伸缩臂挠曲变形分析及实例计算

伸缩臂挠曲变形分析及实例计算

王然然1     ,朱赛2  ,曹磊3,王少卿,4苏鹏飞5李兵,6权文龙,7刘康,8

1.徐州徐工特种工程机械有限公司 江苏徐州 221000；

2. 徐州徐工消防安全装备有限公司 江苏徐州 221000；

3. 徐州徐工特种工程机械有限公司   221000；

4.王少卿  徐州徐工特种工程机械有限公司   221000 ；

5.苏鹏飞  徐州徐工特种工程机械有限公司   221000 ；

6.李兵  徐州徐工特种工程机械有限公司   221000；

7.权文龙  徐州徐工特种工程机械有限公司   221000  ；

8.刘康  徐州徐工特种工程机械有限公司   221000 ；

摘要：伸缩臂结构在作业时总会产生一定程度的挠曲变形，这也是塑性材质本身的特性，因此挠度不可能被消除，但是可以通过一定的方式减小至合适的范围内。本文主要基于某三节臂伸缩臂叉车为原型对臂架挠度计算方法和改善措施展开分析。

关键词：伸缩臂，挠度变形

0 引言

伸缩臂作为最接近执行端的部件，如果挠度太大会影响执行端的作业稳定性，如执行端为载人的高空作业平台，则挠度弹性变形会使平台产生上下震颤动作，影响高空作业人员的舒适性和安全性，如果执行端为载物货叉，则存在货物固定不牢靠的风险。此外，挠度太大会增大臂架伸缩阻力，严重影响臂架伸缩的平顺度，因此控制臂架挠曲变形在合理的范围内有位重要。伸缩臂常用的截面有四边形、六边形、八边形、椭圆形等，其中最常用的为四边形，本文选用的三节臂伸缩臂叉车的臂架截面即为四边形。

1 臂架挠度计算模型

为避免产品在生产制造出来后才发现臂架挠度太大的问题，通常需要在设计阶段对臂架进行理论计算。可以借助分析软件，如Ansys Workbench、Hyperworks、Abaqus等CAE软件，此处用结构受力计算公式求解臂架的挠度。每一节伸缩臂结构都可以简化为一端固定另一端加载的悬臂梁模型，各节臂按照悬臂梁挠度计算公式得出每一节臂的挠度大小，再对臂架整体挠度进行迭代累加得到最终的挠度值。忽略滑块间隙、环境风力、操作力等，臂端面挠度变形可分解为臂自重产生的挠度、端面负载产生的挠度、端面负载转矩产生的挠度，计算简图即公式见表1。

表1                臂端面挠度变形求解分析

2 挠度计算实例

2.1 挠度分析计算

以某三节臂伸缩臂叉车为原型对其臂架进行挠度变形计算分析，该臂架结构参数见表2，臂架刚度计算模型如下图1。

图1 臂架刚度计算模型

参照标准GB3811-2008《起重机设计规范》的静态刚度要求，臂架的最大挠度不得大于。根据此标准，本车允许的最大挠度为。结合表1和表2对该车进行挠度计算得臂头最大挠度值为33.8cm，这明显超过了起重机设计标准的最大允许值，故需要对该车进行优化，可以从以下几个角度考虑。

2.2 减小挠度的方法

2.2.1 降低作业参数

从表1可知，缩短臂的伸长量、降低臂的自重以及降低负载大小均可直接减小每一节臂头处的端面转角和挠度变形，最终减小整个臂架的挠度变形。但缩短臂的伸长量会减小整机的作业幅度和作业高度，影响作业范围，故不建议通过降低参数来减小臂架挠度变形。

2.2.2 增大臂架结构参数尺寸

该车臂架截面为四边形，垂直于地面方向的惯性矩为

其中：h—截面外高度；

b—截面外宽度；

h1—截面内高度；

b1—截面内宽度；

由此可知，增大截面结构参数可以增大截面惯性矩，进而降低挠度变形。截面参数的变化需要考虑臂架的空间布局、臂内管路输送系统及伸缩系统的空间布局。在各种条件满足的情况下，增大截面尺寸为降低臂架挠度常采用的一种方法。

2.2.3 其他改善措施

除了降低作业参数和增大臂架结构参数尺寸之外，还可以通过减小滑块间隙、设置臂架反变形以及提高臂架加工精度的方式来改善臂架的挠度变形。

（1）减小臂和滑块之间的间隙

为了保证臂架伸缩的平顺性，往往会在臂和滑块之间留出一定的间隙防止臂在伸缩过程中伸缩阻力太大产生卡顿异常，滑块和臂架之间的间隙一般可知在0.5-1.5mm之间。随着臂向外伸出以及臂头带载会使臂尾部上方和臂头部下方的主受力滑块会紧贴臂内表面，相应受力滑块对面的非受力滑块与其相贴合的臂内表面之间的间隙增大。若装配时滑块与臂之间预留的间隙太大，也会增大臂头因为间隙配合产生的变形。因此，控制滑块和臂之间的间隙在合理的范围对降低臂架整体的挠度也是一个比较有效的方法，而且不影响作业参数和臂架截面参数。

（2）设置臂架反变形

由于塑形材料本身的特性，在完成正常的臂架装配后，基于重力因素，整机臂架都会有向下的挠度变形，设置臂架反变形就是通过装配补偿方式使臂架完成装配后臂本身有向上的翘曲。最常用的臂架反变形设置方式为增加臂架尾部上方和臂架头部下方的滑块厚度，减小臂架尾部下方和臂架头部上方的滑块厚度，即增大受力滑块厚度，减小非受力滑块的厚度。

（3）提高臂架加工精度

若臂架腔体加工精度太低，即臂架表面平面度一致性太差，不仅会产生臂架的伸缩抖动异常现象，还会增大臂的挠度变形，因确保臂架伸缩阻力正常，滑块厚度需结合两节相邻臂架内最大间隙设置，这就增大了臂架和滑块之间的间隙，尤其是在臂架腔体在臂头处出现喇叭形加工误差时臂架挠度会增大的更加明显，因此对于伸缩臂结构提高臂架加工精度尤为重要。

2.3 臂架挠度改善实例

第2.1节中计算的臂架挠度不满足标准要求，故需要对其进行改善。此处选择通过增大臂架结构参数尺寸的方式来降低臂架挠度，更改后的臂架截面参数尺寸见表2：

表2                 更改后的臂架截面尺寸

重新计算臂架整体的挠度值为16.8cm＜17.2cm，即更改后的臂架截面满足臂架刚度设计要求。

3 结论

综上所述，降低臂架挠度的方法主要有三种，降低作业参数、增大臂架结构参数、补偿性改善措施，其中降低作业参数会影响作业能力，在不弱于竞品作业能力时可以考虑，该方法因影响产品的竞争力而不太常用；增大臂架结构参数需要综合考虑整机的空间布局和臂内系统部件的空间布置，必要时还需要考虑整机重量，该方式较为常用；补偿性措施对整机不产生负面影响，通常情况下都需要考虑。

参考文献：

【1】陈士桐，张志起，王孝国．箱型伸缩臂的挠度计算［J］．建设机械技术与管理．2013（2），114-118；

【2】 GB/T 3811-2008．起重机设计规范［S］