随车起重机的结构分析和优化设计

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分类号：密级：UDC:编号：201321201009河北工业大学硕士学位论文随车起重机的结构分析和优化设计论文作者：刘玉江学生类别：全日制学科门类：工学学科专业：力学指导教师：李晓雷职称：副教授 DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofMechanicalEngineeringStructuralanalysisanddesignoptimizationoflorry-mountedcranebyLiuYujiangSupervisor:AssociateProfessor.LiXiaoleiApril2016 原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文不包括任何他人或集体已经发表的作品内容，也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。对本文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人或者集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签字：日期：2016.05.21关于学位论文版权使用授权的说明本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的以下规格：学校有权采用影印、缩印、扫描、数字化或其他手段保存论文；学校有权提供本学位论文全文或者部分内容的阅览服务；学校有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流；学校有权向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签字：日期：2016.05.21导师签字：日期：2016.05.21 摘要近年来，随车起重机作为新兴产品，已经在汽车起重机应用以外开辟了新领域。它主要以小吨位起吊作业为主，满足工程技术人员在工作中多样化的需求。针对折臂式随车起重机在使用过程中出现起重性能不够稳定和部分结构受力较大的情况。本文通过技术人员给予的参考资料和随车起重机使用过程中存在的问题对随车起重机吊臂进行分析研究。主要内容如下：首先，利用三维建模软件建立随车起重机吊臂模型。在不影响力学性能的前提下，通过有限元分析软件对模型进行简化,对随车起重机实际工作中出现的各种工况进行静力学分析。分析各种工况下危险截面出现问题的原因。危险位置包括第一伸缩臂和第二伸缩臂的搭接处、内臂下缘肋板处、变幅油缸和伸缩臂连接铰点处，通过分析处理这些区域来提高吊臂整体刚度强度满足使用要求。其次，通过对随车起重机吊臂动力学分析，验证模型的完整性。使不同构件之间能够正确安装使用，工作时不会产生干扰。通过分析吊点的速度、加速度、位移变化情况，还有伸缩油缸和变幅油缸的受力情况。找到动力油缸和变幅油缸的最大受力情况，为合理设置吊臂起升速度和液压油缸起重力矩提共参考。再次，分析随车起重机吊臂的截面形状，在已有参考资料的基础上，对截面模型进行参数化处理，设定合理的参数变化范围，以随车起重机吊臂的重量为目标函数，在满足起重机承载的刚度和强度要求，不超过最大允许应力的条件下找到最优解。同时根据以往的经验对随车起重机伸缩臂之间的搭接长度进行优化分析。最后，在优化的基础上，对随车起重机吊臂进行模态和实验分析。通过分析吊臂结构的固有频率，为结构设计时避免共振和预测设备故障诊断提供参考，通过实验测试危险位置点的应力应变情况，并与软件分析计算结果进行对比，验证分析结果的准确性。关键词：静力学分析，结构优化，动力学仿真，模态分析，实验分析I ABSTRACTInrecentyears,asanewvehiclecraneproduct,ithasopenedupnewapplicationareasoutsidethetruckcrane.Truck-mountedcraneliftingoperationsaremainlyinsmalltonnage-based,meetingtheengineersandtechniciansworkinavarietyofneeds.Technicalreferencesandusetheexistingproblemsofthelorrycraneboomwereanalyzedinthispaper.Themaincontentsareasfollows:Firstly,Usingthree-dimensionalmodelingsoftwarebuildmodellorrycraneboom.Finiteelementanalysissoftwaresimplifiesthemodel,withoutaffectingthemechanicalpropertiesofthepremise.Staticsanalysissimulatesrealworktruck-mountedcraneappearedvariousoperatingconditions.avarietyofconditionsdangeroussectionsreasonsareanalysised.Secondly,KineticanalysisverifiescompletelorrycranejibModel.Workwillnotproduceinterferencebetweendifferentcomponentsindifferentconditions.Analysisliftingpointvelocity,acceleration,displacementchanges,aswellastelescopiccylindersandcylinderluffingtheforces.Theseanalyzesareforthefollowingfiniteelementanalysisandoptimizationdesignfoundation.thirdly,Sectionalmodellorrycraneboomisparameterizedandsetsareasonablerangeofparameterchanges.Weightlorrycranejibcranemeetstheobjectivefunctionbearingstiffnessandstrengthsrequirements.Findingtheoptimalsolutioniswithoutexceedingthemaximumallowablestressconditions.TruckCraneTelescopiclaplengtharebetweenthearmstooptimizetheanalysis,basedonpastexperience.Finally,Modalanalysisandexperimentsalreadyarecarriedoutinthelorrycranejiboptimizedbasis.Peopleunderstandtheproduct'suse,andprovidethetechnicalbasisforfutureproductdevelopment.Keywords:staticanalysis,structuraloptimization,dynamicssimulation,modalanalysis,experimentalanalysisIII 目录摘要............................................................................................................................................IABSTRACT....................................................................................................................................III第一章绪论...................................................................................................................................11.1研究背景与意义...............................................................................................................11.1.1随车起重机的发展概况..........................................................................................11.1.2折臂式随车起重机的组成......................................................................................21.1.3随车起重机的材料和截面形状..............................................................................31.2国内外研究现状...............................................................................................................31.3主要工作内容...................................................................................................................4第二章随车起重机吊臂的静力学分析...................................................................................72.1起重机的基本参数...........................................................................................................72.2起重机载荷.......................................................................................................................82.2.1载荷分析..................................................................................................................82.2.2载荷参数..................................................................................................................92.3吊臂模型的建立.............................................................................................................102.4吊臂材料参数.................................................................................................................112.5吊臂的静力学分析.........................................................................................................112.5.1工况一....................................................................................................................122.5.2工况二....................................................................................................................142.5.3工况三....................................................................................................................162.5.4工况四....................................................................................................................182.6本章小结.........................................................................................................................21第三章随车起重机吊臂的动力学分析.................................................................................233.1吊臂的动力学方程.................................................................................................................233.2吊臂的动力学仿真.................................................................................................................253.2.1约束设置................................................................................................................253.2.2驱动设置................................................................................................................263.2.3动力学仿真............................................................................................................273.3吊臂的动力学分析.................................................................................................................293.3.1工况一....................................................................................................................29V 3.3.2工况二....................................................................................................................313.3.3不同工况仿真结果对比........................................................................................333.4本章小结...................................................................................................................................33第四章随车起重机吊臂的优化..............................................................................................354.1优化设计基本原理.........................................................................................................354.2伸缩臂截面优化.............................................................................................................354.2.1伸缩臂的截面形状................................................................................................354.2.2伸缩臂截面的优化过程........................................................................................364.3伸缩臂各臂间的搭接长度优化.....................................................................................424.4本章小结.........................................................................................................................47第五章随车起重臂的模态分析和实验计算........................................................................495.1模态分析.........................................................................................................................495.1.1基础理论................................................................................................................495.1.2网格划分和工况分析............................................................................................505.2模态结果分析.................................................................................................................525.3实验分析.........................................................................................................................525.3.1实验数据准备........................................................................................................525.3.2实验基本流程........................................................................................................525.3.3测试方法和测试点设置........................................................................................535.4实验结果.........................................................................................................................555.5本章小结.........................................................................................................................57第六章结论与展望....................................................................................................................596.1结论.................................................................................................................................596.2展望.................................................................................................................................59参考文献.........................................................................................................................................61致谢.........................................................................................................................................65VI 第一章绪论1.1研究背景与意义1.1.1随车起重机的发展概况随车起重机是将起吊系统安装在载重汽车上的一种起重机。由于随车起重机具有起重、载货运输、机动灵活等优点，在交通运输、土木建筑、码头等行业[1]被广泛应用。图1.2展示了随车起重机的应用实例。目前，法国、英国、德国、瑞典、日本等国家的公司随车起重机技术比较发达[2-4],这些欧美公司的产品众多，已经研发了多功能、安全可靠、操作简便的新产品[5]。目前我国随车起重机行业发展迅速，下表1.1是我国随车起重机行业近几年来的发展状况。从表中我们可以看出随车起重机在整个工程起重机行业中一直占据着很高的市场份额是各个厂商争相研发的领域。表1.12015-2013年1-4月起重机销售数据产品类别2015年1-4月2014年1-4月2013年1-4月汽车起重机356259206301全地面起重机445549履带起重机395412424随车起重机302337783214轮胎起重机715850行业总销量70951022310038从表1.1中可知我国工程机械市场随车起重机产品2015年1-4月的总销量3023台，从图1.1可知销量所占整个行业总销量的比例为42.6%。近几年来，国内市场产销总量增长势头良好，国内起重机包括知名厂商徐工集团、三一集团和中联重科，他们通过自主研发科技创新和收购国外的一些重型机械公司得到快速发展，但在技术上[6]跟国外先进的产品还存在一定差距。主要表现在：(1)性能方面，质量稳定性较差，故障发生率较高；产品自动化程度低，关键技术掌握的不多，有待突破；(2)材料方面，国内主要随车起重机用厂商产品用钢还没有采用低合金高强度钢或其他复合轻型[7]材料，造成了随车起重机整体重量较大，利用率不高。1 图1.12015年各类产品销量市场份额图1.2吊臂展示图1.1.2折臂式随车起重机的组成折臂式随车起重机吊臂动力支撑系统和伸缩臂系统组成，动力支撑系统包括变幅油缸和伸缩液压缸组成，伸缩臂系统主要又三节伸缩臂和内臂、转台等几部分组成。折臂式随车起重机吊臂系统[8]的结构为图1.3至图1.5。图1.3折臂式随车起重机吊臂系统1.吊钩2.伸缩臂3.伸缩液压缸4.内臂5.变幅连杆6.立柱转台7.变幅液压缸8.回转液压缸9.横梁组10.支腿机构及控制系统图1.4折臂式随车起重机折叠状态图1.5折臂式随车起重机伸缩臂结构2 吊臂作为主要工作部件是随车起重机起吊系统的重要组成部分，吊臂整体重量一般会占随车起重机整体重量的15%~20%[9]。起重机可以通过吊臂直接吊卸载荷，能够适应多种工况。因此对随车起重机吊臂的结构和力学性能进行分析具有重要的现实意义。1.1.3随车起重机的材料和截面形状高性能钢材和新型材料的使用对降低随车起重机吊臂的重量，提高它的起升能力具有重要作用。一般的大中型直臂式随车起重机中，吊臂整体的重量能够占到整机质量的15%～20%；在折臂式随车起重机中整体吊臂的重量能够占到整机质量的20%～25%[10]。新型材料具有良好的机械延展和焊接性能。因此对随车起重机吊臂进行分析，采用新型合成钢材和新开发出来的新型材料能够降低整体吊臂重量，节约生产成本，减轻随车起重机底盘的负荷，提高随车起重机在工作过程中的灵活性和便捷性。随车起重机伸缩臂考虑的主要因素有强度、刚度以及在工作过程中变现出的稳定性等。在同等条件下使伸缩臂的重量减小又节约成本，通过对主要伸缩臂截面[11]进行研究，包括四边形、五边形、六边形、八边形、十边形以及椭圆形等，在考虑各种因素的情况下，对多种不同截面进行分析，包括截面生产的难易程度和不同截面在使用过程中性能比较，都对我们以后研究截面形状变化提供的参考。1.2国内外研究现状随车起重机作为国内外热门的研究领域，有许多专家和学者进行这方面的研究，解决了随车起重机在工作过程中存在的问题，对推进整体起重机技术进步起了重大作用。大部分的专家和学者主要是针对随车的起重机的吊臂系统进行研究，因为吊臂系统是主要的起吊作业工具。这方面研究对于改善起重性能具有重要作用。下面是针对对各型起重机吊臂的研究如下：李传龙[12]研究了船用起重机吊臂模型，对吊臂在船上工作复杂工况进行了有限元分析，进行动力学模态分析，分析吊臂的固有振型，通过与原有实验数据进行对比，证明有限元模型分析的正确性。桓耀辉[13]对汽车起重机的吊臂模型进行了分析研究，运用ANSYS的APDL语言对ANSYS进行二次开发，实现吊臂数据的有限元分析参数化。降低分析过程的工作量，提高了工作效率。艾志久[14]对井控作业的节流管汇设备研究。运用Workbench多物理场耦合平台研究流固双向耦合，对节流设备疲劳寿命进行强度校核和数值分析，确定其安全范围。陈晨[15]采用接触法建立考虑接触和摩擦的吊臂有限元模型，运用非支配遗传算法在相近的模型内进行多目标数学优化分析，为机械结构的优化设计提供了参考。3 张帅[16]对起重机进行动力学仿真，完成了起重机模型运动学分析的参数化，并应用CREO对起重机模型进行动力学仿真。建立微分方程，运用MATLAB求解方程，完成起重机中低高幅度作业分析。林雪[17]对箱型伸缩臂进行接触分析，以不规则四边形截面为研究对象，分别模型箱型接触面和滑块之间的面面接触，才用不同的简化方式，将得到线性结果和非线性结果进行对比分析，为滑块在截面的位置和长度尺寸提供参考。解海军[18]对铁路救援机械进行研究分析，起重机是主要工具，他研究了不同材料的滑块对于提高吊臂整体受力的影响，改善受力分布不均匀的现象。MilojirD[19],P.V.Danizhu[20]等人对各种多边形截面如何影响梁的刚性、稳定性和最大应力做了研究。PirkoKjelodevic[21]研究箱型臂的承载能力和优化设计参数与局部应力与的相互关系。马胜[22]对铁路随车起重机伸缩吊臂结构的有限元研究中用梁单元和壳单元建立有限元模型，计算起重机吊臂在选择载荷工况下的变形和局部应力情况。并校核起重机吊臂结构的稳定性，改善起重机结构受力不均的现象。高晋晋[23]在汽车起重机臂架设计与随机可靠性研究中，为提高臂架的承载能力，加强可靠性，采用有限元函数功能计算概率的思路，应用ANSYS中APDL编程模块和PDS可靠性计算，验证了蒙特卡罗模拟随机有限元法的准确性。杨晶[24]在汽车起重机吊臂的CAE分析中，基于VisualBasic平台，利用软件开发的交互界面，形成参数化和专业化的有限元计算研究系统。并以汽车起重机吊臂为实验，验证该系统的正确性。1.3主要工作内容本课题以某型随车起重机的吊臂为研究对象，应用三维建模软件和有限元分析软件，对于产品结构进行分析和优化，主要包括以下内容：（1）翻阅校内资料和厂方提供的资料，对产品研发使用过程中存在的问题进行了分析，确定产品研发过程中使用的结构方案。（2）利用三维建模软件建立随车起重机吊臂模型，把建好的模型导入ANSYS软件中。查找不同工况情况下，出现的危险截面，分析各种工况下出现问题的原因。（3）通过对随车起重机吊臂动力学分析，验证模型的完整。在不同工况下，不同构件之间工作不会产生干扰，分析吊点的速度、加速度、位移变化情况，和伸缩油缸和变幅油缸的受力情况，为后续进行有限元分析优化设计奠定基础。（4）通过对随车起重机吊臂的截面分析，在已有的基础上，对截面模型进行参数化处理，设定合理的参数变化范围，以随车起重机吊臂的重量为目标函数，满足起重机承载的刚度和强度要求，在不超过最大允许应力的条件下找到最优解。同时根据4 以往的经验对随车起重机伸缩臂之间的搭接长度进行优化分析。（5）同时在优化的基础上进行模态和实验数据分析，把实际工况下的测量值和理论软件分析值进行对比分析，验证软件分析吊臂工作的准确性。为后续的产品开发提供技术参考。5 6 第二章随车起重机吊臂的静力学分析随车起重机吊臂尺寸过大，实际分析存在困难，随着有限元分析软件的兴起，为解决这类实际模型过大的问题提供了解决方案，本章通过有限元分析软件ANSYS对随车起重机吊臂进行分析。2.1起重机的基本参数厂家推出的产品折臂式随车起重机使用过程中存在随车起重机吊臂本身自重过大，吊臂在起升过程中波动较大等问题。本课题对随车起重机起吊过程中出现的问题进行研究。本课题是在厂家提供原有的技术数据基础上，进行产品设计优化。对折臂式随车起重机的吊臂进行刚度、强度分析；对于随车起重机吊臂工作过程中稳定性、疲劳寿命的校核。产品分析主要使用建模软件UG和有限元分析ANSYS和动力学分析软件ADAMS。在对随车起重机分析过程中，主要对随车起重机[25]工作过程中各个工况下各节伸缩臂的受力情况，每个随车起重机部件在受力情况下的位移，起重机在起吊过程中各伸缩臂臂油缸和变幅油缸的受力情况，以及不同工况下起重机位置角点的最大受力情况等。表2.1提供了起重机的基本数据。通过工况分析得到各部位的数据参数，为产品的后续研发和改进提供参考基础，包括各部件的选择使用情况和材料的选取，以及液压油缸伸缩过程中的受力情况分析，提供技术支持。表2.1随车起重机的基本数据力矩等于力Ｘ力臂，是起重量和工作半径的乘积。是起重机的起重能力。工作半径工作半径是指立柱中心到吊钩中心的水平距离。最大工作半径是起重臂水平时，从立柱中心到吊钩的长度。举升高度举升高度是指吊钩到地面的垂直高度。最大举升高度是起重臂最大仰角及最大臂伸时，吊钩中心到地面的垂直距离。支腿跨距支腿跨距是水平油缸全部伸出时两支腿中心之间的水平距离。回转角度回转角度是指起重机旋转的工作范围。变幅范围变幅范围是指变幅油缸从全缩至全升时，起重臂与地面的最小夹角至最大夹角的变化范围。表2.2提供了随车起重机的各种参数。为我们后续研究提供数据参考。7 表2.2随车起重机各种参数项目单位参数额定起重量kg4000额定起重力矩T.M8回转角度。360全回转起重能力(kg/m)4000/2.1变幅角度。0-75工作幅度M2-7.2根据随车起重机的工作分析，主要是对每个受力工况下,不同节臂和随车起重机上各部件进行受力分析和位移计算。由于测试的随车起重机起吊工况较多，因此需要对随车起重机的吊臂模型进行部分简化[26]，提高计算机的运算效率。根据实际经验和随车起重机吊臂结构[27]特点，在力学传递性能不受影响的前提下，去掉随车起重机吊臂分布多余的构件和相关的外形包装构件，尽量简化吊臂模型，方便有限元计算。本论文中主要使用的单元体主要是四面体和六面体。2.2起重机载荷2.2.1载荷分析起重机载荷状态时包括自重载荷PG、起升载荷PQ、起升冲击载荷、起升动载荷。其中起升动载荷是指当物品突然无约束被提升离地或在空中突然被下降制动时，物品的惯性力将会使起重机的起升载荷产生动力效应而增大，此时应用起升动载系数ϕ和起升载荷的乘积来考虑P。起升状态划分为HC1-HC4四个级别：HC1表示起升2Q离地平稳；HC2表示起升离地由轻微冲击；HC3表示起升离地有中等程度的冲击；HC4表示起升离地有较大的冲击。表2.3操作系数β和起升动载系数φ22起升状态级别β2φ2φ2minφ2maxHC10.21.001.3HC20.41.051.6HC30.61.101.9HC40.81.152.2相应的系数β2和φ2值也在表2.3中。起升状态级别通常根据起重机的各种具体特定特性选取，也可以根据经验公式确定。无论对何种起升状态级别，φ2值都可以按实验或分析确定。系数φ的取值根据起升速度V确定，当V≤0.2m/s时，φ=φ；当V>0.2m/s2dd22mind时，φ=φ+β。22min28 式中V—稳定起升速度dφ—起升动载系数2β—由起升状态级别决定的系数2φ—由起升状态级别决定的起升动载系数的最小值2min如果起升控制系统能保证用稳定的起升速度起升，则此速度来确定正常起升时的φ值；如果不能保证则要考虑正常操作和特殊情况确定的起升动载系数。22.2.2载荷参数根据厂方提供的该折臂式随车起重机的功能参数和其性能指标，查阅国家标准GB/T3811—2008《起重设计规范》[29]以及国家标准规范GB/T26473—2011《起重机—随车起重机安全要求》[30]等一系列的相关规范，最后确定某型折臂式随车起重机所承受的载荷选取情况。常规载荷的选取：（1）自重载荷FG重力加速度F=9814mm/s2;G（2）起升载荷FQ起升载荷按照实际工况计算得出，额定起重力矩为300kN·m；（3）起升冲击载荷Fc起升冲击载荷Fc计算方式如公式2.1所示；F=F*Φ（2.1）cG1式中：Φ1为冲击载荷系数。起升冲击载荷其中Φ±=1a，0a1≤≤;1（4）起升动载荷系数Fd起升动载荷系数Fd计算方法如公式2.2所示；F=F*Φ（2.2）dQ2其中：Φ2为起重机的起升动载荷系数，查看国家起重标准GB/T3811—2008《起重设计规范》与GB/T26473—2011《起重机随车起重机安全要求》-，取Φ2=1.06；（5）转台系统在工作过程中产生的力仿真计算过程中在模型回转中心施加回转惯性加速度，如公式2.3所示。α=ωt（2.3）其中：ω为转台回转速度，2.5r/min；t为转台制动时间2s。（6）风载查阅设计手册[31]，风压值P=125N/m2，风载荷计算如公式2.4所示。Pw=APC（2.4）其中:Pw为起重机工作时受到的风载，单位N；A为与风向相垂直的起重机构的9 迎风面积，单位m2；P为起重机工作时受到的计算风压，单位为N/m2。表2.4风载系数表类型说明空气动力长细比I/b或I/D<=51020304050单根构轧制型钢，矩形型材，钢板1.31.351.601.651.701.90件圆形型2DV<6/MS0.750.800.900.951.001.10S钢构件2DV>=6/MS0.600.650.700.700.750.80S箱型截面构件，大b/d于350mm的正方形21.551.751.952.102.2011.401.551.751.851.90.250mm*450mm的0.51.001.201.301.351.40矩形0.250.800.90.901.001.00单片片直边型1.70面桁架圆形型DVS<6M2/S1.20钢DVS>=6M2/S0.80机器房地面上或实体基础上的矩形外1.10号壳结构当风载方向和起重机部件的纵向轴线或结构表面成一定角度时，风载荷的计算如公式2.5所示。2Pw=APCsinθ（2.5）其中:θ为风向与部件的纵向轴线或者结构表面的夹角(θ<90°)，风力系数C根据表2.4选取为1.60。（7）约束方法根据随车起重机吊臂模型的运动方式约束方式采用回转中心处施加完全约束。约束两铰孔内圆面：约束其轴向，径向以及切向自由度（即约束了两铰孔内圆面所有自由度）。2.3吊臂模型的建立运用UG软件建立随车起重机吊臂模型，根据合作厂家给的数据建立模型。其模型展示图如图2.1和图2.2所示。10 图2.1吊臂的模型主视图图2.2吊臂模型左视图2.4吊臂材料参数计算使用材料的许用应力，根据图书馆查阅《起重机设计手册》和其他相关资料得到材料许用应力[σ]的计算公式如公式2.6所示。[σ]=(0.5σ+0.35σ)/n（2.6）sb根据厂方的使用资料和技术人员沟通得知，设计产品以前方案中主要应用的材料为Q690材料。表2.5吊臂材料定义组件材料弹性模量泊松比密度伸缩臂Q6902.06E11Pa0.287860Kg/m3滑块MC尼龙0.283E10Pa0.41.15×103kg/m3Q690材料，δs=690MPa，δb=770MPa，安全系数n为1.34，臂架许用应力为415MPa。我们根据以上数据利用公式计算吊臂结构的允许位移,根据国家标准GB/T3811—2008《起重设计规范》得知，如公式2.7所示:2f≤0.1l（2.7）lc式中：F[33]l为臂端在变幅平面内垂直于吊臂轴线方向的静位移，单位m；lc为吊臂长度，单位m。得到模型的许用应力后，通过处理调用ANSYS，按照随车起重机的实验的工况进行处理计算，并提供不同工况下的应力和位移的计算结果，将提取的有限元分析结果按照随车起重机吊臂的组成进行分别介绍。2.5吊臂的静力学分析根据对随车起重机不同工况分析。对随车起重机吊臂端吊钩上加载重物后，对内臂，转台以及三节伸缩臂进行Workbench有限元计算后，通过后续选择输出可以得知11 不同构件的应力值和位移值。在这些计算结果中选择输出VonMises应力[34]，它的单位为MPa，是按第四强度理论计算的相当应力。位移显示的是各点的总位移，单位为mm。2.5.1工况一三节伸缩臂全缩在状态内臂与水平成零度角，基本臂与水平成角零度，基本臂端加载4T。图2.3整体节臂应力云图图2.4整体节臂位移云图通过对上面两张图2.3和图2.4可知，最大应力区域在转台与回转机构叠部位，是476.67Mpa整体吊臂最大位移出现在臂头处，最大值为50.076mm。图2.5一伸臂应力云图图2.6一伸臂位移图通过上图2.5和图2.6可知，第一伸臂的最大应力区域在变幅油缸与第一伸臂连杆搭接处，应力大小为233.57MPa。整体受力情况：整体受较小在234MPa以下，滑块处受力比较小。最大位移值为466.509mm。12 图2.7内臂应力云图图2.8内臂位移云图通过上面图2.7和图2.8可知，内臂的最大应力区域在内臂和第一伸臂轴承连接外侧边缘处，最大应力值为391MPa。整体受力情况：由于使用连杆连接时，孔的外侧受到挤压，促使连接孔周围应力过大。其他孔的连接处受力较小。内臂的最大位移为18.628mm满足允许位移要求。图2.9转台受力云图图2.10转台位移云图由图2.9和2.10可知，转台的最大应力区域在转台与伸缩油缸搭接处，最大应力值为476.79MPa。转台整体受力情况：转台肋板处受力比较大达到400.75MPa，伸缩油缸上与转台连接处受力较小。转台的最大位移值为6.7416mm。表2.6工况一各构件应力分析构件应力值点一应力值点二应力值点三许用应力MPaMPaMPaMPa整体伸缩臂233.57207.73214.56内臂391.21347.79385.51462转台476.7423.85410.24工况一计算结果分析如表2.6所示，转台和整体伸缩臂的受力都符合应力要求，转台处所受应力较大，肋板是吊臂在工作过程中已损坏位置，需要我们在此处多做一些研究。13 2.5.2工况二内臂与水平夹角七十度，基本臂与水平夹角七十度三节伸臂处于压缩状态。风载方向垂直与变幅平面，加载2吨。图2.11伸缩臂整体应力云图图2.12伸缩臂整体位移云图通过上图2.11可知伸缩臂整体的最大应力区域在变幅油缸与第一伸臂连接杆连接处的变幅油缸附近，最大应力值是528.29MPa,臂端的最大位移是33.977mm。图2.13一伸缩臂应力云图图2.14一伸缩臂位移云图通过上图2.13第一伸缩臂的最大应力区域在第一伸臂与旋转机构连接处，最大应力值是369.25MPa，整体受力情况，第一伸臂与变幅油缸或内臂连接的接口处受力比较集中，出现应力最大状况，其他区域受力较小。由图2.14可知第一伸缩臂的最大位移值31.104mm。14 图2.15内臂应力云图图2.16内臂位移云图通过上面图2.15和图2.16可知，内臂的最大应力区域在内臂下侧肋板的边缘处，整体的受力情况：内臂整体受力比较均匀，没有应力集中部位，整体受力比较小。内臂的最大位移值是19.834mm。图2.17转台的应力云图图2.18转台的位移云图工况二计算结果分析，通过图2.17和图2.18可知，转台最大应力区域在伸缩油缸与转台在底端连接地方，最大应力值是320.97MPa。整体受力情况：转台的肋板下侧受力集中较大，转台与伸缩油缸连接处受力最大，转台上测受力较小。最大位移值是50.585mm。表2.7工况二各构件应力分析构件应力值点一应力值点二应力值点三强度结果分析MPaMPaMPaMPa整体伸缩臂528.29469.59410.35内臂369.25328.29340.52462转台188.17167.59173.25随车起重机在工况二下，各构件的应力分析值如表2.7所示。发现转台处受力较大。肋板起到承载受力作用，在使用过程中肋板处容易受到重载荷冲击下，发生破坏，引起起重机不能正常工作。15 2.5.3工况三内臂与水平方向成75度，三节伸缩臂完全展开，风载方向垂直与变幅平面，加载1.5吨。图2.19整体伸臂应力云图图2.20整体伸臂位移云图通过上面图2.19和图2.20可知整体伸臂最大应力区域在第三伸臂前端与吊钩相连接的部位，可能是模型装配尺寸不合适，出现了应力集中现象。最大位移在第三伸臂端头125.91mm。图2.21三伸臂应力云图图2.22三伸臂位移云图通过上图2.21和图2.22可知第三伸臂的最大应力区域出现第三伸臂端头位置达到711.39MPa出现应力集中现象。整体受力情况：第三伸缩臂端头与吊钩连接的位置受应力比较集中，其他位置受力都比较小。16 图2.23二伸臂应力云图图2.24二伸臂位移云图通过上面两幅图2.23和图2.24可知，第二伸缩臂的最大应力区域在第二伸缩臂与第三伸缩臂连接部位附近，最大应力值达到483.63MPa。整体受力情况：第三伸缩臂臂端滑块连接部位受力较大，左侧出现受力不均匀现象。其他部位受力比较均匀，没有出现应力集中现象。图2.25一伸臂应力云图图2.26一伸臂位移云图由上面两幅图2.25和2.26可知第一伸缩臂的最大应力在变幅油缸与第一伸缩臂横向连接内臂，最大应力值为279.39MPa。整体受力情况：变幅油缸与第一伸缩臂横向连接内臂受挤压力较大，其他区域受力较小。图2.27内臂应力云图图2.28位移云图由上面图2.27和图2.28可知，内臂的最大应力区域在内臂与转台连接部位受力17 较大，最大应力值为282.31MPa。整体受力情况：内臂下侧肋板处受拉力较大，内臂与转台连接的部位受力也比较集中。图2.29转台应力云图图2.30转台位移云图由上面两个图2.29和图2.30可知转台的最大应力区域在转台底端和伸缩油缸连接部位，最大应力值是461.35MPa。整体受力情况：转台底端与油缸连接部位受力比较大，转台下侧肋板位置受拉伸力较大。表2.8工况三各构件应力分析构件应力值点一应力值点二应力值点三强度结果分析MPaMPaMPaMPa第一伸缩臂742.27495.25413.50第二伸缩臂425.36378.43401.35462第三伸缩臂217.41193.35201.34内臂241.15214.74230.87转台400.72356.20375.42在工况三下，第一伸缩臂和第二伸缩臂搭接处受力较大，此处属于应力集中区域，应力值数据如表2.8所示。出现了应力集中现象可能是模型装配尺寸不合适，造成模型之间相互挤压。2.5.4工况四内臂与水平夹角60度，三节伸缩臂全部展开，风载方向垂直与变幅平面，在第一伸缩臂端部加载1吨。18 图2.31伸臂整体应力云图图2.32伸臂整体位移云图由上图可知吊臂整体的最大应力区域在在第三伸臂与吊钩连接的臂端。吊臂整体的最大位移值为122.35mm。图2.33三伸臂应力云图图2.34三伸臂位移云图由上图2.33和图2.34可知三伸臂的最大应力区域在第三伸缩臂端头，最大应力值为584.59MPa。整体受力情况第三伸缩臂端头与吊钩连接的位置受应力比较集中，其他位置受力都比较小。图2.35二伸臂应力云图图2.36二伸臂位移云图由上图2.35和图2.36可知二伸臂的最大应力区域在第二伸缩臂与第三伸缩臂连接部位。最大应力值为466MPa。整体受力情况：第二伸缩臂与第三伸缩臂连接位置的滑块受力较小，第二伸缩臂端角处受力较大，其他部位受力都比较小。19 图2.37一伸臂应力云图图2.38一伸臂位移云图由图2.37和图2.38可知一伸臂的最大应力区域在第一伸缩臂与第二伸缩臂连接的部位，最大应力值是157.82MPa。整体受力情况第一伸缩臂滑块位置受力较大达到157MPa，其他连接位置也有受力但是相对较小。图2.39内臂应力云图图2.40内臂位移云图由上图2.39和图2.40可以看出内臂的最大应力区域在内臂和转台轴连接的臂内侧，最大应力值是325.37MPa。整体受力情况：内臂与转台连接的内侧受挤压力较大，其他连接处受力较小。图2.41转台应力云图图2.42转台位移云图由上图可知转台的最大应力区域在转台下侧肋板与圆柱平台连接部位,最大应力值为406.32MPa。整体受力情况：转台下侧肋板与圆柱平台连接部位受力较大，外侧20 转台肋板处受力也较大，其他均是转台两侧肋板处受力较大。表2.9工况四各构件应力分析应力值点一应力值点二应力值点三强度结果分析构件MPaMPaMPaMPa第一伸缩臂584.59454.49390.27第二伸缩臂466.00414.58420.36第三伸缩臂157.78140.38145.38462内臂325.37289.28300.25转台406.32361.24385.35通过表2.9分析各构件应力分析状况，可知第一伸缩臂和第二伸缩臂受力较大，容易产生危险情况，应力集中产生的位置属于第一伸缩臂和第二伸缩臂之间搭接的位置，此处有滑块滑动，容易造成应力集中。表2.10不同工况下位移值模型计算结果伸缩臂长度挠度许用挠度mmmmmm工况一430050.768184.9工况二320033.977102.4工况三7200102.25518.4工况四7200122.35518.42根据公式fl≤0.1lc，算出随车起重机不同工况下吊臂整体的位移情况，把有限元分析软件得出的位移值和吊臂整体允许位移值对比。通过分析可知，实际位移值都小于允许位移量，符合使用要求。2.6本章小结由各个工况总结得出以下结果：（1）通过对不同工况的对比分析，每节节臂的受力情况不同。在伸缩臂没有完全伸开的状态下，最大应力值出现在第一节伸缩臂与伸缩油缸连接的部位；在伸缩臂完全伸展开时，第三节伸缩臂与第二节伸缩臂搭接部位，在滑块出现的位置容易出现应力集中。（2）各节起重机伸缩臂两端滑块搭接的位置都会产生很大的应力。应力值与真实值存在一点误差，在实际工作出现的工况下，搭接部位需要承受很大的弯矩和压力。对于两节伸缩臂间的搭接部位需要加强。（3）上述工况下，各节伸缩臂整体受力不是很大，大应力集中区域主要分布于变幅油缸铰点连接处、不同伸缩臂间的滑块搭接处，还有伸缩臂滑轮安装座与起重机臂架安装处。对这些区域对局部结构优化，减少出现屈曲变形，避免应力集中现象出21 现。本章运用建模软件UG和有限元分析软件ANSYS，对随车起重机进行建模，建立相应的有限元分析模型。使用ANSYS软件对随车起重机出现的多种工况进行受力分析和计算。通过对不同计算结果的分析得知，整体吊臂系统的受力状况，部分工况出现的危险截面以及受力出现不均匀。起重机整体吊臂受力平稳，出现的大应力集中分布于伸缩油缸铰点、不同伸缩臂间的滑块搭接处。通过参考数据发现，结果与实际情况相差不大，为后续产品的升级提供了技术支持。22 第三章随车起重机吊臂的动力学分析研发出来的产品主要是应用到实际工作中，动力学的分析对随车起重机能够正常运转起着重要作用，动力学分析包括对随车起重机吊臂各部件的运转和起吊过程。分析在不同工作状态下吊臂和油缸的状况。3.1吊臂的动力学方程随车起重机主要由转台、动臂、吊臂和多组变幅油缸等组成的复杂多自由度系统。吊点的运动是由不同方向的运动复合而成的，质量和力不在运动学的考虑范畴，它属于静力学分析的范围，包括如重力、力矩[36]等。运动学的要素主要包括时间、速度、加速度，随时间变化而不断产生变化的量。产生的加速度会对机构的力学特性、液压系统的匹配特性和起重机的工作特性产生很大的影响。机构是由不同构件构成的，运动学分析主要机构在受力的条件下，构件不断发生位置变化，而产生的对位移、速度和起升过程中加速度[37]的分析，它是随时间变化而产生不断变化的量。运动学分析是对组装好的机构进行下一步分析的基础，也是为了机构在设计过程中能够完整的实现其功能的前提，通过对机构构件动力学分析，能够发现其在运动过程中存在的问题和设计的缺陷，在后续开发设计提供必要的技术参考。因此，通过对随车起重机吊臂虚拟点的位移、速度、转动过程中加速度等进行计算分析，具有重要意义。在运动学分析软件ADAMS中，通过建立微分-代数方程[38]组构建动力学方程计算方法。ADAMS中用质心笛卡尔坐标系和欧拉角作为广义坐标，即TTTTTTq=[x,y,z,ψ,θ,ϕ],
R=[x,y,z],γ=[ψ,θ,φ],q=[R,γ]
（3.1）对地面坐标系和构件质心坐标系进行坐标转换矩振为：cosψcosϕ−sinψcosθsinϕ−cosψsinϕ−sinψcosθcosϕsinψsinθAgi=sinψcosϕ+cosψcosθsinϕ−sinψsinϕ+codψcosθcosϕcosψsinθ（3.2）sinθsinφsinφcosϕcosθ拉格朗日第一类方程的能量形式得到的方程如：d∂T∂Tn∂Φ−=Qj+λi（3.3）dt∂qj∂qji=1∂qjq为广义坐标，T为系统坐标系表达的功能，Q为在q方向的广义力，方程jjj中最后一项表示在q方向的约束反力。j23 在ADAMS软件中广义动量表达式为：P=∂T/∂q（3.4）jj简化表达约束反力表达式：n∂ΦCj=λi（3.5）i=1∂qj对构件质心坐标系与欧拉转轴坐标系进行坐标变换矩阵为：sinθsinϕ0cosθB=sinθcosϕ0−sinθ（3.6）cosθ10构件的角速度表达式为：.ω=Bγ（3.7）这样方程就简化为：PQ−=−∂TC（3.8）jRj∂qJ动能进一步表达为：TTT1/2TR=+RB1/2γγJB（3.9）其中，M表示质量矩振，J表示转动惯量矩阵。将式3.5分别表示转动方向和移动方向有：∂TPQ−=−CRRR∂qR（3.10）∂TPQ−=−Cγγγ∂qγdd其中，PTRR=∂∂=()/qM()R=MV,∂∂=Tq/0Rdtdt简化为:MVQC=−（3.11）RR在ADAMS软件中，每个构件由十五个方程和十五个变量组成。MV=−QC,RRVR=,∂T方程为:PQ−−=−C,（3.12）γγγ∂qrTPBJ=Bω,γeωγ=oe变量为：24 TV=[V,V,V],XYZTR=[X,Y,Z],TPγ=[Pψ,Pθ,Pφ],（3.13）Tω=[ω,ω,ω],eψθφTγ=[ψ,θ,φ]。ADAMS根据约束方程能够生成微分-代数方程：PTq=∂/,∂uq=,TTpTq−∂/0∂+ϕλ+H=,（3.14）qϕ(,)0,qt=Ffuqt=(,,).其中，P为广义动量，H为外力坐标转化矩阵。3.2吊臂的动力学仿真根据实际机器模型，在保证力能够传递和满足强度和刚度的要求下，样机模型有转台、内臂和三节伸缩臂构成。在UG中画出模型图如图3.1所示。图3.1随车起重机吊臂模型图3.2.1约束设置根据折臂式随车起重机工作机构在实际运动过程中，各个构件的相对运动状态和连接情况，设置为旋转约束的包括：每两个构件之间的铰点连接，轴承和套筒之间的转动；移动约束包括液压缸[39]之间的伸缩，每两节伸缩臂之间的相对位移运动；固定约束包括转台的底座，它固定在汽车上；通过ADAMS软件，不同构件之间的位置约束关系都可以设置，具体如表3.1所示。25 表3.1约束设置约束类型约束副的定义约束对象移动副约束两个构件沿某方向实现移动伸缩臂及伸缩油缸固定副两个构件连接在一起，且没有相对位移没有相对移动的构件，包括转台的固定旋转副约束两个构件围绕某一旋转轴相对旋转有相对转动的构件3.2.2驱动设置随车起重机的吊臂不工作的状态时处于折臂状态，吊臂从折臂状态到全部展开，到三节伸缩臂展开，旋转的角度到最大，伸缩臂伸缩到最长的过程。把这个过程用运动函数来表示出来，在ADAMS中设置运动函数。随车起重机运动过程中，工作机构包括变幅液压缸和动力液压缸，运动形式包括液压缸的启动加速阶段、伸缩臂的匀速运行阶段、后期速度制动减速阶段，根据运动的不同方式设置相对应运动函数，通过函数设置变化能够真实反应液压缸的速度、位移[40]的变化情况，虚拟质点的速度、加速度变化情况。设置运动函数的形式为阶跃函数：L=GO(a,a,a,a,a)。这这个运动0011函数中设置虚拟质点a，a为自动变量，当aa时，001质点的位移a=a；当虚拟质点a在a