折臂式随车起重机变幅机构动力学仿真分析❋

马 俊，李自贵，晋民杰，王志霞，张 帅，冀 龙

（太原科技大学 机械工程学院，山西 太原 030024）

0 引言

目前，国内在折臂式随车起重机的生产制造方面还处于初级阶段，主要是引进和仿制国外产品，其设计理论和方法也很不完善，在很大程度上影响了折臂式随车起重机的进一步推广应用。在折臂式随车起重机的研究方面，文献［1］介绍了随车起重机变幅机构的主要形式和特点，提出304304型变幅机构在设计时的要求。但对其变幅机构理论分析内容鲜见报道，且对油缸受力分析没有选择明确工况，无法判断动臂油缸危险工况。本文建立了其力学模型，并通过Pro/Engineer和ADAMS/View软件［2－4］对其变幅机构进行受力分析，验证理论分析的正确性，确定动臂油缸受力危险工况，为其变幅机构优化设计提供理论依据。

1 起重机机构分析及力学模型建立

1.1 起重机机构分析

如图1所示，折臂式随车起重机的工作机构主要由立柱、动臂、吊臂、连杆、动臂油缸和吊臂油缸组成。动臂油缸、立柱和连杆组成变幅机构，吊臂油缸、吊臂和连杆组成折叠机构。折臂式随车起重机折叠机构主要起支撑作用，作业过程中，随车起重机起重作业主要由动臂油缸对应的变幅机构运动实现，并且动臂油缸作业比较频繁。从图1可以看出，动臂油缸的力臂很小，与其他液压缸相比较，动臂油缸工作需要推力最大，故起重机起重性能主要由变幅机构中的动臂油缸决定。因此，本文主要研究分析变幅机构中动臂油缸的受力特点。

1.2 力学模型的建立

图2为随车起重机变幅机构力学模型，其中G为折叠机构自身重量，角α为连杆l24运动角度范围。四连杆机构2′3′4′5′为变幅机构初始位置，四连杆机构2345为变幅机构某一时刻位置。

图1 折臂式随车起重机的工作机构

图2 折臂式随车起重机变幅机构的力学模型

1.2.1 动臂油缸推力计算

对动臂油缸进行受力分析，由图2可知对点2取力矩平衡有：

即

其中：F0为动臂油缸推力；F1为连杆l45受力；d0为动臂油缸对点2的力臂；d1为连杆l45对点2的力臂。

1.2.2 连杆l45受力计算

对连杆l45进行受力分析，由图2可知对点3取力矩平衡有：

其中：G物为重物的质量；d2为折叠机构质心对点3的力臂；d物为重物对点3的力臂。

根据此型号起重机最大起重力矩为4×105Nm，有：

由式（1）～式（3）可得：

由此可知，当力臂最小时，变幅机构中动臂油缸受力达到最大值Fmax，根据其力学模型可得当变幅机构处于初始位置时，动臂油缸推力最大。

2 仿真分析

2.1 折臂式起重机变幅机构模型建立

对随车起重机机构处于实际折叠位置进行分析，首先利用Pro/Engineer软件建立变幅机构各零部件的实体模型，然后导入ADAMS软件中，手动添加各零部件的质量、转动惯量、质心位置等。根据实际变幅机构各部件的联接和约束关系，施加各种约束副，使得动臂油缸受力符合实际情况。

施加约束后，在动臂油缸的移动副上添加驱动函数，驱动函数为：STEP（time，0，0，25，790）。

2.2 仿真结果分析

图3为连杆l45角速度和角加速度曲线图。由图3可知，在24°～35°和94°～108°区间内连杆l45角加速度曲线很陡，起重作业时冲击比较大，起吊时尽量减少在此区域操作变幅机构。在35°～94°区间内，角加速度曲线比较平缓，该区域为主要作业范围。

图4为动臂油缸受力曲线图。由图4可知，当α＝24°（力臂最小）时，动臂油缸受力最大，为2 100.0kN；当α＝65°（力臂最大）时，动臂油缸受力最小，为960 kN。通过多体动力学仿真分析可知，当变幅机构处于初始位置（动臂油缸缩至最短）时，动臂油缸受力达到最大值，力臂最小，此时是动臂油缸危险工况，这与前面力学分析结论一致。在动臂油缸对点2的力臂达到最大值（α＝65°）时，动臂油缸受力最小，此时动臂油缸起升能力高于标定最大起重力矩。因此，通过理论分析及仿真研究，可以将α＝65°作为最大起重力矩点，然后得到其最大起重量，绘制起重作业图。

图3 连杆l45角速度和角加速度曲线

图4 动臂油缸受力曲线

3 结论

依据折臂式随车起重机变幅机构特点，分析其动臂油缸受力规律，通过Pro/Engineer建模软件和ADAMS/View动力学分析软件建立了折臂式随车起重机工作机构的三维模型，并对其进行了动力学分析，得到连杆角速度、角加速度和动臂油缸受力变化曲线，说明理论分析结果是正确可行的。在起重机变幅机构起重作业过程中，要尽可能在角加速度比较平缓的范围内起重作业，这样动臂油缸受力也比较小。通过仿真分析，根据动臂油缸受力，确定了折臂式随车起重机液压系统的系统压力，并为其整个工作机构优化设计提供了理论依据。

［1］刑玉生，刘佃富.折臂式随车起重机的变幅机构［J］.起重运输机械，1998（11）：7-9.

［2］李军.ADAMS实例教程［M］.北京：北京理工大学出版社，2002.

［3］邢俊文，陶永忠.MSC.ADAMS/View高级培训教程［M］.北京：清华大学出版社，2004.

［4］陈立周，张英会，吴清一，等.机械优化设计［M］.上海：上海科学技术出版社，1981.