是对下料和折弯精度要求比较高，需要采用高精度数控折弯机来保证折弯尺寸精度，前期投入偏大；这种结构通常要求单面焊双面成形，也有双面焊接的，对焊接工艺和焊接人员技能有较高的要求。

2.2.3.2 六边形截面c

六边形截面c与六边形截面a、b相比较，其优点是折弯后尺寸精度高，能实现高效率批量生产；焊缝只有1条，最大程度地节约了焊材；焊接成形可采用自动化或半自动焊接来提高焊接效率，且焊接对吊臂产生的影响几乎可以忽略不记；减少了工人的劳动量；降低了生产成本，也降低了自质量。但缺点是对板材厚度公差、下料和折弯精度等要求很高，国内一般的下料设备及高精度数控折弯机无法保证其折弯尺寸精度，前期投入昂贵。

2.2.3.3 六边形截面c应用介绍

奥地利的PALFINGER公司在20世纪80年代初投资数千万对臂架生产线进行了技术革新，所采用的臂架是六边形截面c的结构。改造后，实现了激光下料(见图6)→高精度专用数控折弯(见图7)→自动化焊接(见图8)的全套流程，提升了40%的产能，不仅提升了整个产品的品质，还确保了其在行业中的领先地位。

激光下料具有切割质量好、下料精度高、切割速度快且能量非常集中等特点。因此，切口好，仅有少量热量传递到钢材的其他部分，所造成的变形很小或没有变形。此外，利用激光可以非常准确地切割复杂形状的坯料，所切割的坯料不必再作进一步的处理即可焊接。高精度专用数控折弯机确保了吊臂折弯成形的精度，能实现批量化生产和保证产品的一致性。自动化焊接的优点是减少人工因素对焊接质量的影响，提高了焊接质量的稳定性；提供精密的焊接动作，焊缝的成行更稳定、一致；能迅速完成产品的装卸，提高焊接效率。

2.2.4 八边形和十边形截面

八边形和十边形截面，有利于提高抗失稳能力，且能较好地传递扭矩和横向力，在相同截面的情况下具有更好的强度和刚度，这2种截面形式的伸缩臂能较好地发挥材料的承载能力，减轻结构自质量。然而，其制作等环节相对复杂，一致性不易保证，如要保证一致性及一道工序的焊缝成形，对设备等要求更高。国内应用不是很多，即使有也多是2道焊缝的截面形式。

2.2.5 椭圆形截面

椭圆形截面[3]是一种受力较理想的吊臂截面形式，它能充分发挥材料的机械性能，且抗屈曲能力强。然而，椭圆形截面制造工艺复杂，需要大型的设备和工艺胎具，制造成本很高，目前只在超大型起重机上得到应用。

2.3 臂架结构优化方法

以ANSYS软件为工具，通过优化吊臂截面结构和壁厚等降低臂架的自质量，可提高臂架的强度、刚度和整体性能等。臂架结构优化方法为：

a.通过对随车起重机伸缩臂的结构及工作原理进行分析，建立臂架结构受力的数学模型。然后应用ANSYS软件对其进行模拟分析；

b.在截面高度、宽度、材料及板厚一定的情况下，结合工厂的实际设备及加工情况选出最为合理的截面形式，使受力更为合理，材料的利用率更高。此外，还应选用合理的折弯角度，使臂架稳定性更好；

c.为有效降低下臂架滑板处的支撑反力，保证臂架的刚度和带载伸缩能力满足设计要求，可以增加臂架的重叠部分长度，以减少臂架滑块处的支持反力，减小弯曲应力，但当重叠长度增大到一定程度后，其对减少臂架滑块处的支持反力的作用己经不再明显。因此，在截面形状及最大起吊质量已知的情况下，确定臂架重叠部分的合理长度，既以满足设计要求，也可降低自质量。