起重机臂架的静态强度、刚度计算

起重机臂架的静态强度、刚度计算CalculationofStaticStrengthandRigidityofcraneboom卢庆贵州航天天马机电科技有限公司（贵州省遵义市航天工业园区邮编563000）GuiZhouAerospaceTianmaElectromechanicalS&Tco.Ltd.(AerospaceIndustryarea，Zunyi，Guizhouprovince)摘要：该文以某型号随车起重机箱形伸缩式臂架为例，列举了该起重机所受的载荷及载荷组合情况，简述了臂架三维建模，叙述了臂架在三种载荷组合下的静态强度、刚度计算过程，并对计算结果进行了分析。Abstract:Thisdocumenttakesexampleforthetelescopicboomofsometypeoflorrycrane,particularizestheloadandloadcombinationthatthecranebears,briefsontheestablishmentthree-dimensionalmodel,narratesthecalculatingprocessofstaticstrengthandrigidityoftheboom,andanalyzesthecalculatingresult.关键词：起重机臂架强度刚度Keywork:craneboomstrengthrigidity1前言在起重机的箱形伸缩式臂架结构计算时，由于额定起重量值适用的基本臂或基本臂与伸缩臂组合类型较多，加之考虑起重机机械设计的各种载荷和载荷组合情况，计算比较繁杂。本文以某型号随车起重机为例，对臂架静态强度、刚度计算过程进行了论述。2计算载荷依据GB/T3811-2008《起重机设计规范》要求，某型号随车起重机结构计算应考虑三种不同基本载荷情况，分别为无风工作情况A3，有风工作情况B3，受到特殊载荷作用的非工作情况C2。在《起重机设计规范》表20“起重机金属结构的载荷与载荷组合表”中，需用到如下计算载荷和载荷系数。2.1自重振动载荷自重振动载荷是当物品起升离地，起重机本身自重将出现振动而产生脉冲式增大或减小的动力相应。其值为起升冲击系数φ1与自重载荷PG的乘积。其中φ1=1，PG=6.03kN。2.2起升动载荷起升动载荷是当物品无约束地起升离开地面试，物品的惯性力将会使起升载荷出现动载增大的作用。其值为起升动载荷系数φ2与额定起升载荷PQ的乘积。其中φ2=1，PQ=18kN。2.3起升加速引起的载荷起升加速引起的载荷是由驱动机构加速或减速、起重机意外停机或传动机构突然实效等原因引起的载荷。起升加速引起的载荷按式（1）计算：ΔF=φ5ma............................................................................（1）=1.2×1800×0.25=540N式中：第2页共7页φ5——加速动载系数，φ5=1.2；a——起升加速度，a=0.25m/s2；m——起吊质量，m=1800kg。2.4工作状态风载荷工作状态风载荷是指起重机在工作时应能承受的最大风力。发射筒工作状态最大风载荷按式（2）计算：PWQⅡ=1.2pⅡAQ.......................................................................（2）=1.2×500×5.85=3510N式中：pⅡ——工作状态计算风压，pⅡ=500Pa；AQ——导弹贮运发射筒的最大迎风面积，AQ=6.5×0.9=5.85m2。作用在起重机臂架上的工作状态最大风载荷按式（3）计算：PWⅡ=CpⅡA...............................................................................（3）式中：C——风力系数，C=1.95；pⅡ——同式（2）；A——臂架迎风面的外形轮廓面积，单位为m2。2.5非工作状态风载荷非工作状态风载荷是起重机载不工作时能承受的最大风力作用，其值按式（4）计算：PWⅢ=CKhpⅢA...........................................................................（4）式中：C——同式（3）；Kh——风压高度变化系数，Kh=1；pⅢ——非工作状态计算风压，pⅢ=1500Pa；A——同式（3）。3有限元分析3.1三维建模三维建模是比较关键的一步，建立的模型直接影响到有限元分析计算的结果。由于根据起重机不同额定起重量，臂架最小仰角和臂架最大长度也不尽相同，在进行分析计算时应对每个状态建模，所以，模型应仅可能简单，便于对臂架的每个状态进行分析，模型中只需作出主要基本臂、伸缩臂，以及与约束和吊点有关的零件，且该模型应为一刚性体（本文所示臂架为三维中的一个零件图）。本文仅在起重机为幅度5m，额定起吊质量1800kg，起升高度6.5m时的状态，对臂架进行了建模和计算，起重机其余状态计算分析过程相同。3.2强度计算第3页共7页3.2.1A3载荷组合A3载荷组合是起重机在正常工作状态下，悬吊着物品，无工作状态风载荷及其他气候影响产生的载荷，并考虑悬吊物品在一连串运动状态中引起的加速力或减速力进行的组合。作用在臂架上的载荷有自重振动载荷φ1PG，起升动载荷φ2PQ和起升加速引起的载荷ΔF，用SolidWorks对臂架进行应力分析结果见图1所示。图1A3载荷组合应力云图3.2.2B3载荷组合B3载荷组合与A3的组合相同，但加上工作状态风载荷的影响产生的载荷，即增加工作状态风载荷PWQⅡ和PWⅡ，应力分析结果见图2所示。第4页共7页图2B3载荷组合应力云图3.2.3C2载荷组合C2载荷组合是起重机在非工作状态下，有非工作状态风载荷产生的载荷。作用在臂架上的载荷有自重振动载荷φ1PG，非工作状态风载荷PWⅢ，臂架应力分析结果见图3。第5页共7页图3C2载荷组合应力云图3.2.4许用应力臂架的材料为Q460板材，基本许用应力按式（5）计算：[σ]=nbs35.05.0..........................................................（5）式中：σs——钢材的屈服强度，σs=460Mpa；σb——钢材的抗拉强度，σb=550Mpa；n——强度安全系数。由于强度安全系数n与载荷组合类别相关，所以其基本许用应力[σ]的计算结果见表4。表1强度安全系数n和基本许用应力[σ]载荷组合A3B3C2强度安全系数n1.481.341.22基本许用应力[σ]（MPa）285.5315.3346.3由表1可知，基本许用应力[σ]均大于图1、2和3中的最大应力，臂架强度满足使用要求。3.3刚性计算在相应工作幅度起升额定载荷且只考虑臂架的变形时，臂架端部在变幅平面垂直于臂架轴线方向的静位移fL与臂架长度Lc（=670cm）之间的关系见式（6）：第6页共7页fL≤0.1（Lc/100）2.........................................................（6）=0.1×（670/100）2=4.49cm根据公式（6）定义，在臂架上施加自重振动载荷φ1PG，起升动载荷φ2PQ和起升加速引起的载荷ΔF，用SolidWorks进行分析，结果如图4所示。图4臂架静位移fL在相应工作幅度起升额定载荷及在臂架端部施加数值为5%额定载荷的水平侧（切）向力时，臂架端部在回转平面内的水平（侧向）静位移ZL与臂架长度Lc之间的关系见式（7）：ZL≤0.07（Lc/100）2....................................................（7）=0.07×（670/100）2=3.14cm根据公式（7）定义，在臂架上施加除公式（6）的载荷外，并在臂架端部水平侧（切）向力施加0.05PQ（=0.05×18000=900N）的载荷，结果如图5所示。第7页共7页图5臂架静位移ZL由式（6）、式（7）、图4和图5可知，臂架静态刚性满足使用要求。4结束语该文依据《起重机设计规范》，并应用SolidWorks对起重机臂架进行了静态强度和刚度计算，计算过程清楚、详细，适用于起重机基本臂或基本臂与伸缩臂任何状态，对起重机的箱形伸缩式臂架及类似结构的计算分析具有借鉴意义。5参考文献[1]GB/T3811-2008《起重机设计规范》[2]GB6068.4-1985《汽车起重机和轮胎起重机试验规范结构试验》作者简介姓名出生年学位/职称专业卢庆1977中级职称机械设计制造联系电话E-mail详细地址邮编[e-mail]贵州省遵义市航天工业园区563000保密审查意见表编号:题目起重机臂架的静态强度、刚度计算内容摘要本文以某型号随车起重机箱形伸缩式臂架为例，列举了该起重机所受的载荷及载荷组合情况，简述了臂架三维建模，叙述了臂架在三种载荷组合下的静态强度、刚度计算过程，并对计算结果进行了分析。作者卢庆单位部门液压室电话[phone]保密初审年月日单位意见年月日备注