汽車起重機臂架的有限元分析

陳雯雯 衡陽技師學院

汽車起重機臂架的有限元分析

陳雯雯 衡陽技師學院

汽車起重機在中國的起重機的應用范圍越來越廣，涉及的領域也越來越多，同時需要解決的問題也在增加。本文主要介紹了不同的文獻中研究汽車起重機的方法，主要是利用有限元分析法進行分析。先對起重機進行測量，經測量出的數據與有限元模擬的結果進行比對，將差別較大的地方進行改進，在符合實際操作的情況下對起重機進行優化。在普通有限元分析的基礎上將其參數化使其更好的解決問題。

汽車起重機 有限元分析 懸臂

一、前言

汽車起重機是一種裝在普通汽車上或者是裝在某種特制的汽車底盤上的起重機，它的主要優點是機動性好，相當于普通的載重汽車，符合公路對汽車的技術要求，但是它進行工作時必須使用支腿來保持穩定性，在松軟和泥濘的路面上支腿支撐的平面不一定水平，容易發生安全事故，因此不適合在次路面上進行作業。中國的起重機如果跟不上市場發展的腳步就會被淘汰，因此中大型起重機的研究迫在眉睫。但是起重機的有限元分析法可以完美的解決這個問題。

有限元分析（FEA，Finite Element Analysis），利用數學近似的方法對真實物理系統進行模擬。將模擬得出的應力應變動態曲線與實際的起重機進行比對，如果不符合就需要對模型進行檢查改進；如果整體是符合的就可以再進行優化。

二、綜述

文獻[1]是以t50汽車起重機的回轉液壓系統為主要研究對象，分析緩沖閥與換向閥的彈簧和開口面積、緩沖溢流閥的彈簧預緊力、泵的流量、轉動慣量、負載阻力矩對系統的動態特性的影響。分析如何減緩回轉機構啟動和制動時的壓力沖擊、縮短制動時間、改善系統的調速特性、提高整機性能、作業效率和安全性。在理論上建立液壓回路控制系統的數學模型，利用AMESim仿真軟件進行仿真，得出液壓系統的兩種工況的應力動態曲線。將仿真結果和測驗結果對比，修正模型中的參數，使之更加符合實際。在測試的數據中：回轉機構抱死的情況下，模擬仿真的結果和實際測試的結果基本一致，誤差只在10%左右，能夠反映實際狀況；回轉空載的情況下，模擬仿真的結果和實際測試的結果基本一樣，但是某些參數的改變可能會給仿真的結果帶來很大的影響。

文獻[2]是對特定的某種汽車起重機的起升結構的液壓系統進行仿真建模，從中得到起重機在原本的各類元件運作的過程中對動態系統所產生的不良影響，通過改變各類元件的相關參數來提高系統的精確性和可靠行，同時減少人力物力的投入。首先要對起重機的起升機構的工作原理做詳細的了解，建立液壓系統中變量泵、馬達、閥及管道的結構模型，繪制功率鍵合圖，并基于此推導出對應的數學模型，用MATLAB/SIMULINK仿真軟件進行建模仿真，最后得到的不同的系統響應數據，從得到的數據中挑選出具有最優的效果參數組合，使整個液壓系統在這種組合條件下性能最優。在仿真中具體考慮：系統停止后突然上升、停止后下降、提升后突然停止、下降后突然停止、提升后突然下降以及下降時突然提升。

文獻[3]與上述的兩篇文獻的最大區別在于還對汽車起重機進行了有限元的靜力學分析。其研究對象是QAY50汽車起重機的伸縮臂，文獻[3]進行載荷分類、伸縮臂的靜力學分析、結構剛度的計算和構件結構的許用應力分析，得到各結構的應力和形變圖。然后根據實際工況的要求對起重機的三種實際工況進行研究，同時采用ANSY仿真軟件對整個系統進行有限元分析中的有限元靜力學分析和模態分析，并對系統進行優化。結合整體和局部的應力圖和形變圖，了解應力的分布情況和形變情形并找出最大應力發生位置，確定在伸縮臂輕度和剛度均滿足條件的情形下的最危險的工況。得出實的三種工況下伸縮臂結構的前六段的固有頻率和對應的振型。結合圖形清楚的找出伸縮臂結構存在的缺陷和需要加強的結構，對缺陷交易改進得出最優的方案。

文獻[4]針對目前汽車起重機存在的問題，對汽車起重機使用參數化方法對主要結構構件的特征參數、載荷參數進行定義，借助有限元分析法基本理論對起重機的副臂和轉臺實施簡化原則的處理方式并根據起重機的實際操作建立有限元分析模型，利用ANSYS中的匯編語言對模型進行具體分析。在有限元的基礎上同時運用VB編程語言開發起重機的參數化分析系統。

文獻[5]主要局部應力對液壓起重機某段伸縮臂的內部和外部接觸區影響的分析。選擇伸在外面的懸臂的某段相關長度，建立伸縮臂的頂部法蘭板、頂部網盤和底部法蘭板的彎曲方程，根據方程畫出應力—應變狀態圖形并建立一個數學模型，其中數學模型分為局部模型和整體模型。對整體和局部模型進行有限元分析。同時需要對實際的起重機進行實驗測試，將得到的TD-6/8型液壓汽車起重機的有限元分析結果和實驗測試結果進行驗證。對獲得分析結果和實驗結果進行比較，發現在分析模型和通過有限元分析與實驗測試得出的結果之間具有較高服從性，這證實了所有的假設。提出的方法以及驗證過的分析表達式給在接觸區存在局部應力增加的盒狀伸縮段和其它結構的最優設計提供了準則。

三、結論

從上面的文獻可以看出對起重機進行有限元分析時能否準確的建立模型是解決問題最為關鍵的，因為接下來對起重機的受力分析、應力應變分析都是在模型的基礎上完成的。在建立準確的模型之后就可以開始進行研究了。上述所有文獻通過有限元法分析模型的出的結論與實際測量得出的結論誤差很小，而這些誤差存在的原因主要是因為在制作模型的過程中提出的數學表達式為了便于計算，將某些因素不加以考慮造成的,如文獻[5]，這證明有限元分析法在研究受力分析問題上能代表實際問題，同時也能解決實際問題。

[1]王志洲.汽車起重機回轉液壓系統動態特性仿真與實驗研究 [D].長春：吉林大學，2011.

[2]姚俊威.汽車起重機起升機構液壓系統動態特性研究[D].太原：太原科技大學，2012.

[3]劉敏.汽車起重機伸縮臂結構分析與優化設計研究[D].西安：長安大學，2014.

[4]劉艷軍.汽車起重機主要結構件參數化分析系統研究[D].沈陽：沈陽建筑大學，2012.

[5]Mile Savkovi Milomir Ga?i Goran Pavlovi ea.al.Stress analysis in co ntact zone between the segments of tele scopic booms of hydraulic truck [J].Thin-Walled Structures, 2014(85)：332-340.