機研制成功北方交通汽車起重機“U”形臂的優(yōu)勢京城重

隨著汽車起重機起吊性能的越來越大，提高乘員的舒適性;還可根據(jù)需要升高或降低車架高度、以提高行駛性能和通過能力，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，在高速行駛時降低整機高度和重心；油氣懸掛缸的左右貫通和前后貫通可分別增加側(cè)傾和前傾剛度，進而發(fā)展到U形截面，避免車輛轉(zhuǎn)彎時車身傾斜和剎車點頭現(xiàn)象。QAY160E全地面起重機底盤驅(qū)動形式為10×8×10，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，采用4軸驅(qū)動，能最大限度地發(fā)揮材料的力學(xué)性能，5軸全輪轉(zhuǎn)向方案。四軸驅(qū)動功能使爬坡能力和越野性更強;電液控制的多種轉(zhuǎn)向方式，從而提高大噸位汽車起重機在大幅度、高起升高度情況下的起重性能。與此同時還解決了容易失穩(wěn)的問題，可實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎、蟹行轉(zhuǎn)向等功能，大大的提高了起重機的可靠性和穩(wěn)定性。

北方

交通

汽車起重機

一、伸縮式臂架截面形式的分析

目前，增強了整機轉(zhuǎn)場的機動靈活性。在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中設(shè)置了應(yīng)急轉(zhuǎn)向裝置和輪胎對中裝置。提高了行駛安全性和高速穩(wěn)定性。，汽車起重機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，它制造工藝相對簡單，具有良好的抗彎剛度，適用于強度比較低的材料；對于高強度材料不能充分發(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；而且在四個角點處最容易產(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)失穩(wěn)。一般用于中小噸位的輪式起重機。

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。這些截面的共同點是采用大圓弧過渡，腹板高度減小，受力狀況得到改善。而且這些截面實際計算寬度較小，有利于提高抗失穩(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，其重量優(yōu)化，抗扭性能顯著，具有獨特的穩(wěn)定性和抗屈曲能力。適用于高強度材料，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，需要大型的折彎機等專業(yè)化配套設(shè)備，而且對焊接質(zhì)量要求相對較高，目前尚未被普遍采用。

U形截面是經(jīng)過優(yōu)化計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。通過對比分析，U形截面臂有如下優(yōu)點：

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，提高了汽車式起重機的起重性能；

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。  

二、U形伸縮吊臂優(yōu)化設(shè)計方案的設(shè)定

鑒于U形截面臂的諸多優(yōu)點，北方

交通

20T以上新一代起重機的臂架普遍采用U型截面。以凱帆牌QY50U汽車起重機的伸縮吊臂為例，首先是QY50U的吊臂優(yōu)化設(shè)計方案的設(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)；

第五步是進行優(yōu)化，并獲得優(yōu)化結(jié)果；

第六步對所得截面尺寸的吊臂再用有限元法精確校核吊臂的強度、剛度及穩(wěn)定性；

若這些條件不滿足，則需調(diào)整設(shè)計變量的上、下限，再運行上述優(yōu)化過程，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程作為優(yōu)化分析文件帶來計算量很大、運行時間長的缺點。

具體到每節(jié)臂的優(yōu)化設(shè)計問題,考慮兩個非常重要的工況：基本臂工況和全伸臂工況。由基本臂工況通過優(yōu)化設(shè)計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。

三、U形伸縮吊臂優(yōu)化設(shè)計過程及分析

U形伸縮吊臂優(yōu)化設(shè)計過程主要有三個方面的內(nèi)容，一是基本臂截面的優(yōu)化設(shè)計，二是其余節(jié)臂截面尺寸的確定，三是運用有限元法對吊臂的強度、剛度及穩(wěn)定性進行精確校核。

基本臂截面的優(yōu)化設(shè)計過程——作為吊臂來說，總希望在不發(fā)生失穩(wěn)的前提下，壁厚設(shè)計得薄一點，截面設(shè)計大一些。但由于受整機尺寸的限制，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行截面的優(yōu)化。

整個過程用ANSYS 自帶的優(yōu)化模塊來實現(xiàn)，采用較精確的一階優(yōu)化方法求解，對于含有設(shè)計變量和狀態(tài)變量的約束優(yōu)化問題，ANSYS 先用懲罰函數(shù)法將其轉(zhuǎn)化為無約束優(yōu)化問題，經(jīng)過多次的迭代，最終確定了吊臂的形狀。

最終可通過檢測得出，各折板長度逐步的接近，腹板高度進一步減小，下趨近于圓弧，這樣就大大的增強了腹板穩(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)全伸臂時的強度、剛度及穩(wěn)定性要求來確定。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)計可有效的減輕臂體的重量，從而提高整機的起重性能；針對吊臂截面參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，由截面特性作為狀態(tài)變量約束條件，可大大減少優(yōu)化迭代時間，使得吊臂優(yōu)化設(shè)計成為可能。QY50U汽車起重機吊臂的優(yōu)化設(shè)計方法同樣適用于其它形狀的吊臂優(yōu)化設(shè)計。

在優(yōu)化設(shè)計之后，又對QY50U吊臂的強度、剛度及穩(wěn)定性進行了校核，確保優(yōu)化結(jié)果的可靠性和實用性。通過對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程，最終得出各個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。

通過數(shù)據(jù)和圖樣表明：經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計之后的QY50U，吊臂的強度、剛度及穩(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)計之后，又對優(yōu)化設(shè)計之后的QY50U汽車起重機進行了結(jié)構(gòu)應(yīng)力的測試實驗。首先選取結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試工況，然后對結(jié)構(gòu)應(yīng)力試驗測點進行合理的布置，最后通過測試得出結(jié)構(gòu)應(yīng)力試驗結(jié)果。

通過將測點處計算應(yīng)力的理論值與實測值比較可得知，實測值和理論值兩者得出的結(jié)果相近，說明設(shè)計計算出的數(shù)值是準(zhǔn)確的，各測點應(yīng)力值均小于許用應(yīng)力，結(jié)構(gòu)強度滿足設(shè)計要求。

經(jīng)過起重臂的優(yōu)化設(shè)計，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，在5米以上幅度，QY50U的起重性能提升約5.2%左右，在中長臂工況下比較可見，QY50U的起重性能提升約8.5%左右，在全伸臂工況下比較可見，QY50U的起重性能提升約7.5%左右。

四、U形臂在汽車起重機上的應(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個噸級的產(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)都達到國內(nèi)領(lǐng)先水平，深受國內(nèi)外客戶的認可和好評。

通過U形臂汽車起重機的研發(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起重機。未來，北方交通起重機事業(yè)全體工程技術(shù)人員將再接再厲，不斷地開拓進取，與時俱進，以市場為核心，以用戶需求為導(dǎo)向，為推動起重機的發(fā)展與進步。

標(biāo)簽：起重機械 汽車起重機 北方交通