浅析汽车起重机伸缩臂截面相似设计问题

刘成林 韩博

沈阳新松机器人自动化股份有限公司 辽宁沈阳 110000

1 伸缩臂截面形状分析

起重机伸缩臂在应用发展中，根据应用条件，开发了如下几种典型的截面形状：多边形（六边形、四边形）、梯形、椭圆形以及U型截面等。其中四边形截面伸缩臂一般应用在中小吨位的起重机中，其缺点是伸缩臂的承载能力不足，无法很好发挥出材料的力学性能；而五边形和六边形截面伸缩臂则具有较好的使用性能，其中五边形截面具有倒V型特征，可以很好改善盖板的稳定性，可以发挥出材料力学性能；六边形则是上下盖板呈现弯折形，受力非常合理，具有很高的抗屈服强度。伸缩臂U型截面在工作中可以均匀受力，能够极大提高起重机稳定性和安全性，并且结构材料可以充分发挥力学性能，随着其应用发展，U型截面结构可以进一步优化，以满足多种使用条件[1]。

2 伸缩臂的截面分析及截面形式的确定

2.1 吊臂截面的有限元对比分析

为了进一步提高稳定性，在四边形截面之后通过采用大圆弧过渡段设计出多边形截面，更好的降低腹板的高度，使应力不至于过度集中，帮助改善局部的抗失稳能力。八边形以及大圆角矩形截面的下翼缘板走与腹板的实际宽度相比要小很多，由此也没更好的降低结构重量，八边形和大圆角矩形截面更适用于大吨位汽车起重机。椭圆形截面的上弯板是大圆弧形状的槽板，下弯板是凹槽形状，截面面积上部大，下部小，能很好的优化吊臂力量，提高抗扭性，椭圆形截面是起重吊臂截面的重要形式。除此之外，还有类椭圆形截面与准椭圆形截面。

椭圆形截面优点突出，但也存在不少的问题。椭圆形截面能最大化的发挥材料的机械性能，非常适用于高强度材料，但其使用过程中需要侧向支撑，对工艺的要求较为复杂。U形截面的下弯板是U型槽板，U形臂也能很好的发挥材料性能，帮助起重机更好的运行，除此之外，U形臂还能维持局部的稳定，帮助实现起重机的稳定运行[2]。

2.2 伸缩臂的截面材料选择

伸缩臂的重量大概占到整机重量的13%到20%，有时候可能更高。要尽可能的对起重机的重量设计进行优化，降低起重机臂的重量。当材料确定后，要通过改进吊臂形式来改善吊臂的起重性能，也就是改变吊臂的截面形状。进行截面优化设计时，不能一味的减轻自重，要结合吊臂的形状与性能，在保持吊臂性能不发生改变的情况下进行优化，故而只能在保持其总高和总宽不变的前提下进行优化。通常情况下，侧板要选择薄钢板，厚度控制在4mm到8mm之间，为保证局部稳定，可在每两段中间加一横向筋，以增加截面的强度。为满足局部稳定性，要适当增加上盖板的厚度，将吊臂做成等强度梁，从而起到减小自重的效果。在进行优化设计问题工况选择时，要着重考虑全伸臂工况，5吨汽车起重机的伸缩臂主体材料要选用HG70。

2.3 截面的选择

伸缩臂的受载情况较多，自重载荷、侧向载荷等都会对受载情况造成影响。对伸缩臂进行静力学分析要结合动载效应进行。文中所分析的起重机有5种工况，工况1到工况5为节臂全伸出与缩回的情况，各工况的起重量及臂长如下表1所示。

表1 某型随车起重机各工况的起重量及臂长

对5种工况下的伸缩臂静力学进行分析，结合其实际受载情况，为了对基本臂两铰孔的径向自由度和轴向自由度进行约束，可将吊重加在伸缩臂的头部。通过有限元软件可得到各工况下的应力值及变形分量，结合相关计算可得出表2的数据。

表2 伸缩臂静力学分析结果

将U形截面与椭圆形截面进行对比可知，U形截面的优势更大，U形截面的位移较小，与椭圆形截面相比，发生屈曲的概率更小。但二者与其他截面相比，都是不容易发生屈曲的截面类型。

3 结语

随着基建工程发展加快，机械起重工具日益受到关注，特别是汽车起重机，具有较高的灵活性和实用性。文章在总结分析了当前汽车起重机伸缩臂的多种界面形状基础上，采用有限元分析手段，深入研究了汽车起重机伸缩臂的截面形式，并且对伸缩臂的截面材料选择进行研究与实验，最终得到以下几个结论：

（1）汽车起重机伸缩臂的截面型式有多种，但U型截面在抗屈服方面具有更优越性能，能够更好发挥材料的性能[3]。

（2）采用U行截面，汽车起重机的伸缩臂能够进一步优化，控制经济成本，对于起重机的应用具有一定的促进作用。