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    隨著汽車(chē)起重機(jī)起吊性能的越來(lái)越大，起重臂截面形式從最原始的四邊形截面逐步的發(fā)展到多邊形截面，進(jìn)而發(fā)展到U形截面，截面形式不斷優(yōu)化。

    U形截面臂在有效減輕起重臂自重的同時(shí)，能最大限度地發(fā)揮材料的力學(xué)性能，從而提高大噸位汽車(chē)起重機(jī)在大幅度、高起升高度情況下的起重性能。與此同時(shí)還解決了局部容易失穩(wěn)的問(wèn)題，大大的提高了起重機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性。
 

北方交通汽車(chē)起重機(jī)
 

伸縮式臂架截面形式的分析

    目前，汽車(chē)起重機(jī)的起重臂截面形式主要有四邊形、六邊形、八邊形、十二邊形、U形和橢圓形。

    四邊形截面是由翼緣板和腹板焊接而成的，它制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，具有良好的抗彎剛度，適用于強(qiáng)度比較低的材料；對(duì)于高強(qiáng)度材料不能充分發(fā)揮材料的承載能力，不能很好地傳遞扭矩和橫向力，需設(shè)附加支承；而且在四個(gè)角點(diǎn)處最容易產(chǎn)生應(yīng)力集中；底板、腹板受較大的壓應(yīng)力作用，常出現(xiàn)局部失穩(wěn)。一般用于中小噸位的輪式起重機(jī)。

    為了避免上述不利因素，提高腹板的穩(wěn)定性，研制出了六邊形及其它多邊形截面。這些截面的共同點(diǎn)是采用大圓弧過(guò)渡，腹板高度減小，受力狀況得到改善。而且這些截面實(shí)際計(jì)算寬度較小，有利于提高局部抗失穩(wěn)能力。前后滑塊均支承在四角處，伸縮臂各板不產(chǎn)生局部彎曲，且能較好地傳遞扭矩與橫向力，這些多邊形截面的伸縮臂能較好地發(fā)揮材料機(jī)械性能，減輕結(jié)構(gòu)自重。因此這些截面形式被普遍的采用。

    橢圓形截面是一種受力較理想的吊臂截面形式，其截面上彎板為大圓弧槽形板，下彎板為橢圓形槽形板，且由下向上收縮，其重量?jī)?yōu)化，抗扭性能顯著，具有獨(dú)特的穩(wěn)定性和抗屈曲能力。適用于高強(qiáng)度材料，能充分發(fā)揮材料的性能，但是該截面需要側(cè)向支承，制造工藝復(fù)雜，吊臂在彎型技術(shù)上的難度大，需要大型的折彎?rùn)C(jī)等專業(yè)化配套設(shè)備，而且對(duì)焊接質(zhì)量要求相對(duì)較高，目前尚未被普遍采用。

    U形截面是經(jīng)過(guò)優(yōu)化計(jì)算得出的較為合理的截面形式，其截面上彎板為大圓角槽型彎板，下彎板為U形槽型彎板。通過(guò)對(duì)比分析，U形截面臂有如下優(yōu)點(diǎn)：
    1.U型截面的橫向抗彎剛度和抗扭剛度優(yōu)于其它截面形式；

    2.U型側(cè)板的上半部拉應(yīng)力較大，提高了側(cè)板的穩(wěn)定系數(shù)；

    3.U形的下底板有利的提高了抗局部失穩(wěn)的能力；

    4.在起重性能相同的情況下，U形截面的起重臂降低了起重臂的重量，提高了汽車(chē)式起重機(jī)的起重性能；

    5.U型截面伸縮臂在套接處有較小的應(yīng)力和較好的應(yīng)力分布；

    6.在相同的截面積、相同受力情況下，U型截面起重臂極大提高了其抗變形能力。

    U形伸縮吊臂優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的設(shè)定

    鑒于U形截面臂的諸多優(yōu)點(diǎn)，北方交通20T以上新一代起重機(jī)的臂架普遍采用U型截面。以凱帆牌QY50U汽車(chē)起重機(jī)的伸縮吊臂為例，首先是QY50U的吊臂優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的設(shè)定。

    第一步建立參數(shù)化模型，即建立參數(shù)化有限元分析模型；

    第二步提取截面特性參數(shù)和面積參數(shù)；

    第三步生成優(yōu)化分析文件；

    第四步是定義設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量及目標(biāo)函數(shù)，選擇吊臂的截面特性作為狀態(tài)變量，其截面面積作為目標(biāo)函數(shù)；

    第五步是進(jìn)行優(yōu)化，并獲得優(yōu)化結(jié)果；

    第六步對(duì)所得截面尺寸的吊臂再用有限元法精確校核吊臂的強(qiáng)度、剛度及局部穩(wěn)定性；

    若這些條件不滿足，則需調(diào)整設(shè)計(jì)變量的上、下限，再運(yùn)行上述優(yōu)化過(guò)程，直至滿足要求。采用這樣的優(yōu)化方法就避免了將有限元分析過(guò)程作為優(yōu)化分析文件帶來(lái)計(jì)算量很大、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)。

    具體到每節(jié)臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題,考慮兩個(gè)非常重要的工況：基本臂工況和全伸臂工況。由基本臂工況通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)確定基本臂截面尺寸和壁厚，并由各節(jié)臂之間的間隙確定其余各節(jié)臂的截面尺寸，然后再由全伸臂工況確定其它節(jié)臂的壁厚。

    U形伸縮吊臂優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程及分析

    U形伸縮吊臂優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程主要有三個(gè)方面的內(nèi)容，一是基本臂截面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，二是其余節(jié)臂截面尺寸的確定，三是運(yùn)用有限元法對(duì)吊臂的強(qiáng)度、剛度及局部穩(wěn)定性進(jìn)行精確校核。

    基本臂截面的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程——作為吊臂來(lái)說(shuō)，總希望在不發(fā)生局部失穩(wěn)的前提下，壁厚設(shè)計(jì)得薄一點(diǎn)，截面設(shè)計(jì)大一些。但由于受整機(jī)尺寸的限制，吊臂外形尺寸不能增大，因而只能在截面總高和總寬保持不變的條件下進(jìn)行截面的優(yōu)化。

    整個(gè)過(guò)程用ANSYS 自帶的優(yōu)化模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用較精確的一階優(yōu)化方法求解，對(duì)于含有設(shè)計(jì)變量和狀態(tài)變量的約束優(yōu)化問(wèn)題，ANSYS 先用懲罰函數(shù)法將其轉(zhuǎn)化為無(wú)約束優(yōu)化問(wèn)題，經(jīng)過(guò)多次的迭代，最終確定了吊臂的形狀。

    最終可通過(guò)檢測(cè)得出，各折板長(zhǎng)度逐步的接近，腹板高度進(jìn)一步減小，下部趨近于圓弧，這樣就大大的增強(qiáng)了腹板局部穩(wěn)定性。

    在基本臂截面尺寸優(yōu)化確定后，便可根據(jù)每節(jié)臂之間的間隙大小用作圖法定出其余節(jié)臂的尺寸。而每節(jié)臂的厚度則根據(jù)全伸臂時(shí)的強(qiáng)度、剛度及局部穩(wěn)定性要求來(lái)確定。調(diào)整后每節(jié)臂的壁厚都有所減小。

    優(yōu)化前后吊臂截面面積及吊臂筒體重量都有所變化。吊臂優(yōu)化前的筒體重量為8755kg，優(yōu)化后較優(yōu)化前減輕了8.8% 的重量。采用優(yōu)化設(shè)計(jì)可有效的減輕臂體的重量，從而提高整機(jī)的起重性能；針對(duì)吊臂截面參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，由截面特性作為狀態(tài)變量約束條件，可大大減少優(yōu)化迭代時(shí)間，使得吊臂優(yōu)化設(shè)計(jì)成為可能。QY50U汽車(chē)起重機(jī)吊臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法同樣適用于其它形狀的吊臂優(yōu)化設(shè)計(jì)。

    在優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，又對(duì)QY50U吊臂的強(qiáng)度、剛度及局部穩(wěn)定性進(jìn)行了校核，確保優(yōu)化結(jié)果的可靠性和實(shí)用性。通過(guò)對(duì)主臂的三維建模單元的選取和網(wǎng)格的劃分載荷的施加和約束的處理等一系列過(guò)程，最終得出各個(gè)臂段在不同工況下的位移云圖應(yīng)力云圖相應(yīng)的應(yīng)力值表。

    通過(guò)數(shù)據(jù)和圖樣表明：經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)之后的QY50U，吊臂的強(qiáng)度、剛度及局部穩(wěn)定性均符合要求，并且各技術(shù)性能指標(biāo)都有一定的提高。

    在理論設(shè)計(jì)之后，又對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)之后的QY50U汽車(chē)起重機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)應(yīng)力的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。首先選取結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)試工況，然后對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行合理的布置，最后通過(guò)測(cè)試得出結(jié)構(gòu)應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果。

    通過(guò)將測(cè)點(diǎn)處計(jì)算應(yīng)力的理論值與實(shí)測(cè)值比較可得知，實(shí)測(cè)值和理論值兩者得出的結(jié)果相近，說(shuō)明設(shè)計(jì)計(jì)算出的數(shù)值是準(zhǔn)確的，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值均小于許用應(yīng)力，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

    經(jīng)過(guò)起重臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)，QY50U優(yōu)化后比優(yōu)化前的起重性能要優(yōu)越很多，在基本臂工況下比較可見(jiàn)，在5米以上幅度，QY50U的起重性能提升約5.2%左右，在中長(zhǎng)臂工況下比較可見(jiàn)，QY50U的起重性能提升約8.5%左右，在全伸臂工況下比較可見(jiàn)，QY50U的起重性能提升約7.5%左右。

    U形臂在汽車(chē)起重機(jī)上的應(yīng)用與展望

    目前，北方交通已經(jīng)把“U”形臂技術(shù)成功的應(yīng)用到了6個(gè)噸級(jí)的產(chǎn)品上，已經(jīng)形成了新一代的U形臂系列型譜，主要產(chǎn)品包括QY20U、QY25U、QY25U5、QY35U5、QY50U、QY70U，這些產(chǎn)品的技術(shù)性能指標(biāo)都達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，深受?chē)?guó)內(nèi)外客戶的認(rèn)可和好評(píng)。

    通過(guò)U形臂汽車(chē)起重機(jī)的研發(fā)，北方交通形成了自己的專利技術(shù)、專有技術(shù)，生產(chǎn)出了一系列具有北方交通特色的汽車(chē)起重機(jī)。未來(lái)，北方交通起重機(jī)事業(yè)部全體工程技術(shù)人員將再接再厲，不斷地開(kāi)拓進(jìn)取，與時(shí)俱進(jìn)，以市場(chǎng)為核心，以用戶需求為導(dǎo)向，為推動(dòng)中國(guó)起重機(jī)的發(fā)展與進(jìn)步。 

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