隨車起重機(jī)臂架的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

隨車起重機(jī)臂架的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1折臂式隨車起重機(jī)隨車重量車身是一輛裝載車的專用車輛，通過(guò)裝載貨物的既定部件（通常稱輔助部件），可以實(shí)現(xiàn)自己的貨物裝載車?？蛇M(jìn)行“起吊、裝載、搬運(yùn)”等一系列作業(yè),具有體積小、自質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡(jiǎn)便、安全可靠、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、作業(yè)效率高等特點(diǎn)。隨車起重機(jī)主要分為直臂式和折臂式2大類。這2類各有其優(yōu)缺點(diǎn)。直臂式隨車起重機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是起吊重物用卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)完成,作業(yè)平穩(wěn),作業(yè)范圍大;其缺點(diǎn)是收回后體積較大,作業(yè)效率不高,臂架伸縮油缸及管路維修不易等(見(jiàn)圖1)。折臂式隨車起重機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是臂架可折疊,收回后體積較小;起升動(dòng)作完全由油缸的組合動(dòng)作完成,作業(yè)效率高;維修方便,并可選配多種輔具,實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用等。其缺點(diǎn)是在同等伸縮臂架節(jié)數(shù)的條件下,其比直臂式隨車起重機(jī)的作業(yè)范圍要小;作業(yè)平穩(wěn)性也略低于直臂式隨車起重機(jī)(見(jiàn)圖2)。中、大噸位折臂式隨車起重機(jī)是當(dāng)前發(fā)展的主要模式,并將逐步替代20t以下的汽車起重機(jī)。在能源日益緊張的今天,降低隨車起重機(jī)自質(zhì)量成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。因?yàn)檫@不僅可以為企業(yè)降低原材料的消耗,也為客戶增加了運(yùn)載能力,同時(shí)降低了隨車起重運(yùn)輸車在空載情況下的耗油量,間接為客戶提高了盈利能力。臂架是隨車起重機(jī)中最重要的受力構(gòu)件,其設(shè)計(jì)的好壞將直接影響隨車起重機(jī)整機(jī)的安全性能和經(jīng)濟(jì)成本。在設(shè)計(jì)臂架時(shí)既要考慮到臂架須滿足足夠的強(qiáng)度和剛度,又要考慮臂架自質(zhì)量盡量輕巧,這樣才能使隨車起重機(jī)具有較高的“起重性能系數(shù)”?，F(xiàn)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的隨車起重機(jī)主要由固定臂、各級(jí)伸縮臂、伸縮油缸等組成,臂架多為鋼結(jié)構(gòu)的多邊形等截面箱形套裝結(jié)構(gòu)。其作用主要用于支撐載荷并改變起重機(jī)作業(yè)半徑的大小,實(shí)現(xiàn)各節(jié)臂架之間相互滑動(dòng),并保證操作平穩(wěn)性。其臂架的截面形狀和形式與臂架具體的應(yīng)用及加工工藝條件等有關(guān),故有一定的差別。直臂式隨車起重機(jī)的臂架僅從長(zhǎng)度而言通常比較長(zhǎng),且臂架伸縮油缸通常在臂架內(nèi)部。臂架節(jié)數(shù)通常為3、4節(jié)、最多為5節(jié),5節(jié)的作業(yè)范圍至少能達(dá)到18m。單一就長(zhǎng)度來(lái)比較,折臂式隨車起重機(jī)的臂架通常比直臂式隨車起重機(jī)的臂架短不少。但為了實(shí)現(xiàn)更大的工作半徑,往往采用增加伸縮臂節(jié)數(shù)予以實(shí)現(xiàn),目前中、大噸位的折臂式隨車起重機(jī)通常都達(dá)到了6節(jié),作業(yè)范圍至少可達(dá)到16m。2臂架設(shè)計(jì)三個(gè)要素目前,為了提高起重性能并降低經(jīng)濟(jì)成本,在隨車起重機(jī)臂架的設(shè)計(jì)時(shí)通常從3個(gè)方面考慮。2.1增加了作為隨車起重機(jī)臂架材料的新型材料在中、大噸直臂式隨車起重機(jī)中,臂架自質(zhì)量一般能占整機(jī)質(zhì)量的15%～20%;在中、大噸位折臂式隨車起重機(jī)中,臂架自質(zhì)量一般能占整機(jī)質(zhì)量的20%～25%。因此降低臂架自質(zhì)量,不僅可以節(jié)約材料、降低成本,而且還可以減輕隨車起重機(jī)底盤的負(fù)荷、提高隨車起重機(jī)的靈活性與起重性能。目前制造臂架的材料基本上采用的是高強(qiáng)度板材,特別是近幾年屈服強(qiáng)度在600MPa、700MPa甚至1000MPa以上的進(jìn)口或國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)度鋼板得到了廣泛應(yīng)用。如國(guó)產(chǎn)寶鋼的BS600MC、BS700MC,太鋼的TQ600MC、TQ700MC,武鋼的HG785D,國(guó)外瑞典weldox900等材料,板材方面已非常成熟。這些新材料既有良好的機(jī)械性能和焊接性能,也能滿足制作中、大噸位隨車起重機(jī)臂架材料所需的要求,在臂架上已被廣泛應(yīng)用。這些新材料的出現(xiàn)及應(yīng)用,使得降低臂架自質(zhì)量成為可能。2.2最大公式為五邊形、抗剪形隨車起重機(jī)臂架的截面形狀經(jīng)歷數(shù)代演變,臂架截面由最初的矩形,變成五邊形、六邊形、八邊形、十邊形、十二邊形甚至橢圓形。這主要是在盡可能地增大臂架高厚比的前提下,通過(guò)改變臂架截面形狀,提高吊臂局部穩(wěn)定性。2.2.1截面的加工矩形截面(見(jiàn)圖3)與其他截面形式相比,其優(yōu)點(diǎn)是制造工藝簡(jiǎn)單;對(duì)設(shè)備要求不大,下料的精度要求不高;具有較好的抗彎能力和抗扭剛度。其缺點(diǎn)是這種截面沒(méi)有充分發(fā)揮材料的承載能力;焊接工作量大,制作時(shí)需做反變形處理;矩形截面每節(jié)臂架之間的接觸是上下面,不能抑制臂架伸縮時(shí)的橫向滑動(dòng),因此平穩(wěn)性差。現(xiàn)已基本上不被廠家采用。2.2.2橫向剛度、抗扭剛度五邊形截面(見(jiàn)圖4)與矩形截面相比,增大了橫向剛度與抗扭剛度,并且臂架下部部分抑制了臂架伸縮時(shí)的橫向滑動(dòng),但沒(méi)有充分發(fā)揮材料的承載能力。現(xiàn)很少有廠家采用。2.2.32.2.3臂架的自質(zhì)量和結(jié)構(gòu)自變量六邊形截面(見(jiàn)圖5)能較好地發(fā)揮材料機(jī)械性能,并能較好地傳遞扭矩與橫向力,減輕結(jié)構(gòu)自質(zhì)量,而且它的加工和制作不是特別復(fù)雜,臂架上部和下部的形狀能夠抑制臂架伸縮時(shí)的橫向滑動(dòng),操縱平穩(wěn)性好。六邊形截面同時(shí)是一種較為經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)形式,也是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最多的吊臂截面形式,它同樣也經(jīng)歷了幾次演變。2.2.3.吊臂的焊接六邊形截面a的制作最為簡(jiǎn)單,精度要求不是特別高,但有4條焊縫,焊接工作量大,成型后變形大,制作時(shí)需做反變形處理,生產(chǎn)效率不高。隨車起重機(jī)吊臂材料采用的屈服強(qiáng)度一般均在600MPa以上,因此與之相匹配的焊絲強(qiáng)度級(jí)別要求高,焊絲的價(jià)格昂貴;焊縫過(guò)多,焊接工作量增大,且所需焊絲的量也大,與之相應(yīng)的吊臂成本則高。因其對(duì)下料和折彎設(shè)備精度要求不是很高,目前該種結(jié)構(gòu)仍有少量的生產(chǎn)廠家在12t以下的隨車起重機(jī)上還在應(yīng)用。2.2.3.生產(chǎn)效率較低六邊形截面b與六邊形截面a相比較,其優(yōu)點(diǎn)是焊縫數(shù)量由4條變成2條,節(jié)約了焊材,減少了焊接變形的影響,也減少了工人的勞動(dòng)量,提升了近一倍的生產(chǎn)效率;節(jié)省了搭接部分的材料,降低了生產(chǎn)成本,降低了自質(zhì)量。但其缺點(diǎn)是對(duì)下料和折彎精度要求比較高,需要采用高精度數(shù)控折彎?rùn)C(jī)來(lái)保證折彎尺寸精度,前期投入偏大;這種結(jié)構(gòu)通常要求單面焊雙面成形,也有雙面焊接的,對(duì)焊接工藝和焊接人員技能有較高的要求。2.2.3.吊臂的焊接:最大限度地節(jié)約了焊材六邊形截面c與六邊形截面a、b相比較,其優(yōu)點(diǎn)是折彎后尺寸精度高,能實(shí)現(xiàn)高效率批量生產(chǎn);焊縫只有1條,最大程度地節(jié)約了焊材;焊接成形可采用自動(dòng)化或半自動(dòng)焊接來(lái)提高焊接效率,且焊接對(duì)吊臂產(chǎn)生的影響幾乎可以忽略不記;減少了工人的勞動(dòng)量;降低了生產(chǎn)成本,也降低了自質(zhì)量。但缺點(diǎn)是對(duì)板材厚度公差、下料和折彎精度等要求很高,國(guó)內(nèi)一般的下料設(shè)備及高精度數(shù)控折彎?rùn)C(jī)無(wú)法保證其折彎尺寸精度,前期投入昂貴。2.2.3.動(dòng)化焊接技術(shù)奧地利的PALFINGER公司在20世紀(jì)80年代初投資數(shù)千萬(wàn)對(duì)臂架生產(chǎn)線進(jìn)行了技術(shù)革新,所采用的臂架是六邊形截面c的結(jié)構(gòu)。改造后,實(shí)現(xiàn)了激光下料(見(jiàn)圖6)→高精度專用數(shù)控折彎(見(jiàn)圖7)→自動(dòng)化焊接(見(jiàn)圖8)的全套流程,提升了40%的產(chǎn)能,不僅提升了整個(gè)產(chǎn)品的品質(zhì),還確保了其在行業(yè)中的領(lǐng)先地位。激光下料具有切割質(zhì)量好、下料精度高、切割速度快且能量非常集中等特點(diǎn)。因此,切口好,僅有少量熱量傳遞到鋼材的其他部分,所造成的變形很小或沒(méi)有變形。此外,利用激光可以非常準(zhǔn)確地切割復(fù)雜形狀的坯料,所切割的坯料不必再作進(jìn)一步的處理即可焊接。高精度專用數(shù)控折彎?rùn)C(jī)確保了吊臂折彎成形的精度,能實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)和保證產(chǎn)品的一致性。自動(dòng)化焊接的優(yōu)點(diǎn)是減少人工因素對(duì)焊接質(zhì)量的影響,提高了焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性;提供精密的焊接動(dòng)作,焊縫的成行更穩(wěn)定、一致;能迅速完成產(chǎn)品的裝卸,提高焊接效率。2.2.4縮縮臂的制作難點(diǎn)八邊形和十邊形截面,有利于提高抗失穩(wěn)能力,且能較好地傳遞扭矩和橫向力,在相同截面的情況下具有更好的強(qiáng)度和剛度,這2種截面形式的伸縮臂能較好地發(fā)揮材料的承載能力,減輕結(jié)構(gòu)自質(zhì)量。然而,其制作等環(huán)節(jié)相對(duì)復(fù)雜,一致性不易保證,如要保證一致性及一道工序的焊縫成形,對(duì)設(shè)備等要求更高。國(guó)內(nèi)應(yīng)用不是很多,即使有也多是2道焊縫的截面形式。2.2.5發(fā)揮材料的機(jī)械性能橢圓形截面是一種受力較理想的吊臂截面形式,它能充分發(fā)揮材料的機(jī)械性能,且抗屈曲能力強(qiáng)。然而,橢圓形截面制造工藝復(fù)雜,需要大型的設(shè)備和工藝胎具,制造成本很高,目前只在超大型起重機(jī)上得到應(yīng)用。2.3臂架穩(wěn)定性分析。據(jù)綜合分析,認(rèn)為臂以ANSYS軟件為工具,通過(guò)優(yōu)化吊臂截面結(jié)構(gòu)和壁厚等降低臂架的自質(zhì)量,可提高臂架的強(qiáng)度、剛度和整體性能等。臂架結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法為:a.通過(guò)對(duì)隨車起重機(jī)伸縮臂的結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行分析,建立臂架結(jié)構(gòu)受力的數(shù)學(xué)模型。然后應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)其進(jìn)行模擬分析;b.在截面高度、寬度、材料及板厚一定的情況下,結(jié)合工廠的實(shí)際設(shè)備及加工情況選出最為合理的截面形式,使受力更為合理,材料的利用率更高。此外,還應(yīng)選用合理的折彎角度,使臂架穩(wěn)定性更好;c.為有效降低下臂架滑板處的支撐反力,保證臂架的剛度和帶載伸縮能力滿足設(shè)計(jì)要求,可以增加臂架的重疊部分長(zhǎng)度,以減少