臂架式高空作業(yè)平臺(tái)伸縮臂設(shè)計(jì)方法

基于ＣＡＤ／ＣＡＥ的自行臂架式高空作業(yè)平臺(tái)伸縮臂設(shè)計(jì)方法南京林業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院鄭燕萍馮謙邵海南京金現(xiàn)代科技實(shí)業(yè)有限公司陳建一摘要：本文基于ＣＡＤ／ＣＡＥ方法，對(duì)自行臂架式高空作業(yè)平臺(tái)２９ｍ長(zhǎng)的伸縮臂進(jìn)行有限元分析。該方法可根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，完成某工況整體和局部的剛度校核、強(qiáng)度校核和穩(wěn)定性校核，省時(shí)省力。同時(shí)試驗(yàn)和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法均證明，本文關(guān)于伸縮臂的ＣＡＤ／ＣＡＥ設(shè)計(jì)方法是正確的，對(duì)今后伸縮譬的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：伸縮臂；設(shè)計(jì)方法；有限元；ＣＡＤ／ＣＡＥＡｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅＨｅｓｓ，ｓｔｒｅｓｓｏｎｅｐ?。澹颍悖幔颍颍椋澹螅铮酰簦妫椋睿椋簦澹澹欤澹恚澹睿簦幔睿幔欤螅椋螅铮妫瑁椋纾瑁欤椋妫簦穑欤幔簦妫铮颍恚簦颍酰悖耄鳎椋簦瑁簦鳎澹睿簦睿椋睿澹恚澹簦澹颍铮睿幔恚蹋樱簦椋妫妫幔睿洌螅簦幔猓椋欤椋簦悖瑁澹澹耄悖幔睿猓澹澹幔螅椋欤穑澹颍妫铮颍恚澹洌猓幔螅澹洌妫椋睿椋簦澹澹欤澹恚澹睿簦悖幔欤悖酰欤幔簦椋睿纾颍澹螅酰欤簦螅裕瑁澹簦澹螅簦颍澹螅酰欤簦幔睿洌簦瑁澹妫颍铮恚簦颍幔洌椋簦椋铮睿幔欤悖幔欤悖酰欤幔簦椋睿纾恚澹簦瑁铮洌螅瑁铮鳎簦瑁幔簦簦瑁澹疲牛粒恚澹簦瑁铮洌恚澹睿簦椋铮睿澹洌椋睿簦瑁椋螅穑幔穑澹颍椋螅颍椋纾瑁簦幔睿洌铮妫纾酰椋洌椋睿纾螅椋螅睿椋?ｃａｎｃｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｅｌｅｓｃｏｐｉｃａｒｍ；ｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ；ＣＡＤ／ＣＡＥ１引言自行臂架式高空作業(yè)平臺(tái)用于高空作業(yè)，運(yùn)輸少量的人或物。根據(jù)工程需要，需設(shè)計(jì)伸縮臂長(zhǎng)２９ｍ的高空作業(yè)平臺(tái)。由于伸縮臂較長(zhǎng)，沒(méi)有圖１結(jié)構(gòu)組成示意圖１．作業(yè)平臺(tái)２．第３節(jié)伸縮臂３．第２節(jié)伸縮臂４．第１節(jié)伸縮臂５．車(chē)架相關(guān)的參考資料，無(wú)法用類(lèi)比的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，其安全可靠性無(wú)法保證。因此對(duì)自行臂架式高空作業(yè)平臺(tái)的伸縮臂進(jìn)行整體和局部應(yīng)力計(jì)算及穩(wěn)定性分析顯得十分重要。本文基于ＣＡＤ／ＣＡＥ的方法，對(duì)２９ｍ的伸縮臂進(jìn)行有限元計(jì)算舊“Ｊ。通過(guò)臂的伸縮運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。本文將計(jì)算工況按伸縮臂與水平面夾角分別為０。、２９．５。、４１．５０、４７．５。、５７．５。、７０。時(shí)作業(yè)位置，分成６種工況，如圖２所示。計(jì)算，可正確選擇伸縮臂各部件的連接形式和各截面的尺寸，對(duì)今后伸縮臂的現(xiàn)代設(shè)計(jì)提供了經(jīng)驗(yàn)。２結(jié)構(gòu)形式與計(jì)算工況分析伸縮臂設(shè)計(jì)要求自重輕、抗彎能力強(qiáng)，因此初步設(shè)計(jì)采用矩形截面的箱形三節(jié)臂結(jié)構(gòu)，矩形截面是由翼緣板和腹板焊接而成的，第１節(jié)臂長(zhǎng)１０．２ｍ，第２節(jié)臂長(zhǎng)１０ｍ，第３節(jié)臂長(zhǎng)１０．８ｍ，第３節(jié)臂的外端鉸接用于載人和物的工作平臺(tái)，第１節(jié)臂根部鉸接在車(chē)架上，靠近第１節(jié)臂根部裝有變幅液壓缸，用于支承伸縮臂，而各伸縮臂之間通過(guò)滑塊連接，其結(jié)構(gòu)組成示意圖如圖１。自行臂架式高空作業(yè)平臺(tái)作業(yè)時(shí)，包括伸縮一３６一圖２工況圖＜起重運(yùn)輸機(jī)械＞２００８（１２）萬(wàn)方數(shù)據(jù)３伸縮臂三維模型的建立與驗(yàn)證為了方便建模和有限元分析，本文首先利用ＵＧ軟件建立伸縮臂的三維ＣＡＤ模型，建模時(shí)做了必要的簡(jiǎn)化，省略伸縮液壓缸、鏈罩、拖鏈、電纜等結(jié)構(gòu)，只考慮其自重對(duì)伸縮臂的影響，然后通過(guò)ＡＮＳＹＳ軟件輸人接口讀人模型，生成三維模型。經(jīng)分析和實(shí)踐，模型采用具有６個(gè)自由度的ｓｈｅｌｌ６３單元，分別用６７７２５個(gè)單元和６８２３３個(gè)節(jié)點(diǎn)代替原實(shí)體模型。為了模擬伸縮臂作業(yè)時(shí)的支承情況，對(duì)第ｌ節(jié)臂２個(gè)支承位置處共１２個(gè)接觸面進(jìn)行Ｘ、ｙ、ｚ方向平移和旋轉(zhuǎn)自由度的約束。伸縮臂及作業(yè)平臺(tái)的自重按輸入密度和重力加速度的方式加在模型上，載重、風(fēng)力作用和伸縮缸、鏈罩、拖鏈、電纜等結(jié)構(gòu)件的重量按集中載荷加在模型的相應(yīng)位置，有限元模型如圖３所示。圖３有限元分析模型眾所周知，有限元模型是否正確將直接影響計(jì)算結(jié)果的正確性，特別是分析單元和約束形式的選擇是否恰當(dāng)，模型簡(jiǎn)化是否合理。由于２９ｍ長(zhǎng)伸縮臂的自行臂架式高空作業(yè)平臺(tái)尚處于設(shè)計(jì)階段，若生產(chǎn)出樣車(chē)進(jìn)行試驗(yàn)，成本太高。為了驗(yàn)證模型的正確性，建立了已投產(chǎn)車(chē)型，即伸縮臂為１６Ｉｎ長(zhǎng)的自行臂架式高空作業(yè)平臺(tái)的有限元模型，并進(jìn)行了實(shí)車(chē)試驗(yàn)，應(yīng)變片的布置如圖４，取伸縮臂與水平面夾角分別為００、３００和４５。３種工況，１６ｍ長(zhǎng)伸縮臂的有限元計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果比較見(jiàn)表１。圖４應(yīng)變片貼片截面與位置示意圖《起重運(yùn)輸機(jī)械》２００８（１２）萬(wàn)方數(shù)據(jù)表１應(yīng)力比較工況００工況００工況３００工況３００工況４５０測(cè)工況４５。測(cè)試計(jì)算測(cè)試計(jì)算點(diǎn)測(cè)試計(jì)算結(jié)果結(jié)果結(jié)果結(jié)果結(jié)果結(jié)果ｌ１１９．５１０８．５５９６．８２７１．５２ｌ７４．１６７５．４１２１１３．３１１７．９ｌ９０．６４７０．９９ｌ６７．９８７９．０２３１０３７１．６９８４．４６８１．５８６５．９２６０．１７４１ｃｒ７．１７８．１１５８４．４６８７．５１６７．９８６９．３１５１４８．３１５５．３６１３３．９１２１．８９１０５．８８４１１７．３５６１５０．４１３３．２３１２９．７８１２２．５９１１２．４７６１０８．０３７１４４．２１４７．８６１２７．７２１２４．７６１０９．５９２１００．４７８１４０．１１４３．７９１２５．６６１２２．５９１０５．４７２９８．８８９２２．６６１８．６９２０．６１４．６６３ｌＯ．６０９１０．６９７１０１８．５４２４．５３１６．４８１１．７０４８．３３９．４７８１１１３６．０１３１．５３１２１．５４１１２．４２１１４．１２４９０．８５１２１３８．０１５０．０５１２３．６１２８．２５１１８．２４４１０３．６４由表１可知，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，相對(duì)誤差為２０％左右，因此可以證明１６ｍ長(zhǎng)伸縮臂的有限元模型是正確的。由此類(lèi)推，選用同樣建模方法、同樣分析單元和同樣約束形式及模型簡(jiǎn)化方式的２９ｍ伸縮臂的有限元模擬也是可信的。伸縮臂的設(shè)計(jì)計(jì)算包括計(jì)算工況下的剛度校核、強(qiáng)度校核和穩(wěn)定性校核，其中還包括整體和局部的校核，若按傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式方法，計(jì)算工作量大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。但若采用ＣＡＥ方法，則容易了解在６種工況下伸縮臂上各點(diǎn)的位移和應(yīng)力分布，并能根據(jù)某個(gè)工況的計(jì)算結(jié)果，一次性完成該工況下整體和局部的剛度校核、強(qiáng)度校核和穩(wěn)定性校核。因此本文利用有限元模型，進(jìn)行６種工況下的有限元計(jì)算，得到伸縮臂上各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力、各方向的應(yīng)力和節(jié)點(diǎn)位移等計(jì)算結(jié)果。分析計(jì)算結(jié)果得到，伸縮臂與水平方向成４１．５。工況較其他工況的應(yīng)力和位移均大。因此以此工況為例，‘對(duì)伸縮臂剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行校核。一３７—４伸縮臂的設(shè)計(jì)４．１伸縮臂的剛度校核有限元計(jì)算完成后，根據(jù)位移分布圖（略），伸縮臂的位移最大值為２５５．６ｍｍ，在伸縮臂最外端。根據(jù)箱形伸縮臂的剛度校核的經(jīng)驗(yàn)公式…，許用位移陰＝【揣】＝ｏ．５８９式中Ｌ。——縮臂臂長(zhǎng)，ｉｎ可見(jiàn)用有限元計(jì)算出的伸縮臂位移最大值＜５８９ｍｍ，即伸縮臂的剛度校核滿足要求。４．２伸縮臂整體穩(wěn)定性和強(qiáng)度的校核分析應(yīng)力云圖（略）和應(yīng)力列表的結(jié)果表明：伸縮臂上有３部分應(yīng)力較大，超過(guò)許用應(yīng)力值，而其他部分的應(yīng)力均滿足強(qiáng)度要求。應(yīng)力最大值是發(fā)生在靠近第ｌ節(jié)臂根部裝有變幅液壓缸位置處，由于有約束和應(yīng)力集中的影響，顯示的等效應(yīng)力數(shù)值１８６２Ｎ／ｍｍ２僅供參考，而伸縮臂材料的許用應(yīng)力［ｏ－Ｊ＝２１９Ｎ／ｒａｍ２，忽略以上因素的影響，此處應(yīng)力值也是超過(guò)許用應(yīng)力的，結(jié)論是此處的設(shè)計(jì)需要修改，強(qiáng)度校核不滿足要求。第２部分應(yīng)力較大的位置在第３節(jié)臂外端與工作平臺(tái)的連接處，其中應(yīng)力較大節(jié)點(diǎn)為９０４２，坐標(biāo)（１０，１２５，一１４８６０），其等效應(yīng)力值為６９１Ｎ／ｒａｍ２，也已超過(guò)許用應(yīng)力，此處的強(qiáng)度校核也不滿足要求。第３部分應(yīng)力較大的位置在伸縮臂根部，其應(yīng)力最大值發(fā)生在截面角點(diǎn)位置，節(jié)點(diǎn)號(hào)為６５５５８，坐標(biāo)為（１７３，２４５，１０３００），等效應(yīng)力為２３４．１４Ｎ／ｍｍ２。根據(jù)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法可知，伸縮臂根部的應(yīng)力值也是伸縮臂的整體穩(wěn)定性校核的依據(jù)，因此該處的計(jì)算結(jié)果表明：伸縮臂的整體穩(wěn)定性和此處的強(qiáng)度都不滿足要求。為了說(shuō)明結(jié)論的正確性，本文同時(shí)利用傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了計(jì)算。忽略由于伸縮臂接合處間隙或制造誤差產(chǎn)生的初始彎矩，則伸縮臂整體穩(wěn)定性需滿足以下條件…。ＡⅣ－＋『主１０．ｃ。隆…１Ｎ。］Ｍｙ巾，萬(wàn)方數(shù)據(jù)式中Ａ——吊架根部截面的幾何面積，ｍｉｌｌ２札?！?dú)W拉臨界載荷，ｋ等Ａ山，再Ｎ。呵——?dú)W拉臨界載荷，卜軸向壓力，ＮＮ啤＝警入，亂ｃ■每Ｍｚ，肘，——由橫向載荷在結(jié)構(gòu)中引起的最大彎矩，Ｎｍｍ眈，耽——截面的抗彎模量，ｍｍ弘其中，伸縮臂的計(jì)算長(zhǎng)度Ｌ。＝ｐ。砌Ｚ根據(jù)ＧＢ３８１１—１９８３，與支承方式有關(guān)的長(zhǎng)度系數(shù)ｐ。?。保福玻兘孛骈L(zhǎng)度系數(shù)段?。保福?，因此。Ｌｃ＝８３７５１ｍｉｌｌ，其他參數(shù)的數(shù)值分別為Ａ＝１１６１６ｍｍ２，眈＝１．７８４１ｘ１０６ｍｍ３，１ｔ７ｒ－－２．０５８０ｘ１０６ｍｉｌｌ３，＾ｋ＝１．２９１６×１０３Ｎ，Ⅳｃ。＝１．０５２１×１０５Ｎ，由公式計(jì)算得到在伸縮臂與水平方向成４１．５０時(shí)，伸縮臂根部的應(yīng)力值為２５０．５７７１Ｎ／ｍｍ２，即伸縮臂不滿足整體穩(wěn)定性和強(qiáng)度的要求。結(jié)論與有限元的計(jì)算結(jié)果相吻合。伸縮臂局部穩(wěn)定的條件是直臂不發(fā)生屈曲怛Ｊ。即在材料的彈性（歐拉）范圍內(nèi)，屈曲應(yīng)力應(yīng)小于礦Ｐ。．根據(jù)材料特性，盯Ｐ＝０．８，盯。＝０．８×４９５＝Ｎ／ｍｍ２而伸縮臂上各處的應(yīng)力（不包括裝有變幅液根據(jù)伸縮臂重疊處的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，在第３０７Ｉ，２１０），等效應(yīng)力為Ｎ／ｒａｍ２，滿足局部強(qiáng)度要求。而在第２節(jié)臂與８００，坐標(biāo)為Ｎ／ｒａｍ２，也滿由此，伸縮臂局部穩(wěn)定性和局