机械设计制造及其自动化外文翻译叉车的起重机臂架的设计和优化

外文来源：世界大会的工程2009年第二卷WCE 2009年7月13,2009年，伦敦，英国叉车的起重机臂架的设计和优化Miralbs R.,Castejn L.摘要本文的目的是提出一个新的应用于起重机臂的有限元法分析计算法。这一方法已经开展了各种强度和刚度，和任何类型的起重机伸缩臂：起重机，起重机，封闭梁起重机等的分析。已经模拟了该结构必须承受的不同负载情况和边界条件。这种负载条件可以从起重机正常的和极端的工作条件中获得，并且现行条例和早先经验也在考虑之中。定义方法学模拟非结构元素、联络、材料等等也是必要的。有关规定，已经有必要作出适应新英格兰大学- 58536的规定，因为特定的调控影响这些起重机臂架（新英格兰大学1726年），而有关规定没有足够的限制性。此外，还有必要估计一些平移和旋转速度，以适应新规定。此外，一些焊接部分已经被模拟和分析了，并且在一些负载情况下在实验结果和数值结果之间进行了比较分析。一旦获得这个相关性，计算方法和数值结果就被确认了。关键字：起重臂，有限元法，强度，起重机，叉车I.引言本文运用有限元分析法提出了一种用于设计和优化起重机臂的手动伸缩的方法。为此，这个设计既要照顾到刚度，应变，重量和规定标准，还要考虑到它可能应用到的各种形式起重机臂架：伸缩的（这里动力影响是相关的），桁架的，封闭箱的等。分析的起点是新英格兰大学- 58536的规定，因为新英格兰大学1726的规定对于计算是不充足的，是有轻微局限的，它有必要估计一些速度。通过这些标准和制造商的先前经验已经确定了负载情况和边界条件，既为习惯性的使用也为极端的使用，他们已经明确了材料，零件间的连接方式，焊接等。为了检验这个标准，已经将它应用于了两种类型的起重机臂架了，一种是伸缩式的，一种是封闭箱式的，它们稍后还将运用数字技术进行充分的优化。最后，伸缩式起重机臂架还要运用extensometrical程序进行测试，为的是检验数值结果和设计方法。II.基准规范对于某种类型的起重机臂架，它们没有自己的标准，但是有必要使用与叉车臂架相关的标准，特别是标准UNE-1726：“自行式的卡车的搬运能力达到 10,000 公斤容量，和工业拖拉机挂钩的牵引力达到20,000 N”，在这种状态下，所有的结构和安全计量必须支持自走式的叉车并且它的附件是详细的。与这个标准相关的是这个段落（美联社6.2），它表明：“叉车的结构部件和辅助部件必须在15分钟内能支持1.33Q1和1.33Q2的静态负载。- Q1是指根据铭牌标志，在正常海拔高度和重心归一化距离下的额定载荷。- Q2是指根据铭牌标志，在最大海拔高度下的实际载荷能力作为测试结果，它必须不能有任何损坏，或者永久变形”。通过观察这一准则，可以发现它只是一个轻微的限制，并且它必须与结构准则UNE-58536的正确设计相接轨：“普遍使用的移动式起重机的结构计算规则”以应用于轮式movil起重机。III. 标准UNE-58356在真实案例中的应用标准 UNE-58356 提出了一些负载情况 （标准表1） 以及荷载与放大系数相结合的计算方法（标准表5）：主要载荷：起重机臂的自重（G）工作负载（F）：有用的高架负载重量加上附件的重量（F0：滑轮块，吊钩，电缆，）。运行时起升和下降负载过程中产生的动态效应():这一因素的计算用公式： (1)其中 在其他情况下。 是每个元素的最高海拔速度（电缆，负载，）由于起重机运行时惯性作用引起的力：平移（T），转动（S）和幅度（L）：这些力的作用是分开的，自重和工作载荷将稍后解释。附加载荷：最不利位置处的风载荷，包括在运行中（）标准UNE 53-113和超出设计者设定的界限。它们都将稍后解释。特殊载荷：标准UNE58-501第11.6段的静态试验荷载。这是一种颠覆性的标准，表示一种1.25倍于额定载荷的载荷。所有这些情况下使用的方法都是“安全性和张力限制的局部系数”，而出现的载荷状况是以下情况，使用标准表5的放大系数。正常载荷条件：情况1：无风时的正常载荷(2)因此，有必要在转动，平移和增大幅度中间做单独地计算。情况2：有风时的正常载荷(3)特殊载荷条件：情况3：有风时的失效(4)情况4：在装配期间有风：这种特殊情况在这种结构从没有出现过情况5：静态载荷情况(5)通过观察这些载荷情况，可以证明它们比标准UNE-1726规定的载荷情况更加的不利，并且还包含于它们。另一方面，为了计算，有必要根据标准确立应力准则，确定以下：结合极限应变（使用Von Mises公式）(6)屈曲微积分(7)剪切应变微积分(8)然后，利用不同的结构计算方法和材料的材料抵抗力继续对这些原理进行计算是可能的。IV.由起重机运动惯性作用产生的力由于惯性而产生的力计算起来更加困难，而且它们取决于各种车辆所安装的刹车系统，液压系统等1。因此，为了正确的量化它们，必须用加速计进行测试，但是由于这通常是不可能的，所以它们必须尽可能的适应来自于起重机规范UNE-58-507-77关于最高速度规定的动力学因素公式。确定表1：表1：起重机的最大允许速度最大负载小于10t10t15t15t20t20t30t30t40t大于40t平移速度（m/s）2.782.361.941.391.250.97转动速度（m/s）0.370.310.250.250.210.2116m范围内的最大速度5.915.024.024.023.353.36最大负载小于2.5t2.5t4t4t6t6t10t10t15t15t25t大于40t伸缩速度（m/s）0.620.450.310.230.150.10.08于是，分别观察每个运动，但每个加速度必须用在相对于的方向上：图片1：起重机伸缩臂的运动情况-平移：这是由于起重机的平动引起的，在我的情况中是叉车的，特别是在在制动过程中，最大的负加速度就会产生。它的计算通过引入起重机臂轴向上加速度来实现。为了知道这个加度素，我们应该知道减速的最小时间，然而这个是未知的，所以我们估计它近似为一秒。这样，最大负加速度就大约为2.8m/,这是一个合理估计值。-转动：这仅发生在旋转的叉车中，发生在当它趋向于转动时，而且它的最大值发生在起重机臂在最大伸长范围时。在这种情况下，它将引起两种形式的切向加速度，一方面归因于离心力作用，另一方面有必须的加速或者减速以达到转动速度或者停止引起的，在最后一种情况下将产生最大的负加速度。所以：(9)最不利的情况是2.2m/，尽管它估计不同区域的距离是可以改变的。(10)当制动时间是2秒时，可以得到转动的最大负加速度是3m/。-范围：这是由于伸缩臂在伸出或者收缩运动中产生的，但是它呈现出非常小的速度，因此它的加速度和负加速度与其他的和重力相比就显得微不足道了。V.风载荷由于之前提到过它的计算依据标准UNE 53-113的规定，力作用于相对于风向的偶然受力面，在正常情况下这些载荷的计算使用的公式（）是：(11)-：风压，在这种情况下使用125N/(标准UNE 53-113表1)。-：它取决于自然环境中空气的影响形式，在我们的情况中，它会涉及封闭箱式起重机臂架展示出来的所有区域（标准UNE 53-113表2）。如果是网格结构1.7可以使用，除了如果是管状借结构（标准UNE 53-113表2）。为了介绍提到的载荷，它将被附加在起重机上所有容易产生区域的横截面方向上。对于暴风雨（）中由于风产生的力，这些起重机臂架不是为了它而设计的，但是，如果这是必须的，那么对于20m高度的计算要使用800N/的P值或者对于其他的使用1100N/的。VI.焊缝演算标准UNE-58356指定了一个程序用于计算起重机臂架的焊缝，因此它很适合研究它。于是，它的计算和其他的情况很相似，但是唯一改变的是用于这一区域的安全系数，并且有必要用相关的四条标准去核实它们：复合应力极限（使用Von Mises公式）牵引组件压缩组件剪应力表2：焊缝的安全系数组合极限应力拉应力极限压应力极限剪应力极限无制剂对接焊缝有制剂对接焊缝焊接线对接焊缝焊接线对接焊缝焊接线1.111.111.251.571.111.391.571.92VII.在特定条件下的有限元应用有限元分析法（M.E.F.），在零件的计算和设计方面呈现出巨大的优势，它允许用一种容易的简单的形式去修改厚度和材料以获得应力和位移图2,3,4。由于在计算桁架和封闭箱式结构方面呈现出的简单性，这里将用这个方法应用于伸缩式起重机臂，它的原理可以直接用在其他的起重机臂上（见图2）。对于这个特例将用商业软件ABAQUS来实现它的有限元模拟。图2：伸缩式起重机臂的有限元模型材料模型为了模拟一种材料，已经区分了每一种材料的应力应变曲线，假设我们总是在一个弹性区域内，我们唯一需要知道的值是弹性极限和杨氏模量。焊缝模型有限元分析法允许对焊缝的完美模拟（见图3和4）。因此，如果焊缝被彻底观察的话，可以看到由于焊接过程中一些热影响了焊缝周围的区域。这些区域被命名为热影响区，焊接线之下的区域成为ZBS区域。在对上面提到的区域进行硬度测试后，可以得到在焊接之后上面提到的区域的性能，通常，它们主要有较高的弹性极限但是有较差的疲劳性能（除了高弹性极限的钢材）。因此，由于它们有较高的弹性极限，弹性的正常极限就适用于它们。图3和4：对接焊缝区域，ZBS和HAZS区域的角焊缝模型因此模拟焊缝没有必要实现焊缝的疲劳分析，只是有必要应用体积元素法模拟焊缝线。另一方面，焊缝模型依赖于焊接的形式。假如是对接焊缝，模型设计可以像图5表现的那样实现，在角和焊接点处连接不同的零件。图5：对接焊缝区域然而，对于搭接焊缝，模拟过程不是那么简单的，因为它的结合发生在搭接区域，但是在它的内部材料如何起作用，它们怎么分配它们之间的应力并不确切的知道。所以对于这种形式的结合，有必要确定一种不同的仿真模型，尽管对于的小的搭接焊缝可以认为零件之间有着坚固的连接。在这个特例中，焊接区域呈现出一个搭接焊缝，它是个在箱臂和叉车之间的接缝连接，不大可能实现它的简化。可以从图4中看出，在焊接区域的顶部呈现出搭接焊缝和在中间的焊缝环扣。因此，有必要用体积元素法建立这一区域的模型，完美的模拟焊缝线。在这个区域不同的区域用焊缝线相连接，并且，在搭接区域的其他部分靠不同零件间的摩擦力相接触连接。通过所有这些就可能建立模型，用有限元分析的方法计算所有的焊接。液压缸模型伸缩臂式起重机臂架，包含有它内部的液压缸，可以允许臂架伸长和收缩。这一部件在它处于休息位置是，伸长和收缩是一样的，只是在起重机臂不同部件之间传递拉应力/压应力，因此为了模拟它，要把它用一根只能传递拉应变/压应变的刚性棒。另一方面，这一元件伴随着它的伸长过程，在允许有相对位移的部分之间不同区域内传递了一些力。这些力模拟起来很困难，但是是可以建立前臂厢的加速度模型的，而且它们会有一个最大值和幅度增加时产生的加速度相似。它们通常被认为是微不足道的，所以没有必要包括它们。非结构部件的模拟起重机臂架有有时候不能忽视质量的非结构部件：电线，阀门，液压缸和油的自重，等。这些质量有时候没有集中在起重机臂架的轴线上，因此它形成的转矩就一定要包括在内的。因此，为了模拟它，需要放置在这些部件的联合区域内起重机臂的力和相等的力矩。摩擦片的模拟为了允许伸缩臂中臂箱之间的相对位移，为了允许他们之间的应变传递，摩擦片就要应用了。这些部件被固定在两个主体中的一个，并且阻止主体之间的摩擦力过大和可能损坏机器。于是有必要包括这些零件做一个起重机臂的完美设计，为了模拟结构中出现的应力，应该在应力和位移环境中做一个准确的模型，；因为它们允许主体间的相对转动。因此我们所做的是把吨作为体积元素加入主体，并且在制造过程中加入装配公差以确定它们。对于另一个主体，一些接触摩擦被确定。载荷状况载荷状况将是那些在表4中被确定的，并且对于这个特定情况起重机最不利的情形出现在当它完全伸长出现时，因为这时，不同零件的应变都将达到最大。图6：伸缩式起重机臂的载荷状况2 对于我们这个特定的起重机臂，由于其使用方式，有三个附加载荷状况适合于分析。这些情况是：附加情况1：起重机臂在载荷情况1的载荷下，有一个的倾角并且拖动着最大荷载能力的载荷。图7：伸缩式起重机臂附加情况1这种载荷状况不应该在起重机臂的使用方式中出现，因为它没有被设计用来像这样工作，但是，它还是要包括在美国标准的额外安全计算上，因为这种形式的高级动作会时不时地额出现。为了实现这种情况，重力方向将被修改成有限元模型和实际受力；工作载荷（F）将被T值取代并且它的是实际方向将会改变。T值通过以下公式获得：(12) 这里是指车辆和地面间的摩擦力系数，而且它被用的值是0.3，是起重机臂和水平面的夹角。附加情况2：起重机臂在载荷状况1的载荷下，用度角拖拽旁边的最大荷载能力的载荷。图8：伸缩式起重机臂的附加情况2这种情况的计算和载荷情况1的计算相似，但是只是实际角度变成了F的，它的值被替换成了从公式（12）得到的张力（T）的值。附加情况3：载荷1在中间范围时的情况图9：伸缩式起重机臂的附加载荷情况3伸缩式起重机臂被设计用来只在两种位置工作：完全张开和完全扩展开，但是这里包括这种形式的安全载荷情况。有必要强调一下，这些起重机臂架在完全张开时接触区域通常会有局部压条（过厚或者放空）。所以可能在臂箱位移时处于中间载荷状况中，这时这些零件没有开动而且会出现局部应力集中。因此，在这种载荷情况下，它被定义为中间位置，但是它更接近最大张开的位置。取得结果对已经计算过的伸缩式起重机臂架的张力和位移图进行了分析（见图10和11）。图10：附加载荷情况1的Von Mises应力图11：附加载荷情况3的竖直位移 通过设计和优化过程之后，在保证了标准和公司对于应力应变条件的要求下，得到了最优化的伸缩式起重机臂架，最后重量为434.7Kg。相对于最初的498.2Kg，意味着节省了12%的重量。为了做这个优化，对每一个不同的零件用到了从公式（6）到（8）所确定的范围。因此，在这每一零件都进行过Von Mises应力，剪应力和屈曲的检验。后来根据每一个应力，用以下公式得到了安全系数：如果C.Seg值比设计者确定的大（在特例2中），可能是零件厚度减小了或者是使用了性能差的材料了。为了防止它过低，将优于增加厚度或者提高所使用材料的质量。考虑到公司可用的材料，厚度等，它将通过重要零件来实现。这之后，还将再次计算，观察分析修改后的材料运行状况，并且看看能否满足规定的标准，能否继续以达到完美的材料外形和厚度。此外，反复迭代是可以找到一个厚度和材料能满足标准并且有最小重量的优化方案的。也是可以用像OPTIMUS这样的优化软件来实现机械式劳动。VIII.ETENSIOMETRICAL 分析为了检验机械装置的运行状况，为了验证数值计算方法而且为了检验数值结果和真是值之间的误差，一种ETENSIOMETRICAL分析方法在机械装置中实现了，它用了三个单向性的计量器（见图12），它的变形已经在起重机臂架之前选定的点处获得。图12：Extensiometrial计量器1（左）和2（右） 为了明白数值的实验的相关关系，用到的载荷情况是载荷情况5。其他的载荷状况很难实验，因为很难模拟风载荷。有必要强调利用这个载荷状况，使用过的方法和数值结果可以被确认，因此没有必要用其他载荷状况做其他的测试。曲线图1表示计量器1受到牵引载荷，计量器2受到压缩载荷。如同在图13到15中观察到的那样，实验性的和数值性的结果呈现出一种高度的相关性，伴随着12%的最大误差出现在计量器3上，并且呈现出最低程度的变形。图13：对于计量器1的数值实验分析图14：对于计量器2的数值实验分析图15：对于计量器3的数值实验分析图表1：对于每个计量器在extensiometrical分析中相对于时间的微小变形IX总结最重要的结论是获得了这些，建立了一种用于叉车起重机臂架的设计，计算和优化的方法，采用了标准UNE-58536对于起重机的规定，因为标准UNE-1726没有太多约束性；因此有必要明确载荷状况，边界条件，载荷，材料，焊接模型，等等。此外一些附加载荷状况在已经确立的标准中没有估计到，而且它们对于及机械装置的正确设计有着巨大的重要性，主要是因为要模拟一些高级动作，尽管这些都是被劝阻的或者是禁止的，仍可能在