随车起重机臂架的设计与应用

随车起重机臂架的设计与应用

1折臂式随车起重机随车重量车身是一辆装载车的专用车辆，通过装载货物的既定部件（通常称辅助部件），可以实现自己的货物装载车。可进行“起吊、装载、搬运”等一系列作业,具有体积小、自质量轻、结构紧凑、操作简便、安全可靠、机动性强、作业效率高等特点。随车起重机主要分为直臂式和折臂式2大类。这2类各有其优缺点。直臂式随车起重机的优点是起吊重物用卷扬机构完成,作业平稳,作业范围大;其缺点是收回后体积较大,作业效率不高,臂架伸缩油缸及管路维修不易等(见图1)。折臂式随车起重机的优点是臂架可折叠,收回后体积较小;起升动作完全由油缸的组合动作完成,作业效率高;维修方便,并可选配多种辅具,实现一机多用等。其缺点是在同等伸缩臂架节数的条件下,其比直臂式随车起重机的作业范围要小;作业平稳性也略低于直臂式随车起重机(见图2)。中、大吨位折臂式随车起重机是当前发展的主要模式,并将逐步替代20t以下的汽车起重机。在能源日益紧张的今天,降低随车起重机自质量成为未来的发展趋势。因为这不仅可以为企业降低原材料的消耗,也为客户增加了运载能力,同时降低了随车起重运输车在空载情况下的耗油量,间接为客户提高了盈利能力。臂架是随车起重机中最重要的受力构件,其设计的好坏将直接影响随车起重机整机的安全性能和经济成本。在设计臂架时既要考虑到臂架须满足足够的强度和刚度,又要考虑臂架自质量尽量轻巧,这样才能使随车起重机具有较高的“起重性能系数”。现国内生产的随车起重机主要由固定臂、各级伸缩臂、伸缩油缸等组成,臂架多为钢结构的多边形等截面箱形套装结构。其作用主要用于支撑载荷并改变起重机作业半径的大小,实现各节臂架之间相互滑动,并保证操作平稳性。其臂架的截面形状和形式与臂架具体的应用及加工工艺条件等有关,故有一定的差别。直臂式随车起重机的臂架仅从长度而言通常比较长,且臂架伸缩油缸通常在臂架内部。臂架节数通常为3、4节、最多为5节,5节的作业范围至少能达到18m。单一就长度来比较,折臂式随车起重机的臂架通常比直臂式随车起重机的臂架短不少。但为了实现更大的工作半径,往往采用增加伸缩臂节数予以实现,目前中、大吨位的折臂式随车起重机通常都达到了6节,作业范围至少可达到16m。2臂架设计三个要素目前,为了提高起重性能并降低经济成本,在随车起重机臂架的设计时通常从3个方面考虑。2.1增加了作为随车起重机臂架材料的新型材料在中、大吨直臂式随车起重机中,臂架自质量一般能占整机质量的15%～20%;在中、大吨位折臂式随车起重机中,臂架自质量一般能占整机质量的20%～25%。因此降低臂架自质量,不仅可以节约材料、降低成本,而且还可以减轻随车起重机底盘的负荷、提高随车起重机的灵活性与起重性能。目前制造臂架的材料基本上采用的是高强度板材,特别是近几年屈服强度在600MPa、700MPa甚至1000MPa以上的进口或国产高强度钢板得到了广泛应用。如国产宝钢的BS600MC、BS700MC,太钢的TQ600MC、TQ700MC,武钢的HG785D,国外瑞典weldox900等材料,板材方面已非常成熟。这些新材料既有良好的机械性能和焊接性能,也能满足制作中、大吨位随车起重机臂架材料所需的要求,在臂架上已被广泛应用。这些新材料的出现及应用,使得降低臂架自质量成为可能。2.2最大公式为五边形、抗剪形随车起重机臂架的截面形状经历数代演变,臂架截面由最初的矩形,变成五边形、六边形、八边形、十边形、十二边形甚至椭圆形。这主要是在尽可能地增大臂架高厚比的前提下,通过改变臂架截面形状,提高吊臂局部稳定性。2.2.1截面的加工矩形截面(见图3)与其他截面形式相比,其优点是制造工艺简单;对设备要求不大,下料的精度要求不高;具有较好的抗弯能力和抗扭刚度。其缺点是这种截面没有充分发挥材料的承载能力;焊接工作量大,制作时需做反变形处理;矩形截面每节臂架之间的接触是上下面,不能抑制臂架伸缩时的横向滑动,因此平稳性差。现已基本上不被厂家采用。2.2.2横向刚度、抗扭刚度五边形截面(见图4)与矩形截面相比,增大了横向刚度与抗扭刚度,并且臂架下部部分抑制了臂架伸缩时的横向滑动,但没有充分发挥材料的承载能力。现很少有厂家采用。2.2.32.2.3臂架的自质量和结构自变量六边形截面(见图5)能较好地发挥材料机械性能,并能较好地传递扭矩与横向力,减轻结构自质量,而且它的加工和制作不是特别复杂,臂架上部和下部的形状能够抑制臂架伸缩时的横向滑动,操纵平稳性好。六边形截面同时是一种较为经济的结构形式,也是目前国内应用最多的吊臂截面形式,它同样也经历了几次演变。2.2.3.吊臂的焊接六边形截面a的制作最为简单,精度要求不是特别高,但有4条焊缝,焊接工作量大,成型后变形大,制作时需做反变形处理,生产效率不高。随车起重机吊臂材料采用的屈服强度一般均在600MPa以上,因此与之相匹配的焊丝强度级别要求高,焊丝的价格昂贵;焊缝过多,焊接工作量增大,且所需焊丝的量也大,与之相应的吊臂成本则高。因其对下料和折弯设备精度要求不是很高,目前该种结构仍有少量的生产厂家在12t以下的随车起重机上还在应用。2.2.3.生产效率较低六边形截面b与六边形截面a相比较,其优点是焊缝数量由4条变成2条,节约了焊材,减少了焊接变形的影响,也减少了工人的劳动量,提升了近一倍的生产效率;节省了搭接部分的材料,降低了生产成本,降低了自质量。但其缺点是对下料和折弯精度要求比较高,需要采用高精度数控折弯机来保证折弯尺寸精度,前期投入偏大;这种结构通常要求单面焊双面成形,也有双面焊接的,对焊接工艺和焊接人员技能有较高的要求。2.2.3.吊臂的焊接:最大限度地节约了焊材六边形截面c与六边形截面a、b相比较,其优点是折弯后尺寸精度高,能实现高效率批量生产;焊缝只有1条,最大程度地节约了焊材;焊接成形可采用自动化或半自动焊接来提高焊接效率,且焊接对吊臂产生的影响几乎可以忽略不记;减少了工人的劳动量;降低了生产成本,也降低了自质量。但缺点是对板材厚度公差、下料和折弯精度等要求很高,国内一般的下料设备及高精度数控折弯机无法保证其折弯尺寸精度,前期投入昂贵。2.2.3.动化焊接技术奥地利的PALFINGER公司在20世纪80年代初投资数千万对臂架生产线进行了技术革新,所采用的臂架是六边形截面c的结构。改造后,实现了激光下料(见图6)→高精度专用数控折弯(见图7)→自动化焊接(见图8)的全套流程,提升了40%的产能,不仅提升了整个产品的品质,还确保了其在行业中的领先地位。激光下料具有切割质量好、下料精度高、切割速度快且能量非常集中等特点。因此,切口好,仅有少量热量传递到钢材的其他部分,所造成的变形很小或没有变形。此外,利用激光可以非常准确地切割复杂形状的坯料,所切割的坯料不必再作进一步的处理即可焊接。高精度专用数控折弯机确保了吊臂折弯成形的精度,能实现批量化生产和保证产品的一致性。自动化焊接的优点是减少人工因素对焊接质量的影响,提高了焊接质量的稳定性;提供精密的焊接动作,焊缝的成行更稳定、一致;能迅速完成产品的装卸,提高焊接效率。2.2.4缩缩臂的制作难点八边形和十边形截面,有利于提高抗失稳能力,且能较好地传递扭矩和横向力,在相同截面的情况下具有更好的强度和刚度,这2种截面形式的伸缩臂能较好地发挥材料的承载能力,减轻结构自质量。然而,其制作等环节相对复杂,一致性不易保证,如要保证一致性及一道工序的焊缝成形,对设备等要求更高。国内应用不是很多,即使有也多是2道焊缝的截面形式。2.2.5发挥材料的机械性能椭圆形截面是一种受力较理想的吊臂截面形式,它能充分发挥材料的机械性能,且抗屈曲能力强。然而,椭圆形截面制造工艺复杂,需要大型的设备和工艺胎具,制造成本很高,目前只在超大型起重机上得到应用。2.3臂架稳定性分析。据综合分析,认为臂以ANSYS软件为工具,通过优化吊臂截面结构和壁厚等降低臂架的自质量,可提高臂架的强度、刚度和整体性能等。臂架结构优化方法为:a.通过对随车起重机伸缩臂的结构及工作原理进行分析,建立臂架结构受力的数学模型。然后应用ANSYS软件对其进行模拟分析;b.在截面高度、宽度、材料及板厚一定的情况下,结合工厂的实际设备及加工情况选出最为合理的截面形式,使受力更为合理,材料的利用率更高。此外,还应选用合理的折弯角度,使臂架稳定性更好;c.为有效降低下臂架滑板处的支撑反力,保证臂架的刚度和带载伸缩能力满足设计要求,可以增加臂架的重叠部分长度,以减少