大吨位汽车起重机起重性能计算方法研究李儒

大吨位汽车起重机起重性能计算方法研究李儒

李儒

内蒙古神华准格尔能源集团内蒙古鄂尔多斯市017100

摘要：汽车起重机起重性能表是工作人员利用起重机进行起重作业的依据，也是进行安全事故分析的重要依据，对于汽车起重机设计和作业安全来说极其重要。起重性能计算是在起重机设计和制造完成的基础上，根据起重机设计规范，获得不同组合结构、臂架姿态和配重的起重机安全起重载荷。载荷主要包括起重机结构自重、水平载荷和起重重量等。起重性能计算是起重机制造厂商必须解决的关键技术问题。如何准确、快速、高效确定汽车起重机每种工况下的最大起重载荷，需要做大量的基础工作。本文分析了大吨位汽车起重机起重性能计算方法。

关键词：大吨位汽车；起重机；起重性能；计算方法；

据统计，目前汽车起重机一般均超过30000多个作业工况，超大型汽车起重机的作业工况超过50000个。不同的起重机工况具有不同的起重机臂架仰角、作业幅度、起升高度和吊载重量。如何准确确定相关起重作业参数，对于起重机安全作业至关重要。起重性能的计算工况数多，对于每个工况均采用手工计算不太现实，工作量巨大且难以实现，特别是随着汽车起重机的起重幅度和高度的增加，结构几何非线性现象更加突出。超起和塔臂新臂架结构的出现，传统的汽车起重机臂架由静定结构转变为非静定结构，传统的设计方法必须适应相应的结构形式。

一、概述

汽车起重机主臂采用箱型伸缩式主臂，不同臂节的组合方式导致主臂各节臂的伸出长度、搭接长度均发生改变，主臂各臂节截面大小不一。汽车起重机主臂属于变截面、变刚度的伸出长度可变结构，因此，对于主臂在强度、刚度、稳定性等方面的计算和安全判定需要进一步探讨。汽车起重机的臂架结构主要由主臂、副臂、超起和塔臂组成。不同的结构组合，可分为六大作业工况结构，为纯主臂、主臂+超起、主臂+副臂、主臂+超起+副臂、主臂+副臂+塔臂、主臂+超起+副臂+塔臂等组合结构。不同的汽车起重机臂架结构组合，对于臂架结构的受力机理、力的传递途径、边界条件均有较大影响，臂架结构计算方法和评价方法均需要适应新结构的变化。由于新超起结构的出现，汽车起重机臂架系统由静定结构变为超静定结构，随着汽车起重机臂架长度的增加，几何非线性现象更加突出。在超长臂作业工况，起重机臂架系统为柔性结构，决定臂架结构失效的主要因素不是结构强度破坏，而是结构失稳破坏。起重性能计算是汽车起重机设计和制造的关键技术之一。起重性能计算技术已成为我国汽车起重机的“瓶颈”约束，影响了我国汽车起重机高端产品的市场竞争力和进一步发展。起重性能计算研究主要适用于中小吨位汽车起重机，对于塔臂、超起结构工况下的起重性能计算研究较少，大部分的汽车起重机起重性能计算研究只考虑了臂架材料强度等部分安全评价指标，且不能实现全工况起重性能计算。因此，本文针对汽车起重机新的臂架结构形式，进行多工况多组合结构的结构理论综合研究。

二、大吨位汽车起重机起重性能计算方法

1.参数化建模。起重机臂架的有限元建模采用参数化建模，在ＡＮＳＹＳ中利用ＡＰＤＬ语言编程实现，参数包括结构参数和工况参数两部分，结构参数实现结构尺寸的控制，如主臂板材厚度几何参数、副臂圆管规格参数等；工况参数控制汽车起重机臂架的姿态，虚拟重现汽车起重机作业工况，如起重臂姿态控制参数、主臂伸缩状态控制参数和副臂组合控制参数等。主臂建模采用梁单元，主要原因为计算速度快，在计算后可以提取相关数据进行后处理操作，可进一步对计算结果的安全性进行判定。采用自适应统一模块进行建模，使有限元模型接近于真实物理模型。副臂建模采用模块化建模，首先根据副臂的结构特点分为标准节、转换节、旋转架、连接架、塔臂旋转架等结构形式，每种副臂节结构均采用模块化编程。其次，当副臂结构参数输入时对每节臂进行编码，建模时根据作业工况的实际结构来选择相应的各节桁架臂，通过编码调用相应的模块进行有限元建模，从而实现各种副臂节自由组合。

2.起重性能迭代算法。汽车起重机的起重性能是一系列的臂长、幅度、工况对应的最大许用起升重量的集合，是汽车起重机综合起重能力的体现。起重性能计算通常采用迭代算法，迭代算法通常采用增量法、二分法、比例法等。这些算法通常收敛速度慢、计算效率不高，对计算初值敏感。起重性能计算不仅要求结构性能归一化指标满足13个不等式要求，起重性能计算通常采用起重量和幅度分别调整的分离算法，其计算方法为：给定初始臂架的起重重量和初始仰角，首先进行起重量的迭代计算，满足起重性能的13个不等式要求，计算出实际幅度和计算幅度之间的差值，重新调整臂架仰角。接着进行起重量的迭代计算，满足起重性能的13个不等式要求，计算出实际幅度和计算幅度之间的差值，重新调整臂架仰角，依次循环，直到起重性能指标和幅度均满足收敛要求。分离算法收敛速度较慢，计算效率不高。本文提出了一种在迭代过程中同时调整起重量和幅度的算法，起重量的调整采用拉格朗日载荷预测算法，迭代过程中利用历史数据预测下一步迭代的计算起重量。在起重量的调整过程中，计算出工况幅度和计算幅度之差，调整汽车起重机臂架建模的仰角，使计算幅度在每次迭代过程中趋近于工况幅度。在迭代过程中，还需要满足工况吊载幅度的要求。起升重量的改变会引起臂架结构变形，从而导致幅度的变化。本文采用的做法是载荷调整和仰角调整同时进行，大大提高了计算效率。

3.起重性能计算软件。软件界面开发采用ＴＣＬ／ＴＫ语言，能够实现与ＡＮＳＹＳ内核数据和命令的无缝通信。建模模块和后处理模块开发采用ＡＮＳＹＳ的参数化语言ＡＰＤＬ。采用参数化、模块化的思想，可以实现起重机臂架自动建立几何模型、网格划分、加载、施加边界条件和建立有限元模型。起重性能计算软件功能界面主要包括３部分：结构参数、预处理和功能界面。结构参数主要包括起重机设计开发工程项目所需的定义材料与型材规格的材料库和型材库，汽车起重机车架、转台、配重和支腿等参数定义，主臂、副臂、超起、塔臂和伸缩油缸的参数输入。材料库和型材库可大量减少参数的重复输入次数，多工况计算时参数可重复使用。预处理主要对输入的参数进行预处理，提高后期的有限元建模和计算的效率。功能模块包括安全系数的设置，起重性能工况参数的设置，查看起重性能计算结果等。起重性能计算结果通过输入工况参数和控制参数，利用开发的汽车起重机起重性能计算软件，可以实现汽车起重机的全工况起重性能计算。当主臂、超起、塔式副臂组合结构汽车起重机作业时，通常主臂仰角固定，调整副臂和主臂的夹角来改变起重幅度，随着汽车起重机起升幅度增加，起重性能降低。

本文提出的起重性能计算算法能够快速获得决定每一个工况起重性能的评价指标，对于汽车起重机避免性能瓶颈、设计优化、产品定型和性能提升有重要的参考价值。本文提出的相关算法为后续的大吨位汽车起重机起重性能软件开发奠定了理论基础，也可为履带式起重机、塔式起重机等相关工程机械的起重性能计算提供参考价值。

参考文献：

［1］李伟涛．履带起重机起重性能研究与软件开发［Ｄ］．沈阳：东北大学，２０１６．

［２］王炜杰．汽车起重机性能计算及计算平台开发［Ｄ］．长春：吉林大学，２０１６．

［3］杜海龙，周振平，赵二飞．基于解析法的轮式起重机主副臂耦合计算起重性能方法的研究［Ｊ］．建筑机械，２０１6（１０）：８６-９０．