（机械设计及理论专业论文）汽车起重机臂架结构分析与优化设计研究.pdf

、 l 0 、 t h es t r u c t u r a la n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o nd e s i g nr e s e a r c h f o rt h eb o o mo ft h et r u c kc r a n e b y x u ep a n b e ( f u y a n gt e a c h e r sc o l l e g e ) 2 0 0 7 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o u u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rz h a oj i a l i m a y , 2 0 1 1 删7 删2458 舢8川川_- 舢y一 一 ， ， 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 轹弘 吼肿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： f j l - ge l 月 日 一 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论l 1 1 工程起重机概述1 1 2 汽车起重机国内外发展状况与趋势3 1 2 1 汽车起重机国内发展状况3 1 2 2 国外汽车起重机发展状况4 1 2 3 汽车起重机发展趋势6 1 3 本课题的来源与意义7 1 4 论文的主要工作7 第2 章基于解析法的主臂静力学计算9 2 1 汽车起重机臂架工作原理9 2 2 主臂截面参数化9 2 2 1 主臂截面形式9 2 2 2 主臂截面参数化1 0 2 3 主臂受力计算1 3 2 3 1 臂架设计计算方法1 3 2 3 2 计算载荷和载荷组合1 5 2 3 3 变幅平面受力分析1 8 2 3 4 回转平面受力分析1 9 2 4 主臂刚度与强度计算2 0 2 4 1 迭代流程图2 1 2 4 2 挠度与转角计算2 2 2 4 3 求各危险截面上各计算点应力2 4 2 4 4 吊臂强度校核2 5 2 5 吊臂稳定性与计算软件2 6 2 5 1 吊臂整体稳定性分析2 6 2 5 2 程序实现2 7 2 6 小结2 8 第3 章臂架结构有限元静力分析2 9 3 1 有限元法：2 9 ， 3 1 1 有限元法发展与运用2 9 3 1 2 有限元法的步骤3 0 3 2 通用有限元软件3 2 3 2 1a n s y s 简介3 3 3 2 2a n s y sw o r k b e n c h1 2 应用3 7 3 3a n s y sw o r k b e n c h1 2 环境下主臂静力分析3 9 3 3 1 起重性能与计算工况的确定3 9 3 3 2 几何模型的导入与简化4 2 3 3 3 接触处理与网格划分4 2 3 3 4 边界条件与载荷4 4 3 3 5 求解与后处理4 4 3 4a n s y sw o r k b e n c h1 2 环境下副臂静力分析5 3 3 4 1 有限元计算前处理5 4 3 4 2 计算结果5 5 3 5 小结5 8 第4 章臂架结构线性屈曲分析5 9 4 1 屈曲分析理论与基础5 9 4 2 主臂屈曲分析5 9 4 3 副臂屈曲分析6 2 4 4 小结6 3 第5 章汽车起重机臂架结构优化设计研究6 4 5 1 结构优化设计的理论基础6 4 5 1 1 优化理论简述6 4 5 1 2 结构优化设计的数学模型6 4 5 1 3 最优化方法分类6 5 5 2 臂架优化的方法与模型6 6 5 2 1 优化设计方法的选择一6 6 5 2 2 臂架尺寸优化的数学模型6 7 5 3 臂架优化设计6 8 5 3 1 优化设计的流程6 8 5 3 2 实验设计法6 9 5 3 3 敏感度与相应曲面7 3 5 3 4 目标优化7 5 5 4 小结7 6 总结7 7 h ， 参考文献7 8 致谢8 1 附录a 攻读学位期间发表的学术论文8 2 i i i ， 硕十学位论文 摘要 随着国内基础设施建设步伐的不断加快，用于起重作业的汽车起重机在整个 工程机械领域中显得越来越重要，同时对汽车起重机的起重能力、安全性要求也 越来越高。臂架结构作为起重机的主要受力构件，其强度、刚度、稳定性直接影 响整机的性能，而影响臂架力学性能最关键的因素为其截面形式，汽车起重机臂 架截面形式经过多年的不断优化改进，当前国内较为先进的臂架截面形式主要为 u 型。 本文研究的内容为截面形式为u 型的新型汽车起重机臂架结构。首先，结合 起重机设计规范用传统解析法求解臂架结构的力学特性，在此理论结果的基础上 初步评价整个臂架设计的合理性。然后，运用a n s y sw o r k b e n c h 软件对臂架结构 进行有限元静力学分析和屈曲分析，从分析结果中提取应力云图、位移云图、模 态图，通过观察这些结果数据来判断臂架结构设计是否满足强度、刚度、稳定性 的要求以及预测未来臂架的失稳状态，这些分析结果为臂架结构改造提出理论依 据。最后，以应力为目标，质量为参照对现有的截面形式进行优化，最终得到改 进的截面形式，这种新的截面形式不仅提高了臂架的力学性能还节约了材料。 本文特点是运用了传统方法和现代方法相结合的手段来研究u 型臂架的性 能，能更全面地为结构的再设计提供理论依据，本文的研究的成果已经应用到该 型号的汽车起重机产品中。 关键词：汽车起重机；截面参数；应力；挠度；稳定性；a n s y sw o r k b e n c h 汽车起重机臂架结构分析与优化设计研究 a b s t r a c t w i t ht h ep a c eo fd o m e s t i ci n f x a s t r u c t u r ec o n t i n u e st oa c c e l e r a t e ，t h et r u c k c l a n ef o rl i m n go p e r a t i o n si nt h ew h o l ep o s i t i o ni nt h ee n t i r ef i e l do fc o n s t r u c t i o n m a c h i n e r yh a sb e c o m ei n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t ，w h i l et h el i f t i n gc a p a c i t yo fc l a n a 3 ， s a f e t yr e q u i r e m e n t sa r eg e t t i n gh i 曲e ra n dh i g h e r c r a n eb o o ms t r u c t u r ea st h em a i n f o r c ec o m p o n e n t ，t h es t r e n g t h ，s t i f f n e s sa n ds t a b i l i t yd i r e c t l ya f f e c tt h em a c h i n e p e r f o r m a n c e ，a n dt h ec r i t i c a lf a c t o rw h i c ha f f e c t st h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e si st h e s e c t i o nf o r m t l l es e c t i o nf o r mh a sac o n t i n u o u s l yo p t i m i z e da n di m p r o v e dt h r o u g h t h ey e a r s ，t h ec u r r e n tm o r ea d v a n c e df o r mi nt h ed o m e s t i ct r u c kc r a n ei st h e u s e c t i o n t h er e s e a r c hc o n t e n to ft h i sp a p e l i st h en e wu s e c t i o nc r a n eb o o ms t r u c t u r e f i r s to fa l l ，u s i n gt h et r a d i t i o n a la n a l y t i cm e t h o dt oc a l c u l a t et h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft h eb o o ms t r u c t u r ew i t ht h ec r a n ed e s i g ns p e c i f i c a t i o n ，b a s e do nt h i s t h e o r e t i c a lr e s u l tt oa s s e s st h eb o o md e s i g nr e a s o n a b i l i t yp r e l i m i n a r y t h e n t on l l lt h e f i n i t ee l e m e n ts t a t i ca n a l y s i sa n dt h eb u c k l i n ga n a l y s i sf o rt h eb o o ms t r u c t u r ew i t ht h e a n s y sw o r k b e n c hs o f t w a r e n l es t r e s so fc l o u d t h ed i s p l a c e m e n to fc l o u da n d m o d a lm a ph a db e e ne x t r a c t e df r o mt h er e s u l t s ，b yo b s e r v i n gt h e s er e s u l t sd a t at o d e t e r m i n ew h e t h e rt h ed e s i g no ft h eb o o ms 缸u c t i l r et om e e tt h es t r e n g t h , s t i f f n e s s s t a b i l i t yr e q u i r e m e n t sa n dt op r e d i c tt h ef u t u r ef a i l u r es t a t eo ft h eb o o m ，t h e s er e s u l t s g i v ea t h e o r e t i c a lb a s i sf o rb o o mm o d i f i e d f i n a l l y , t h es t r e s sa st h eg o a l ，t h eq u a l i t y a st h er e f e r e n c e ，t h ee x i s t i n gc r o s s s e c t i o nf o r mt ob eo p t i m i z e d , a n dt oo b t a i nt h e f i n a li m p r o v e dc r o s s s e c t i o n , t h i sn e ws e c t i o no fab o o mn o to n l yi m p r o v et h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h em a t e r i a l sa n da l s os a v e s t h ef e a t i l r eo ft h i sa r t i c l ei st h eu s eo ft r a d i t i o n a lm e t h o d sa n dm o d e m m e t h o d sc o m b i n e dt os t u d yt h ep e r f o r m a n c eo ft h eu s e c t i o nb o o m ，a n dam o r e c o m p r e h e n s i v et h e o r e t i c a lb a s i st ob ep r o v i d e df o rt h er e - d e s i g n t h er e s u l t so ft h i s s t u d yh a v eb e e na p p l i c dt ot h em o d e lo ft r a c kc r a n ep r o d u c t s k e yw o r d s ：t r u c kc r a n e ；s e c t i o np a r a m e t e r ；s t r e s s ；d e f l e c t i o n ；s t a b i l i t y ；a n s y s w 0 r k b e n c h i l ， 硕+ 学位论文 曼皇曼曼曼曼曼鼍曼曼寡曼曼量曼皇曼皇曼, l l i mi i , 鼍舅曼皇曼皇曼曼璺曼曼皇曼曼量曼曼曼曼量皇皇舅鼍舅曼皇皇曼曼鼍 第1 章绪论 1 1 工程起重机概述 起重机是用来对物料作提升、运输、装卸和设备安装等作业的机械。是一种 生产过程机械化，减轻体力劳动和提高劳动生产率的重要设备。在工厂、矿山、 港口、车站、建筑工地、仓库、水电站等各个领域和部门中都得到广泛地使用。 放眼世界工业化历史，现代起重机源于1 4 世纪西欧出现的人力和畜力驱动的转 动臂架式起重机。1 9 世纪前期，出现了桥式起重机，起重机的重要磨损件如轴、 齿轮和吊具等开始采用金属材料制造，并开始采用水力驱动。1 9 世纪后期，蒸 汽驱动的起重机逐渐取代了水力驱动的起重机。2 0 世纪2 0 年代开始，由于电气 工业和内燃机工业迅速发展，以电动机或内燃机为动力装置的各种起重机基本 形成。近几十年来，由于科学技术飞速发展，生产的规模越来越大，机械化、 自动化程度的要求也越来越高，起重机的作用已远远超出只作为辅助设备的范 围，进而在更多的部门中，成为流水生产线上主体设备的重要组成部分，是企 业活动中的主要生产力要素之一。随着冶金、电子、电力、机械制造、港口、 矿山、建筑等工业部门的迅猛发展，起重机械制造业也得以发展，并已形成一 个独立的产业部门。现代起重机种类较多，不同国家的分类标准也不一样，按 主要用途可分为通用起重机、建筑起重机、冶金起重机、铁路起重机、造船起 重机、甲板起重机等。在工程中常用的起重机械，根据其构造和性能的不同， 一般可分为轻小型起重设备、桥式类型起重机械和臂架类型起重机三大类。轻 小型起重设备如：千斤顶、葫芦、卷扬机等。桥架类型起重机械如梁式起重机、 龙门起重机等。臂架类型起重机如固定式回转起重机、塔式起重机、汽车起重 机、轮胎、履带起重机等。起重机一般是由工作机构、金属结构、动力装置与 控制系统四部分组成的。 1 工作机构 起重机的工作机构，一般概括为起升、运行、回转和变幅四大机构。 起升机构是起重机最主要的机构，也是其最基本的机构，它完成吊起重物的功 能。它是由原动机、卷筒、钢丝绳、滑轮组和吊钩等组成的。 变幅机构是使起重机臂架倾角变化，改变幅度的机构。 回转机构是使起重机械的回转部分在水平面内，绕回转中心线转动的机构。 运行机构是使起重机械或起重小车行走的机构。 汽车起重机臂架结构分析与优化设计研究 2 金属结构 金属结构是起重机械的骨架，主要用来支撑工作机构、承受自身的重力和 作业时的外载荷。桥式类型起重机的桥架、支腿，臂架类型起重机的吊臂、回 转平台、人字架、底架( 车架大梁、门架、支腿横梁等) 和塔身等金属结构是起 重机的重要组成部分。 3 动力装置 动力装置是起重机的动力源。轮式起重机和履带式起重机的动力装置多为 内燃机。塔式起重机、门座起重机、桥式起重机和龙门起重机的动力装置是外 接动力电源和发动机。 4 控制系统 起重机的控制系统包括操纵装置和安全装置。起重机的控制系统设有离合 器、制动器、限矩器、液压传动中的各种操纵阀，以及各种类型的调速装置和 起重机上专用的安全装置等部件。通过控制装置达到起重机作业所要求的各种 动作，从而保证起重机安全作业n 一1 。 我国工程起重机主要是指流动式起重机：包括汽车起重机、全路面起重机、 履带起重机、随车起重机、越野轮胎起重机和轮胎起重机。其发展历史，发端 于建国初期。1 9 5 4 年，北京建华铁工厂( 后更名为北京起重机厂) 试制成功“少 先式 起重机。该机除用电动卷扬起吊货物外，转向与行走均靠人力。同年9 月6 日，抚顺重型机器厂试制成功2 - 6 吨塔式起重机。1 9 5 7 年底，北起通过仿 制前苏联k 5 l 型5 吨机械式汽车起重机，制成k 3 2 型汽车吊，成为国内第一家 生产轮式起重机的企业。同年9 月3 0 日，抚顺重型机器厂试制成功了我国第一 台1 5 立方米抓斗式起重机，每小时可装卸9 0 吨煤。1 9 5 8 年，北起在k 3 2 型基 础上改进设计的q 5 1 型5 吨汽车起重机，批量生产后扩散到全国多家工厂生产， 同年8 月正式改名为北京起重机厂。1 9 6 0 年，改进设计的机械传动q 8 1 型8 吨 汽车起重机以及1 0 0 吨桥式起重机试制成功，0 5 1 型5 吨汽车起重机出口援外， 开始了中国汽车起重机的出口历史。1 9 6 3 年3 月，徐州重型机械厂( 徐工集团 前身) 生产的第一台0 5 1 型5 吨汽车起重机下线。1 9 6 4 年，北起开始研制液压 元件，为生产液压式起重机打下基础。1 9 6 6 年，根据“三线建设 的方针，北 起厂一分为二，将2 3 5 台设备，约2 6 0 0 名生产技术骨干及家属，全套起重机技 术图纸，配套地运往四川泸州，仅用了一年时间就建立起当地最大规模的国营 企业一长江起重机厂。1 9 6 8 年，q 8 4 型8 吨液压汽车起重机试制成功，这是我 国自行研制的第一台液压式汽车起重机。1 9 7 6 年，北起与长沙建设机械研究所 联合，试制成功q d l 0 0 型1 0 0 吨桁架臂式汽车起重机，并应用在唐山大地震抢 险中。至此，我国起重机行业经过二十余年发展，虽然形成一定的产业规模， 但技术含量与西方国家仍然有极大的差距。履带式起重机还是一片空白。8 0 年 2 硕十学位论文 代初期，随着改革开放，国内开始大规模基础设施建设，但急需的液压履带式 起重机，仍然要高价从国外进口。为此国家采取以市场换技术的方式，分别从 日本和德国引进中小吨位履带起重机生产技术。1 9 8 4 年，抚顺挖掘机制造厂引 进日立技术，生产出国内第一台q u y 5 0 a 型5 0 吨级液压履带式起重机。1 9 8 9 年 开始批量生产液压履带起重机，但产量极低。在2 0 0 0 年之前，市场容量一直很 小，发展速度极其缓慢。但行业从2 0 0 3 年算起，中国工程起重机经历了七年的 高速发展期，从产品的销量上看，由2 0 0 3 年1 万多台，到2 0 0 9 年的三万多台。 其中汽车起重机的销量接近3 万台；履带起重机产品的销量翻了十倍，由2 0 0 3 年的1 0 0 多台发展到2 0 0 9 年1 0 0 0 多台，市场发展空间广阔；随车起重机的销 量接近5 0 0 0 台，增速高达2 0 0 以上，替代小吨位汽车起重机的趋势愈加明显。 我国工程起重机行业中，汽车起重机的市场占有率高达8 0 以上，在工程起重机 产品中的地位无法替代，从2 0 0 3 年至2 0 0 6 年，汽车起重机市场仍以小吨位为 主，而发展到2 0 0 9 年，中吨位的产品开始占领市场，占据着汽车起重机行业的 半壁江山，大吨位产品增长迅速。全地面起重机由2 0 0 3 年的几台到2 0 0 9 年的 2 0 0 多台，增长迅猛，逐步打开国内市场并开始走向国际市场，反映了我国企业 生产能力的提高以及市场需求的变化。由于石油、化工、能源、大型市政建设 的持续快速发展，极大的带动了我国履带起重机的发展。我国对轮胎起重机的市 场需求很低，主要服务于港口及特种用途，这几年的需求量一直保持在1 0 0 2 0 0 台左右。整个工程起重机行业在工程机械领域保持着快速发展的步伐，表现在 产品逐渐覆盖升级、技术创新和产品科技含量不断增加、龙头企业国际竞争力 加强等方面。伴随着装备制造业调整和振兴计划的落实，“十二五期间国内城 镇化建设、风电、核电能源建设、铁路、公路、城市交通、石油、化工、冶金 等行业对起重机的需求仍会增长。根据我国工程项目施工的特点，中等吨位的 汽车起重机需求量大，大型履带起重机和大吨位的全地面起重机是我国起重机 发展的方向，看到工程起重机行业光明发展的前景，同时也要看到整个行业存 在的不足，一方面，国内市场开放程度大幅度提高，行业出口会受到发达国家 技术等壁垒的限制；另一方面我国市场对高质量、高科技含量的工程起重机产 品需求旺盛，迫切需要我国行业的技术竞争能力快速提高口1 。 1 2 汽车起重机国内外发展状况与趋势 1 2 1 汽车起重机国内发展状况 汽车起重机是工作机构装在普通汽车底盘或特制汽车底盘上的一种起重 机，其行驶驾驶室与起重操纵室一般分开设置。优点是机动性好，转移迅速， 其底盘性能等同于同样整车总重的载重汽车，符合公路车辆的技术要求，因而 3 汽车起重机臂架结构分析与优化设计研究 可在各类公路上通行无阻。我国汽车起重机的发展大致经历了以下几个阶段： 1 9 5 7 1 9 6 6 年，以生产5 t 机械式汽车起重机为主；1 9 6 7 1 9 7 6 年，以生产1 2 t 以下小型液压汽车起重机为主；1 9 7 7 - - 1 9 9 6 年，1 6 t 5 0 t 的中吨位液压汽车起 重机产品产量上升较快。自1 9 7 9 年以来，国内一些起重机生产厂商采用技贸结 合方式，分别引进了日本加藤、多田野、美国格鲁夫、德国利勃海尔、克虏伯 的起重机产品技术，以合作方式相继制造出2 5 t ，3 5 t ，4 5 t ，5 0 t ，8 0 t ，1 2 5 t 汽车起重机。这些行业经过多年来对引进技术的消化、吸收、移植，使国产起 重机某些新技术的性能水平达到了国际8 0 年代初的水平，产品产量也逐年有所 提高。早期国内汽车起重机产品同国际的差距表现在以下几方面：( 1 ) 质量稳 定性差，部分产品早期故障频繁；( 2 ) 产品品种单一；( 3 ) 产品性能自动化、智 能化方面与国外差距较大，安全保护方面的设备可靠性也较差；( 4 ) 材料方面， 国内主要采用的材料为q 2 3 5 、1 6 m n 等，而国外已经广泛采用低合金高强度钢 和其它轻型材料，并逐渐向高强度钢发展，从而造成国产汽车起重机一般显得 比较笨重，性能也受到很大影响；( 5 ) 从新型化、美观化、宜人化方面，国内产 品显得比较简陋，涂漆防腐等也有明显差距【3 】。从2 0 0 4 年开始，中国汽车起重 机市场进入了高速发展机遇期，在徐工、长江、中联重科、三一、等国内领先 的汽车起重机生产企业的带动下，当前中国是世界上汽车起重机最大的生产国 和消费国，依靠中国市场的强大需求，徐重成为了世界上最大的汽车起重机制 造企业，2 0 0 9 年徐重在国内汽车起重机市场占有接近6 成的份额，在全球市场 也握有3 成以上的份额；柳工通过收购蚌埠振冲安利起重机厂，经过3 年的发 展已经跃居国内汽车起重机市场份额的前三。在中国移动式起重机领域，汽车 起重机占有8 0 以上的市场份额。2 0 0 0 2 0 0 9 年十年间中国汽车起重机取得了2 0 以上的复合增长率；2 0 0 8 年销量成功突破2 0 0 0 0 台；2 0 0 9 年在国家大规模工程 项目投资的拉动下，汽车起重机不但抵制住了金融危机的不利影响，销量更是 取得了大幅增长，在移动起重机中的份额进一步提升。由于国情和所处发展阶 段不同，欧洲、美国和日本的移动起重机市场结构与我国有很大区别，欧洲的 移动式起重机市场以价格昂贵的全路面起重机和大吨位履带式起重机为主，美 国以随车起重机、全路面起重机和越野轮胎起重机为主，而日本是以随车起重 机和越野轮胎起重机为主，这些世界上最主要的移动式起重机生产地区都较少 发展汽车起重机。中国移动起重机走出了与世界起重机主流国家完全不同的发 展轨迹，与国情、发展阶段有关，更与中国汽车起重机自身的发展状况、技术 特点有关。随着技术壁垒的不断打破和自主核心技术的开发，国内著名的汽车 起重机企业与国外企业的差距越来越小，产品质量与工作性能都有了提高。 1 2 2 国外汽车起重机发展状况 4 硕士学位论文 g m lm i i i i i 量曼曼曼曼皇曼曼曼曼葛量量量曼曼鼍量舅曼曼皇曼量蔓曼曼曼曼曼曼曼皇曼量皇曼薯 国外早期的汽车起重机大多采用机械传动结构的桁架式吊臂。随着6 0 年代 中期液压技术的发展，液压伸缩臂汽车起重机得到迅速发展。到8 0 年代末，中 小吨位的汽车起重机几乎全采用液压伸缩式吊臂，仅有一部分吨位汽车起重机 仍采用桁架式吊臂。6 0 年代末期，特别是从7 0 年代开始，随着大型建筑、石 油化工、冶炼设备、水电站等大型工程的发展，对汽车起重机的起重吨位、工 作效率和安全性提出了更高的要求。由于当时设计方法与设计技术的成熟，液 压技术、电子技术、汽车工业的发展以及新型高强度钢材的不断出现，使汽车 起重机有可能向大型化发展，并且在普通轮胎式起重机的基础上开发出越野轮 胎起重机，随后又开发出全地面起重机。目前，汽车起重机的主要生产国为日 本、美国、德国、意大利和法国等，生产厂商有1 0 0 家以上，但著名的世界级 大公司仅有1 0 来家，如德国利勃海尔公司、德马泰克公司，马尼托瓦克起重机 公司、特雷克斯起重机公司、林克贝尔特公司，日本多川野公司、加藤公司等 5 】 o 德国的利勃海尔集团是世界领先的重型机械制造商之一，1 9 4 9 年由汉 斯利勃海尔创立于德国南部小镇基希多夫( k i r c h d o r f ) ，起重机是利勃海尔的 核心业务之一，利勃海尔的l t m l1 2 0 0 一9 1 全液压路面起重机，是目前为止最 大的公路行驶轮式起重机，它的最大起重量为1 2 0 0t ，配备了1 0 0m 长的8 节 伸缩臂，加上1 2 6m 长的桁架副臂，使最大起升高度达到了1 8 2m 。它的9 桥底 盘的最高行驶速度为7 5k m h ，利勃海尔的产品特点包括采用全液压驱动、电液 比例控制，并具有全球卫星定位系统。 美国马尼托瓦克起重机公司，创建于1 9 0 2 年，位于美国威斯康星州马尼托 瓦市，前身一家造船厂，目前是世界最大的移动起重机制造商。1 9 2 5 年马尼托 瓦克制造出第一台作为工厂自用的桁架式履带起重机，此后涉足船舶起重机及 轮式起重机等产品，2 0 0 2 年，又将著名的全地面起重机制造商一格鲁夫( g r o v e ) 收购。同年推出的g m k7 4 5 0 7 5 5 0 是格鲁夫全地面起重机家族中的顶级机型， 最大起重能力为4 5 0 吨( 5 5 0 美吨，美国型号为g m k 7 5 5 0 ，出口型号为g m k 7 4 5 0 ) ， 采用7 轴底盘，主臂可延伸至6 0 米，加上副臂可达1 3 0 米。美国特雷克斯是全 球第三大工程机械制造商，总部设在美国康涅狄格州的西港，旗下设有5 大部 门，在全球有9 个生产基地，拥有2 1 0 0 0 余名员工，2 0 0 7 年销售收入9 2 亿美元。 起重机是其第二大业务，占总收入的3 0 。1 9 1 8 年，特雷克斯设计了第一台轮 胎起重机，此后产品涉及伸缩臂、履带式和塔式起重机。2 0 0 2 年5 月，特雷克 斯起重机集团收购了德国德马格的起重机业务。2 0 0 6 年，特雷克斯收购了四川 长江起重机5 0 的股份，目前特雷克斯在中国设有4 家合资企业和3 家独资企业。 国外起重机产品发展的特点可以归纳为：多品种生产、标准化程度高和一机多 用。 汽车起重机臂架结构分析与优化设计研究 以德国为主的欧洲市场，其产品的主要特点为： 1 全地面起重机占主导地位，大约占市场份额的8 0 左右； 2 大吨位产品为主，1 0 0 吨以上的产品占利勃海尔公司年销售额的8 0 左 右； 3 技术领先，产品充分利用世界先进的技术成果； 4 拥有大量专用配套件企业，这成为欧洲起重机发展的先决条件。 以日本为主的亚洲市场和以美国为主的北美市场，其产品主要有以下特点： 1 越野轮胎起重机占主导地位，约占市场份额的8 0 ，其次是汽车起重机， 全路面起重机占比例相对较小； 2 产品系列较多，中等吨位居多； 3 注重适应性和经济性。在保证产品性能和功能的前提下，大量采用通用 配套件，而不强调追赶新技术，故产品可靠性较好。 国外企业一直把技术不断创新和产品质量当做企业发展的原动力和国际市 场的绝对竞争力，随着亚洲市场的蓬勃发展，国际知名起重机企业已经把亚洲 市场看作最重要的市场，目前已有许多分公司落户中国1 。 1 2 3 汽车起重机发展趋势 从历届国际工程机械、建材机械、工程车辆及设备博览会上可以发现国内外 汽车起重机发展的方向体现在以下几个方面n 8 3 ： 1 发展超大型起重机 由于各重点工程向大型化发展，所需构件和配套设备重量不断增加，对超 大型起重设备的需求日趋增长。1 9 9 2 年2 0 0 t 以上伸缩臂式起重机的世界销量为 9 0 台，到1 9 9 7 年增至1 3 0 台。德国厂商在起重机大型化发展进程中处于领先地 位。世界市场中1 5 0 t 以上的大吨位起重机多数是由利勃海尔和德马泰克公司提 供的。 2 “迷你 起重机大量涌现 起重机向微型化发展，是适应现代建设要求而出现的新趋势。1 0 年前开发 的神钢r k 7 0 ( 7 t ) 是世界首台装有下俯式吊臂的“迷你”( m i n i ) r t 产品。目前下 俯式吊臂已成为“迷你”起重机的重要标志。这种新概念设计已成功移植到德 马泰克a c 2 5 ( 2 5 t ) 和加藤c r 一2 5 0 ( 2 5 t ) 等较大吨位起重机上。 3 伸缩臂结构不断改进 随着人们对结构优化研究的不断深入口13 1 ，其应用范围已扩展至工程机械领 域，利勃海尔早期推出的9 0 tl t m l 0 9 0 2 ( 装有6 节最大长度达6 0 m 主臂) ，采用 了装有“t e l e m a t ik 单缸自动伸缩系统的卵圆形主臂。这种卵圆形截面主臂对 静、动态应力适应性很强，在减轻结构重量和提高起重机性能方面具有良好效 6 硕士学位论文 暑量鼍毫量皇曼曼曼曼曼 i i 寰曼量曼皇皇曼曼曼笪皇曼皇皇曼鲁曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼尝曼曼曼曼蔓曼曼曼量量皇曼曼 果。 4 数据总线技术得到应用 智能化控制有利于确保整机精准高效的作业能力，国内徐重百吨级起重机 广泛运用了p l c 计算机集成控制的电比例操作系统、先进的c a n - b u s 数据总线 技术，使起重机具有了智能化反馈信息、分析、处理数据的能力。 5 静液压传动起重机进入市场 首台静液压传动起重机是原克虏伯公司1 9 9 2 年研制的双轴k m k 2 0 3 5 型 ( 3 5 t ) a t 产品。瑞士c o m p a c t t r u c k 公司1 9 9 3 年推出的双轴c t 2 ( 3 5 t ) a t 产品是 世界第一台投放市场的静液压传动起重机。意大利r i g o 公司在1 9 9 4 年推出了 r t 2 0 0 ( 2 0 t ) 静液压传动r t 起重机。随后c o m p a c t t r u c k 公司在1 9 9 7 年推出了两 种采用静液压传动的3 轴c t 3 ( 7 0 t 8 0 t ) 全地面起重机。该机装有8 节7 1 m 4 0 5 m 主臂，最大时速7 5 k m h 。采用静液压传动，上车发动机既可驱动起重装 置，还可驱动行走装置。此外，可将发动机横向安装在上车回转式操纵室后部， 起到整体式配重作用。据介绍，某些机型采用静液压传动后，可大约减重1 3 。 1 3 本课题的来源与意义 本课题来源于安徽柳工t c 5 0 0 型汽车起重机的科研项目，该机型已参加2 0 1 0 年1 1 月份的上海宝马展，主臂结构首次采用“u 型，下车也是首次采用自制 地盘。吊臂作为汽车起重机的重要受力构件，其重量占整机重量的比例较大， 吊臂直接影响着整机的性能和制造的成本，不仅要具备足够的强度、刚度和稳 定性外，还必须力求轻巧，其截面形式是个主要影响因素，“u ”型相对于四边 型、六边型、八边型在力学性能上更为优越，目前国内仅有几家起重机生产企 业采用“u 型主臂，之所以国内企业不能普遍采用这种技术，一方面是生产工 艺要求很高，需要进口大型折弯机；另一方面是截面较优的参数组合难以确定 以及实验验证能力要求高。本文研究的对象为该机型的臂架部分，通过理论计 算和虚拟样机验证分析为新产品方案提供参靠性的依据。 1 4 论文的主要工作 1 对起重机伸缩臂力学模型的研究 对起重机伸缩臂的结构及工作原理进行分析，根据主臂截面参数，进行材 料力学特性研究。 2 对臂架进行基于许用应力法的静力学计算 根据主臂参数和起重机设计规范推导臂架受力的力学公式，运用v b a 程序 编制一个可视化，参数化，自动化的分析软件，为重复性的设计数据验证提供 7 汽车起重机臂架结构分析与优化设计研究 一个平台。 3 在a n s y sw o r k b e n c h 环境下对臂架进行有限元分析 对分析得到的数据进行评价，进而验证臂架的安全可靠性。 4 在静力分析的基础上对臂架进行屈曲分析 屈曲分析的结果用来预测臂架结构失稳状态和临界载荷。 5 对主臂截面进行优化研究 简化模型情况下假定载荷，再设定优化目标函数以及约束函数，对一系列 的计算结果进行优化选择，从而得到较优异的值，最终提出综合性参考意见。 硕+ 学位论文 第2 章基于解析法的主臂静力学计算 2 1 汽车起重机臂架工作原理 汽车起重机伸缩式吊臂当前主要采用箱型截面并利用变幅液压缸实现变 幅，利用回转支撑实现转动，作用在臂架上的载荷有起升载荷、自重、回转惯 性力以及风载荷等。在作业之前先要根据工况来判定臂架的伸缩方式，臂架的 伸缩方式主要有三种：顺序伸缩、同步伸缩和独立伸缩u 们。 顺序伸缩：指每节伸缩臂按一定先后顺序完成伸缩动作。为了使各节臂伸出 后的起重能力与起重机的起重特性相适应，伸臂顺序为先外后里。 同步伸缩：是指每节臂以相同的伸缩速度同时伸缩。 独立伸缩：是指各节臂无关联地独立进行伸缩动作。独立伸缩机构同样也可 以完成顺序伸缩或同步伸缩的动作。 本文研究的汽车起重机采用的是双缸绳排伸缩方式，第一个液压缸伸缩基本臂 和二节臂，第二个液压油缸同步伸缩三四五节臂，每节臂间采用套接连接方式， 通过滑块来传递力，其简化的结构形式如图2 1 所示 l 镩缎液压缸 2 一吏承滑块l $ - - 囊镊液压瓤 图2 1 臂架结构形式 2 2 主臂截面参数化 参数化设计是c a d 技术在实际设计分析应用中被提出来、并得到发展的技 术。参数基于面向对象技术的起重机参数化设计系统研究与设计对象的控制尺 寸有显式的对应关系，设计结果的修改受到尺寸驱动。生产中常用于设计对象 的结构形状比较定型的产品，系列化标准件就是属于这一类型。 参数化设计技术的关键是几何约束关系的提取和表达、约束求解以及参数 化几何模型的构造。它的主要特点是：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺 寸驱动设计修改，约束是指利用一些规则或限制务件来规宁构成实体的元素之 间的关系。 2 2 1 主臂截面形式 9 汽车起重机臂架结构分析与优化设计研究 吊臂是双向压弯构件，其截面采取何种形式历来是汽车起重机吊臂设计的 关键技术，每一代吊臂革新的标志就是截面形式的不同，在生产实践和科学研 究中，人们对吊臂的截面形式作过许多探讨n 引，归纳起来有矩形截面、梯形截 面、五边形截面、六边形截面、八边形截面以及u 形截面等不同的截面形式。 截面形式的不断变化使臂架的结构受力更加合理，整体重量更轻，力学特性更 好，本文研究的臂架截面形式采用的是u 型，这是一种新型截面形式，其理想 的尺寸参数和优化设计仍处于不断探索的阶段。如图2 2 所示为汽车起重机基 本臂已标注的截面形式。 图2 2u 型截面 由图2 2 可见该臂架由上下槽板焊接而成，上下槽板各由一块钢板折弯而成， 上槽板包含图中的a 1 ，a 2 1 ，a 2 2 ，a 3 1 ，a 3 2 四部分；下槽板包含图中a 4 1 ，a 4 2 ，a 5 三部分，上槽板的厚度t l = 6 m m ，下槽板的厚度t 2 = 8 m m 。 2 2 2 主臂截面参数化 为了实现主臂计算程序化、通用化，需要将主臂几何形状、物理状态等参 数化，包括以下两个方面：一方面是主臂各节臂截面几何形状的确定，通过角 度、边长尺寸进行确定。另一方面需要求得各节臂重量、长度、重心位置等； 需要明确各性能参数，包括单绳起升速度、起升滑轮组倍率等。同时，在进行 臂架力学分析前，需要给出各节吊臂截面的形心位置、截面积、截面惯性矩， 为了能进行自动化作业，减少重复的计算，将在后面章节运用v b a 编制一个计 算软件，因此需要对截面的尺寸进行参数化是首要的任务。其中上槽板的厚度 为t l ，下槽板的厚度为t 2 ，上槽板的两个倒圆角为r ，上槽板的横向宽度为l ， 上槽板部分的倒圆角下部分高度为h 1 ，整个下槽板的高度为h 2 ，下槽板底部近 1 0 硕十学位论文 似半个椭圆，其椭圆的长半轴为r x ，短半轴为r y ，椭圆上部分的竖直高度为 h 3 。图2 2 中的具体值是初始赋值，由给出的截面形式和尺寸参数，可以得到参 数化的截面面积，形心位置和截面惯性矩。 2 2 2 1 截面面积和形心位置确定 关于面积的求取，是将大的不规则截面分成小的规则截面，如用长方形、 圆环面积公式来计算，然后再累加得到截面总面积，整个截面分为7 部分，各 部分面积如下： 4 = p 一2 ( 尺+ 五) 1 ；i 4 。= 三( r + 五) 2 一署r 2 4 。= 如 4 = 4 。4