随车起重机的优化分析

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　　摘 要：随车起重机是一种新型的起重运输机械，在工程领域有着广阔的应用前景，掌握有效的优化分析方法对提高随车起重机的工作效率和稳定性十分重要，本文针对随车起重机的重要机构和系统提出相关的优化分析方法，进一步完善和改进后，将对随车起重机的运作起到重要作用。
　　关键词：随车起重机；优化分析；完善改进
　　DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.15.169
　　1 前言
　　随车起重机集起重与运输于一体，提高了几倍的工作效率，节省了大量的时间和劳动力，具有高效灵活等优势，已经在电力、车站、农业、建筑、冶金、码头、石油开采、交通运输等众多领域得到广泛应用[1]。随车起重机按照吊机类型分为直臂式随车起重机和折臂式随车起重机，折臂式随车起重机起步又要比直臂式早，折臂式在西欧一些国家生产较多，直臂式主要是在日本占主导地位。随着我国国民经济的飞速发展，从2004年起，随车起重机的销量也在与日俱增，在机械产业的地位也会越来越受到重视，必将在未来逐渐走向成熟。
　　深入研究随车起重机具有一定的实际意义，也是一个极其重要的阶段。因此随车起重机的结构和功能分析优化对其在未来的发展有着重要意义[2]。
　　2 折臂式随车起重机
　　折臂式随车起重机主要由主臂、内臂、伸缩臂和底座等机构组成，虽然具有多关节，可折叠，作业占用空间小等优点，但是它的应用数量相对直臂式随车起重机而言要少的多，应用范围也没有直臂式广泛，还需进一步的深入研究优化才能有效的提高折臂式随车起重机的应用前景，拓展市场需求。
　　2.1 吊臂和吊链的优化分析
　　折臂式随车起重机。折臂式随车起重机主要由主臂、内臂、伸缩臂和底座等机构组成，虽然具有多关节，可折叠，作业占用空间小等优点，但是它的应用数量相对直臂式随车起重机而言要少的多，应用范围也没有直臂式广泛，还需进一步的深入研究优化才能有效的提高折臂式随车起重机的应用前景，拓展市场需求。
　　吊臂的作业范围和吊链的长度确定就能够为随车起重机的工作效率提供保障。成凯[3]在参与开发研制带有折臂式随车起重机的自装卸运输车时，通过作图法来分析吊臂的运动范围和吊链的长度，分析得出集装箱在地面与挂车外缘的距离应该大于300mm，这个距离能保证两者之间不会发生碰撞。吊链的长度取在集装箱的对称面上最小长度和最大长度之间的位置。吊臂可作二力杆计算，分析得出当上下臂油缸都在全伸位置时上臂油缸受力最大，下臂全伸上臂处于水平时下臂油缸受力最大。分析和掌握这些结果对吊臂和吊链的影响机制，能够为吊臂和吊链的设计提供很大的帮助作用。
　　2.2 变幅机构的优化分析
　　变幅机构系统是由折叠部分和两个摆动油缸构成。折臂部分由主折叠臂、次折叠臂和回转立柱构成，然后通过两个铰点连接，每一铰点由摆动液压缸和四杆机构实现变角[4]。变幅连杆机构决定了折臂式随车起重机起重能力的大小，是折臂式随车起重机的重要机构。通过建模，仿真分析，有限元分析等方法是优化分析变幅连杆机构的有效手段。
　　（1）建模及动力学分析方法。郜普刚[5]根据起重机实际折叠位置的10个关键点利用Pro/e和ADAMS建模，ADAMS（速度快，分析方便）进行动力学仿真，把65s的时间段划分为四个阶段，对动臂进行动态仿真分析，分析得出动臂油缸受力和吊点速度的Pro/e模型和ADAMS优化设计模型误差小于5%。在这种正确的优化模型的基础上，根据起重机在作业时动臂油缸比吊臂油缸受力大的特点，再对动臂进行优化分析，运用统一目标法分别建立动臂和吊臂的多目标函数，最终将两个目标函数OBJECTIVE的最小值作为优化目标进行优化。车仁炜[6]则认为动力学中常规的正解和逆解运算存在运算量大，出错率高的缺陷，故运用等效元素法进行动力学分析，同样用ADAMS进行动力学仿真，仿真结果显示同样能满足变幅机构的运动特性，这种方法能提高建模的效率，计算方便。
　　（2）动态性能仿真分析。杜文正，鹿飞[7] 针对臂架在刚性运动高频率的扰动而影响起重机的吊装定位精度的现象，进行了动态性能的仿真分析。将臂架模拟为柔性机械臂，在不考虑回转台的情况下，对折叠臂，钢丝绳，液压缸等做等效处理，建立柔性机械臂简化模型和动力学方程，并利用Matlab/Simulink仿真得出影响起重机的吊装定位精度的是弹性变形量和整体的刚性运动之间的耦合。根据动态性能仿真分析不难看出，在设计与研究变幅机构时，不能忽视臂架柔性变形的影响，它不仅会大大影响吊装定位精度，还会使臂架末端在执行命令时产生偏移，影响到臂架的运动轨迹和操作人员的安全。如何使吊臂在吊重时能够减小震荡并达到轨迹控制的准确性是研究人员要解决的关键问题，为折臂式随车起重机变幅机构的进一步研究提供了研究方向。
　　（3）有限元分析及优化。折臂式随车起重机在操作过程中动臂的受力情况比较复杂，且受力强度大，因此它的强度、刚度、稳定性要求必须满足工况的要求。晋民杰[8]模拟吊臂吊重13t的工况对动臂进行有限元分析，通过Pro/e对动臂三维建模并进行动力学分析得出变幅机构对动臂的作用力，吊臂对动臂的作用力，吊臂液压缸力三者对比的受力曲线图。再将模型导入ANSYS建立有限元模型，考虑到动臂受到多种外力的作用，会产生局部应力，在局部应力区域的网格划分是其他区域的几倍，在理想化模型及网格质量满足要求的情况下，有限元分析结果得出：动臂焊接位置的应力集中现象较为明显，应力值是周围区域的数倍，自由端变形量最大，因此需要加强动臂局部的抗压能力，同时应力集中处的焊接工艺也要提高。这对以后动臂的结构设计，强度提高，加工工艺等方面提供了良好的理论性建议。
　　（4）反求优化设计。国外的变幅机构性能良好，摆动液压缸的受力小，但国内不能掌握其设计理论和方法，邢玉生[9]魏效玲[10]利用影像反求法采集结构的近似尺寸参数，近似尺寸毕竟存在误差，且与国外的产品存在差距，直接进行设计计算，计算量大而且复杂。所以需要加以计算机辅助优化设计（可以运用ADAMS辅助分析），得到满足要求的设计尺寸。运用计算机求得构件和铰点的受力情况，综合分析得出变幅机构合理的尺寸参数。不难看出，运用合理的设计计算算法也是进行设计优化的一项重要手段。这也为变幅机构从设计到优化提供了一条新途径。 　　2.3 底座的有限元分析
　　底座是随车起重机中重要的支撑装置，一般由支撑板，底座主体，伸缩梁，支腿等组成，底座承载能力的强弱直接影响到随车起重机的稳定性和整机性能。考虑到底座主要受到额定起重力矩和回转支承提供的压力两方面，杨明星[11]选取某型号折臂式随车起重机的最危险工况：起重重量和工作幅度分别为13t和3m。对此工况进行一系列载荷计算，包括许用应力，所受竖直力，起重力矩，找出最大的应力和应变，完成数据的处理后利用Pro/e三维建模，导入Ansys中针对数据对底座进行有限元分析，分析结果可以看出底座的危险状态发生在汽车底盘双桥和竖直支撑板连接处。此项分析结果有利于随车起重机底座强度的研究和优化设计。
　　2.4 安全装置优化分析
　　国内的折臂式随车起重机的安全装置大多采用平衡阀、溢流阀、高度限位开关等装置，只有少数的仍采用直臂式的力矩限制方式。力矩限制器是计算机控制的安全操作系统，能够显示实时工况的各种所需数据，比如额定载重量、吊载的重量、吊臂的角度。还有自动记录危险工况的黑匣子功能。高顺德[12]运用齐次坐标法计算执行臂头的实时位置，运用ADAMS进行仿真分析，在验证位置坐标与轨迹相吻合的情况下，在计算机系统中结合力矩限制器进行模拟操作，操作结果显示在载重超重时能够得到有效的报警阻止并产生记录。滕瑞静[13]采用单片机为控制核心对随车起重机的力矩限制器进行了探讨设计，单片机的功能强大，尺寸小，方便灵活，应用在随车起重机上能够充分发挥其优点，性价比极高。折臂式随车起重机专用的力矩限制器的研究将为操作安全提供有力的保障。
　　3 直臂式随车起重机
　　直臂式随车起重机通过伸缩油缸控制吊臂伸缩，经卷扬机构带动钢丝绳实现货物的装卸。当前，国内使用最多的就是直臂式随车起重机，达到随车起重机总量的80%―90%[14]。
　　3.1 伸缩臂优化
　　伸缩臂窜臂现象是由于伸缩臂之间出现了相对位移的现象，即伸缩臂油缸有杆腔面积存在不合理的关系。伸缩臂在作业时都会产生一定的仰角，且仰角越大，窜臂现象越明显。为了提高起重机的工作效率，陆远望[15] 刘世良[16]对伸缩臂的窜臂现象进行理论分析和改进，陆远望采用有杆腔面积逐级递减的方式设计伸缩油缸，刘世良则采用无杆腔面积逐级递减的方式设计伸缩油缸，两者都有效地解决了窜臂问题。伸缩臂的截面形式复杂多样，合理选择截面结构对伸缩臂的强度和刚度都有重要的意义。黄飞[17]分析了多种截面结构后，最终决定选取六边形截面进行优化，六边形截面结构相比其他截面结构具有良好的刚度和强度，截面结构优化的关键在于截面长宽比和截面各板角度之间的优化，将伸缩臂简化后在Workbench的DM中参数化建模并进行优化分析计算后伸缩臂的质量减少，应力值减小，起重性能明显提高，刚度和强度要求满足现实要求。为伸缩臂的研究提供了理论基础。
　　3.2 操作方式的优化
　　直臂式随车起重机主要有上位操作、下位操作和中操作三种手动操作方式，金领钊[18]在分析了三种操作方式的优缺点后优化改进得到起重力矩在150KN・m以上的中下联动的操作方式。在直臂式随车起重机的横梁上安装操作座椅，座椅前方是中操作平台，能有效的提高安全性和工作效率，对中大吨位的直臂式随车起重机的操作方式的发展起到积极的推进作用。杨小姜[19]还进一步分析了直臂式随车起重机遥控方式，传统的手动操作存在容易倾翻的安全性问题，而有线操纵又存在电缆距离的限制，造成工作人员操作不便。针对这些局限性，引进了先进的无线遥控技术，当然有线操纵和无线操纵可以相互切换来适应不同的工况需求。它的应用无疑会为直臂式随车起重机在国内的发展注入新的活力。
　　4 液压系统优化分析
　　液压系统通常由动力元件，执行元件，辅助元件，工作介质，控制元件五部分组成，随车起重机中的液压系统也就是液压传动系统因其结构简单，操作方便的特点而被广泛使用。液压泵从发动机获得动力，然后将高压油提供给液压元件，以实现各种执行指令。罗军[20]对液压系统出现的系统压力高，平衡阀响应滞后和变幅机构下放延时的等问题做了相关的分析研究，并且在主要参数确定后针对问题做了相关改进。将平衡阀的阻尼孔直径，主阀进油口的最大过流面积和管道内径适当增大，节流阀弹簧的初始预紧力和节流孔等效直径减小。最后进行优化仿真分析，能够达到预期的效果，上述问题得到有效的解决。
　　5 结论
　　经过近50年的发展，随车起重机在各个领域的广泛应用使得其日趋成熟。随着市场需求的不断扩张，对随车起重机的功能和结构提出了新的挑战和要求。本文通过介绍各种优化手段实现随车起重机的设计发展的新突破，为随车起重机的进一步优化提供了合理的理论依据。将会使随着起重机的性能不断提升，功能更加丰富。同时，随着我国机械产业不断发展，对随车起重机的需求就会不断增加，这也为我国随车起重机提供了更广阔的市场和发展机遇。
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