高空作业车伸缩臂臂架截面优化

2019-01-16王余贤高崇仁殷玉枫

太原科技大学学报 2019年1期

王余贤，高崇仁，孙迪，殷玉枫

(太原科技大学机械工程学院，太原 030024)

起重机的起重臂分为直臂式和混合式，是起重机作业时主要的受力构件，占起重机总重量百分比的20%～30%，大吨位起重机的幅度和起升高度受臂架自重的制约。因而，运用优化设计算法降低起重机臂架自重，对提升起重机整体性能有着很大的意义，也成为了起重机行业的竞争趋势。汽车起重机伸缩臂直臂式作为本文研究对象，选取QY50汽车起重机为研究对象。应用ansys软件对QY50U型臂架截面进行优化设计分析，降低起重机臂架自重，对提升起重机整体性能有着很大的意义。

1 有限元模型建立

随着起重机行业的发展，伸缩臂臂架的截面也在不断的优化，臂架也在不断地实现轻量化。起重机伸缩臂臂架发展过程中，典型截面形状代表有：四边形、梯形、六边形以及U形截面等。四边形截面臂架在中、小吨位汽车起重机中得到广泛的应用，但是这种四边形截面臂架在汽车起重机的承载能力方面不足，不能够充分发挥材料的性能；五边形截面具有上盖板宽，呈倒“V”形特点，此结构不仅改善了下盖板的局部稳定性能，而且材料的力学性能也能够得到较好的发挥。六边形是上、下盖板弯折形，受力合理，具有较高的抗屈服能力。U形截面臂架具有受力均匀的特点，不仅能够提高整体稳定性和抗屈服能力，而且材料的力学性能也得到了充分发挥，并且随着科学技术的持续发展，工业设备的生产能力大幅提高，U行截面的伸缩臂臂架的使用将会越来越广泛。

U型截面如图1：

图1 U型截面
Fig.1 U section

1.1 模型选择及简化

本文选取QY50典型的U形臂架为研究对象，基于有限元，运用ansys对汽车起重机伸缩臂臂架进行优化设计。为了建模方便，可以只考虑臂架内的液压缸的重量，归结为臂架的自重。对伸缩臂臂架影响较小的零部件或者加强筋忽略。简化后的零部件有：伸缩臂臂架和滑块。伸缩臂臂架的单元类型选择shell63单元，主要有三个原因。第一，当一个实体结构的厚度不大(相对于长宽尺寸)时,且弯曲作为其主要变形,可以用壳单元进行建模.第二，与实体单元相比，壳结构具有优化时间短，优化精度高的优点。第三，考虑到伸缩臂的实际情况，伸缩臂架模型上、下盖板的厚度由实际常数决定。因此盖板的单元类型选择为shel l63.由于滑块主要承受摩擦力和挤压应力，因而对滑块进行建模时，其单元类型为solid45.

1.2 约束处理

由于伸缩臂只相对于伸缩方向上的滑块滑动，伸缩臂的约束主要发生在基本臂的两端，转台的铰链和铰接的液压缸，因此两个方向的平移和三个方向的转动需要约束。通过节点耦合的方式解决臂架与滑块之间的耦合问题，比建立接触对的方式更加方便、快捷，计算结果更精确。[1]进行建模后，伸缩臂臂架的模型如图1所示：

图2 伸缩臂臂架模型图
Fig.2 Model of telescopic boom

2 载荷及工况确定

对臂架进行受力分析，在起升载荷的作用下，不仅会导致臂架弯曲，并且会导致起重机倾翻。伸缩臂臂架幅度的变化会导致两个分力大小的改变。起重机的起重量是随幅度变化而变化的：在小幅度时，臂架强度制约着起重机的起重量，超载可能导致臂架弯曲而不能正常工作，因而臂架的强度决定起重机正常工作时的起吊能力；大幅度时，起重机稳定性制约着起重机的起吊能力，在起重机失去稳定性时，会导致起重机倾翻。而钢丝绳强度的制约着起重机的最大起升载荷，而且超载会导致钢丝绳断裂。因而，对伸缩臂臂架进行优化设计时，只需考虑起重机在小幅度时的工况即可。伸缩臂臂架所受载荷有起升载荷、臂架自重、物品偏摆力、风载荷以及惯性载荷等。[2]

额定起升绳拉力Fs

(1)

式中：n是滑轮组倍率，η是滑轮组效率，η额定起升载荷。

在变幅平面内，沿臂架方向的轴向力

(2)

式中：θ-伸缩臂臂架在变幅平面内的倾斜角；

β-起升绳与臂架轴线的夹角；

Pab-臂架重力；

在变幅平面内，沿轴向的垂直力

(2)

在回转平面内，沿臂架轴线产生的轴向力

(4)

风载荷

PW=CPA

(5)

式中：C风力系数，P工作状态风压，取P=250 Pa，A臂架迎风面积由于汽车起重机在不同的条件下：臂架仰角和伸缩长度，能组合成不同种的工况。但本文只需考虑汽车起重机作业时的最不利状况，即伸缩臂臂架全伸，臂架仰角78，起重量8.5 t.对汽车起重机伸缩臂臂架进行强度、刚度和稳定性计算，最后利用ansys对汽车起重机伸缩臂臂架进行受力分析。[3]

3 伸缩臂静力分析

QY50汽车起重机伸缩臂臂架的质料为BS700钢板。额定最大起重量是50吨，其屈服极限σs=700 MPa，强度极限b=800 MPa，则钢板的许用应力为526 MPA.对已建模完成的模型进行加载以及求解分析，可以得到臂架在次工况下的等效应力图。如图3所示，可以看出伸缩臂最大应力出现在变幅液压缸支承铰点处，最大应力为270.294 Pa，最大静位移59.7789 mm.QY50汽车起重机伸缩臂在此工况下，满足强度和刚度需求，能够正常作业。但工作强度和刚度还有改善空间，因此可以对伸缩臂截面宽度和高度进行优化分析，降低臂架自重。

图 3臂架等效应力图
Fig.3 Equivalent stress diagram of boom

图4 最大局部放大图
Fig.4 Maximum local enlargement

4 伸缩臂截面优化

4.1 设计变量

设计变量就是在设计过程中不断地调整修正赋值的数据。就伸缩臂臂架来说，其长度是不能变更的，可改变的参数只有截面的材料以及宽B11度和高度H11.因此可以取伸缩臂臂架截面高度H11和宽度B11作为优化设计的变量。截面宽度B的设计变量有：B11、B21、B31和B41；截面高度H的设计变量有：H11、H21、H31和H41.

4.2 状态变量

状态变量是在满足设计变量参数下的因变量，是随着自变量的改变而改变，即是设计变量的函数。伸缩臂臂架能够正常工作的条件为满足应力和刚度，因此状态变量设置为伸缩臂臂架的应力和应变参数。即应力和应变满足：

0≤δmax≤[δ],0≤ιmax≤[ι].

4.3 目标函数

降低臂架自重作为伸缩臂臂架优化设计的主要目的，故将伸缩臂臂自重作为目标函数。在利用有限元模型进行求解分析时，应将伸缩臂总体积的最小值作为最优解。

V(X)=vmin(x)[4]

4.4 优化方法

在ANSYS分析软件中，提供了零阶方法和一阶方法，前者能够解决大多数优化问题，比较常用。后者基于目标函数对设计变量的分析程度，故非常适用于精确度高的优化分析。因此可以先将零阶方法和一阶方法结合使用，前者对模型进行快速优化求解。一介方法在前者优化序列不收敛时，在给定的约束范围内求得最优解。[5]

5 伸缩臂臂架优化结果

臂架截面高度H和截面宽度B与序列号之间的关系曲线图如图5、图6所示。从中可以看出：截面高度H和截面宽度B随着优化的次数增加，伸缩臂体积不断向最优值靠近。为了更清晰表达优化后的结果，列表列出了优化前后圆整后的截面数据如图表1：从表中我们可以得出优化后假面宽度B和截面高度H分别优化了30 mm和40 mm.臂架体积与序列号之间的关系曲线图如图7所示。从曲线中可以得到：在满足强度和刚度的双重约束条件下，第12次是臂架体积的最优解。