浅谈叉车的起重机臂架的设计和优化

浅谈叉车的起重机臂架的设计和优化

孙宇

沈阳特种设备检测研究院 110034

摘要:本文通过对于起重机臂有限元法分析计算的应用，开展了一系列的强度和刚度，所有类型的起重机伸缩臂及起重机、封闭梁起重机等分析。

关键字：起重臂；有限元法；强度；起重机；叉车

引言：本文运用有限元分析法提出了设计和优化起重机臂的手动伸缩方法，因此这个设计要照顾到其刚度、应变及规定标准，还要考虑到它能够应用到各种形式起重器比较及封闭箱等。为了使得这个标准能够应用到实际，在此应用了起重机臂架的两种类型，然后通过运用数字化技术进行充分的优化，然后进行起重机比较的程序测试，主要目的是检验数值的准确度及设计方法是否有效。

二、基准规范

对于某种类型的起重机臂架，它们没有自己的标准，但是有必要使用与叉车臂架相关的标准，特别是标准UNE-1726：“自行式的卡车的搬运能力达到 10,000 公斤容量，和工业拖拉机挂钩的牵引力达到20,000 N”，在这种状态下，所有的结构和安全计量必须支持自走式的叉车并且它的附件是详细的。与这个标准相关的是这个段落（美联社6.2），它表明：“叉车的结构部件和辅助部件必须在15分钟内能支持1.33Q1和1.33Q2的静态负载。- Q1是指根据铭牌标志，在正常海拔高度和重心归一化距离下的额定载荷。- Q2是指根据铭牌标志，在最大海拔高度下的实际载荷能力作为测试结果，它必须不能有任何损坏，或者永久变形”。通过观察这一准则，可以发现它只是一个轻微的限制，并且它必须与结构准则UNE-58536的正确设计相接轨：“普遍使用的移动式起重机的结构计算规则”以应用于轮式movil起重机。

三、标准UNE-58356在真实案例中的应用

标准 UNE-58356 提出了一些负载情况 （标准表1） 以及荷载与放大系数相结合的计算方法：

主要载荷：

起重机臂的自重（G）

工作负载（F）：有用的高架负载重量加上附件的重量（F0：滑轮块，吊钩，电缆，…）。运行时起升和下降负载过程中产生的动态效应(Φ):这一因素的计算用公式：

(1) 其中

在其他情况下。

是每个元素的最高海拔速度（电缆，负载，…）

由于起重机运行时惯性作用引起的力：平移（T），转动（S）和幅度（L）：这些力的作用是分开的，自重和工作载荷将稍后解释。

附加载荷：

最不利位置处的风载荷，包括在运行中（ ）—标准UNE 53-113和超出设计者设定的界限。它们都将稍后解释。

特殊载荷：标准UNE58-501第11.6段的静态试验荷载。这是一种颠覆性的标准，表示一种1.25倍于额定载荷的载荷。所有这些情况下使用的方法都是“安全性和张力限制的局部系数”，而出现的载荷状况是以下情况，使用标准表5的放大系数。

正常载荷条件：

情况1：无风时的正常载荷

(2)

因此，有必要在转动，平移和增大幅度中间做单独地计算。

情况2：有风时的正常载荷

(3)

特殊载荷条件：

情况3：有风时的失效

(4)

情况4：在装配期间有风：这种特殊情况在这种结构从没有出现过

情况5：静态载荷情况

(5)

通过观察这些载荷情况，可以证明它们比标准UNE-1726规定的载荷情况更加的不利，并且还包含于它们。

另一方面，为了计算，有必要根据标准确立应力准则，确定以下：

结合极限应变（使用Von Mises公式）

(6)

屈曲微积分

(7)

剪切应变微积分

(8)

然后，利用不同的结构计算方法和材料的材料抵抗力继续对这些原理进行计算是可能的。

四、由起重机运动惯性作用产生的力

由于惯性而产生的力计算起来更加困难，而且它们取决于各种车辆所安装的刹车系统，液压系统等[1]。

因此，为了正确的量化它们，必须用加速计进行测试，但是由于这通常是不可能的，所以它们必须尽可能的适应来自于起重机规范UNE-58-507-77关于最高速度规定的动力学因素公式。确定表1：

表1：起重机的最大允许速度

于是，分别观察每个运动，但每个加速度必须用在相对于的方向上：

图片1：起重机伸缩臂的运动情况

五、取得结果

对已经计算过的伸缩式起重机臂架的张力和位移图进行了分析，通过设计和优化过程之后，在保证了标准和公司对于应力应变条件的要求下，得到了最优化的伸缩式起重机臂架，最后重量为434.7Kg。相对于最初的498.2Kg，意味着节省了12%的重量。为了做这个优化，对每一个不同的零件用到了从公式（6）到（8）所确定的范围。因此，在这每一零件都进行过Von Mises应力，剪应力和屈曲的检验。后来根据每一个应力，用以下公式得到了安全系数：

 如果C.Seg值比设计者确定的大（在特例2中），可能是零件厚度减小了或者是使用了性能差的材料了。为了防止它过低，将优于增加厚度或者提高所使用材料的质量。考虑到公司可用的材料，厚度等，它将通过重要零件来实现。这之后，还将再次计算，观察分析修改后的材料运行状况，并且看看能否满足规定的标准，能否继续以达到完美的材料外形和厚度。

此外，反复迭代是可以找到一个厚度和材料能满足标准并且有最小重量的优化方案的。也是可以用像OPTIMUS这样的优化软件来实现机械式劳动。

六、ETENSIOMETRICAL 分析

为了检验机械装置的运行状况，为了验证数值计算方法而且为了检验数值结果和真是值之间的误差，一种ETENSIOMETRICAL分析方法在机械装置中实现了，它用了三个单向性的计量器它的变形已经在起重机臂架之前选定的点处获得。为了明白数值的—实验的相关关系，用到的载荷情况是载荷情况5。其他的载荷状况很难实验，因为很难模拟风载荷。有必要强调利用这个载荷状况，使用过的方法和数值结果可以被确认，因此没有必要用其他载荷状况做其他的测试。实验性的和数值性的结果呈现出一种高度的相关性，伴随着12%的最大误差出现在计量器上，并且呈现出最低程度的变形。

结语：最重要的结论是获得了这些，建立了一种用于叉车起重机臂架的设计，计算和优化的方法，采用了标准UNE-58536对于起重机的规定，因为标准UNE-1726没有太多约束性；因此有必要明确载荷状况，边界条件，载荷，材料，焊接模型，等等。此外一些附加载荷状况在已经确立的标准中没有估计到，而且它们对于及机械装置的正确设计有着巨大的重要性，主要是因为要模拟一些高级动作，尽管这些都是被劝阻的或者是禁止的，仍可能在起重机臂架的使用过程中出现。同样利用数字技术，一种微积分法已经被确立，特别是有限元分析法，它可以完美的模拟所有的零件和机械装置的焊接，而且可以模拟所有的载荷状况，呈现每个点的应力，应变，位移，等等。另一方面，利用extenosmetrical方法已经检验了数值结果，得到了一个高度的相关性和一个低的误差（小于12%），用以核实数值结果和微积分法。

参考文献：

[1]苏文力,徐长生.基于一阶优化方法的桥式起重机结构有限元分析[J].武汉理工大学学报：交通科学与工程版,2016(04)

[2]张晓丽,李明鹏,李跃华,肖化友.桥式起重机主梁腹板结构拓扑优化设计[J].重庆工学院学报,20171(07)

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