Excel软件在起重机副臂设计中的应用∗

许庆杰，贾 堃，王 娜

（1.中国重汽集团泰安五岳专用汽车有限公司，山东泰安 271000；2.泰安市岱岳区农业机械管理局，山东泰安 271000）

Excel软件在起重机副臂设计中的应用∗

许庆杰1，贾 堃1，王 娜2

（1.中国重汽集团泰安五岳专用汽车有限公司，山东泰安 271000；2.泰安市岱岳区农业机械管理局，山东泰安 271000）

汽车起重机的副臂长细比较大，而且在复杂工况中常伴随二次屈曲、大变形和大位移等情况。针对这些状况，提出用Excel软件进行计算的方法，通过对虚拟样机的计算数据进行有限元分析验证了这种新方法的可行性。

Excel软件；有限元；副臂；长细比；大变形

1 引 言

汽车起重机的主臂因受其自身伸缩机构布置困难、自重大等因素的影响，以及转场过程中，对汽车行驶灵活性的客观要求，其主臂长度受到很大限制，一般情况下主臂节数限制在5节内，主臂最大起升高度限制在50 m以下。为适应工程实际中对起重机大幅度、高起升高度的要求，常采用在起重机主臂上增设副臂来解决。副臂作为主臂的补充和发展，有效地提高了起重机的工作幅度和起升高度。在作业工况中处于不可缺少的地位。

笔者采用Excel电子表格计算法，对一个新设计的副臂结构进行计算，并结合有限元对虚拟样机的计算数据进行对比，验证了这种新方法的可行性。

2 计 算

2.1 汽车起重机副臂计算

按基本载荷的载荷组合Ⅰ计算［1］：以主臂仰角θ1＝70°、副臂补偿角θ2＝15°、起重量Q＝2.1 t时，即当副臂与水平地面夹角55°时作为解析计算与有限元计算的工况。计算用到参数如下：

弹性模量：E＝2.10E＋05 N／mm2，安全系数：n＝1.50，圆周率：π＝3.14，重力加速度：g＝9.80 m／s2。

主弦杆材料：σs＝ 345.00 MPa，许用应力：[σ]＝σs／n＝230 MPa，弦杆外径：D1＝51mm。

单个弦杆面积：A1＝π()／4＝590.62 mm2，弦杆内径：d1＝43mm，偏载角度：θ3＝6°。

起升载荷系数：ψ1＝1.10，腹杆外径：D2＝28mm，腹杆内径：d2＝24mm，自重载荷系数：ψ2＝1.10。

单腹杆面积：A2＝π（）／4＝163.36 mm2，钢丝绳与副臂中心线夹角β＝2.90o，A－A面离臂端滑轮距离：L＝7 438 mm，副臂自重m＝0.48 t，副臂长度系数：μ1＝2.00，B－B面Y向间距：L2y＝220 mm（B面为副臂前端滑轮处），B－B面X向间距：L2x＝220 mm，副臂长度系数：μ3＝0.50。

2.1.1 副臂强度校核

按基本载荷的载荷组合Ⅰ对副臂危险面A－A强度进行校核，采用Excel电子表格计算，如表1所列。

2.1.2 刚度校核

按基本载荷的载荷组合Ⅰ对副臂刚度进行计算，采用Excel电子表格计算，如表2所列。

2.1.3 副臂欧拉临界力计算

按基本载荷的载荷组合Ⅰ对副臂欧拉临界力进行计算，采用Excel电子表格计算，如表3所列。

表1 强度校核

表2 刚度校核

表3 欧拉临界力

续表3 欧拉临界力

2.1.4 稳定性校核

按基本载荷的载荷组合Ⅰ对副臂稳定性进行计算，采用Excel电子表格计算，见表4。

表4 稳定性计算

副臂在不同工况下利用上述表格计算危险截面A－A或主要部位强度、刚度、稳定性等计算结果的汇总，如表5所列。

表5 汇总表

3 有限元计算

3.1 副臂有限元模型

副臂是由空间方向不同的管材与板件焊接组成的整体。在建立有限元模型时，单元划分原则为：管材以梁单元beam188划分；板件以板单元shell63划分。建立其有限元模型所遵循的原则如下：①各板件厚度方向的位置以板厚中分面位置来确定；②对于为焊接工艺设置的板的边缘建模时不予考虑。

副臂的三维模型如图1、2，模型的节点数为3 686，单元数为3 692。

图1 总体应力分布图

图2 局部放大图

3.2 约束条件

根据实际情况，在铰耳处进行全约束。

3.3 计算结果

在计算的工况下，最大应力位于副臂根部未被加强部位的弦杆，大小为196.69 MPa，小于许用应力值。副臂的最大位移量为37.767 mm。

3.4 副臂在不同工况下有限元计算结果汇总

副臂在不同工况下有限元计算结果汇总如表6所列。

表6 汇总表

4 结 语

通过电子表格计算与有限元计算结果比较得出：在同种工况下，两种计算结果比较吻合，所以副臂在所列工况下满足强度、刚度、稳定性等要求。并且电子表格计算比较灵活、方便，不需要建三维模型就能够确定副臂总体方案。

［1］ 顾迪民.工程起重机［M］.北京：中国建筑工工业出版社，1988.

［2］ 王金诺.起重机运输机金属结构［M］.北京：中国铁道出版社，2002.

［3］ 张质文.起重机设计手册［M］.北京：中国工业出版社，2001.

［4］ GB3811－2008.起重机设计规范［S］.

Application of Excel Software in Crane Jib Design

XU Qing－jie1，JIA Kun1，WANG Na2

（1.China Heavy Truck Group Tai′an Wuyue Special Automobile Co.，Ltd，Tai′an Shandong 271000，China；2.Tai′an Daiyue District Bureau of agricultural machinery，Tai′an Shandong 271000，China）

Crane jib has a large slenderness ratio，but also in complex condition which is often accompanied by the two buck⁃ling，large deformation and large displacement and so on.In view of these conditions，a calculation method is put forward by Excel software，and the feasibility of this method is verified by finite element analysis based on the calculation data of virtual prototype.

Excel software；finite element analysis；crane jib；slenderness ratio；large deformation

TH123

A

1007－4414（2013）04－0089－04

2013－06－20

许庆杰（1980－），男，山东荷泽人，工程师，主要从事汽车起重机上装设计方面的工作。