汽车起重机回转支承的有限元计算与分析.pdf

设计计算设计!计算D e s i g na n dC a l c u l a t i o n工程机械第3 9卷2 0 0 8年5月汽车起重机广泛应用于建筑、交通、石油、化工以及国防工业中。一般来说,汽车起重机由底盘和上车两部分组成。底盘是起重机的工作基础,而上车是起重机的作业部分。上车由起升机构、变幅机构、回转机构、伸缩机构、安全装置和上、下车操纵机构等部分组成,如图1。回转机构包括回转支承、回转减速机和回转马达等部件。回转支承是安装在上车和底盘之间的传递轴向载荷、径向载荷和倾翻力矩的汽车起重机回转支承的有限元计算与分析中南林业科技大学机电工程学院张平徐学林李新华李波1.3发动机与变矩器或者联轴器的连接尺寸(1)确定发动机飞轮的相对位置和连接螺纹尺寸,从而确定变矩器弹性盘或者联轴器的外形尺寸,及其与飞轮连接螺栓的尺寸。此外还要确认发动机飞轮中心孔的尺寸,以确定变矩器弹性盘中心导向轴的直径和长度尺寸,以避免变矩器导向轴与发动机飞轮发生干涉。(2)确定飞轮壳的外形尺寸和连接螺纹尺寸,以确定变矩器壳体的连接尺寸及其与飞轮壳连接螺栓的尺寸。(3)确定发动机飞轮壳是否需要放油管,如果需要,则要进一步确定放油孔位置及与油管的连接尺寸。1.4发动机与空调压缩机的连接尺寸(1)确定发动机所提供的空调压缩机皮带槽的形式及位置,初步确定空调压缩机的安装位置及皮带形式和长度。(2)确定发动机空调压缩机支架的连接尺寸及其空间位置,进一步确定空调压缩机位置和皮带的长度。2发动机自身需要确定的尺寸(1)各种传感器接口尺寸:发动机水温传感器位置和接口尺寸、机油压力传感器位置和接口尺寸、低压报警开关位置和接口尺寸和发动机转速传感器位置和接口尺寸。(2)发动机进、回油管连接形式、位置和长度,需要根据装载机燃油箱的位置来确定进、回油管的长度。(3)根据发动机空压机接口尺寸确定装载机储气筒进气管的尺寸。(4)暖风进、回水接口位置和尺寸。(5)散热方面。首先,确定发动机的冷却方式、冷却系统的散热功率,以及是否需要装备膨胀水箱或进气中冷装置,如果需要则应提出中冷器的散热功率要求;其次,确定发动机风扇材质、速比、风量、尺寸、厚度、偏转角和风扇旋向(吸风式或排风式);最后,确定发动机进、出水水口连接位置和接口尺寸,进气冷却的进出气口位置尺寸,以确定水箱和中冷气外接管路的尺寸和空间布置,这些是确定装载机水箱技术参数、外形尺寸必须的条件。(6)发动机启动电机、发电机连接形式和尺寸。(7)发动机油门手柄和熄火拉手柄位置尺寸和工作行程、连接孔尺寸和熄火方式,以确定发动机油门软轴和熄火拉线的长度。(8)发动机进、排气方式及进、排气流量参数,进排气口连接尺寸、位置及连接形式,以及发动机进气预热方式和冷启动要求。(9)对于电控发动机,还要确定发动机电控插接件连接形式以及油门控制系统的有关配套要求。通信地址:河南省郑州市中原区冉屯东路2 3号郑州宇通重工有限公司铲土机械研究所(4 5 0 0 5 1)(收稿日期:2 0 0 7-1 1-1 2)!摘要:回转支承装置是起重机的重要承载部件之一,它与构造及受力复杂的转台焊接体相连接。以有限元方法为工具,建立了Q Y 2 5型汽车起重机回转支承的有限元计算模型,并对其进行了结构强度与刚度分析。其分析结果对产品开发设计具有指导意义,并为其选择紧固用的高强度螺栓提供了分析计算基础。关键词:起重机回转支承有限元法应力分析4 2设计计算设计!计算D e s i g na n dC a l c u l a t i o n第3 9卷2 0 0 8年5月工程机械1.起重臂2.钢丝绳3.转台4.起升机构5.平衡重6.回转支承7.变幅液压缸8.吊钩图1汽车起重机上车示意图重要部件。回转支承内圈连接底盘座圈,外圈连接上车转台,可使汽车起重机上车部分相对于车身作3 6 0 自由回转运动,以完成各种起重作业的要求。由于起重机的作业部分完全依靠回转支承的支撑并提供回转力,加上负荷大,转向频繁,因此回转支承是起重机的重要承载部件。以下采用有限元法来对回转支承进行分析。1回转支承有限元模型的建立回转支承装置的应用非常广泛,它已从用于挖掘机和起重机,逐渐发展到用于其它机械。传统的回转支承的设计与选用主要停留在经验设计阶段,选型方法是手工计算方法,通过确定静态安全系数然后查阅承载能力曲线反复推算来求得的。不仅计算流程烦琐,运算复杂,而且还要经过反反复复的验算。本文采用三维有限元分析方法,对回转支承装置进行结构的强度和刚度分析,既快捷准确又可直观地得到回转支承装置在各种工况下的应力分布情况。为正确快速开发设计新产品提供了可靠的依据,同时也为连接螺栓的选用奠定了基础。1.1结构特点本文所选用的单排四点接触球式回转支承是属于滚动支承式回转支承装置。其尺寸紧凑、性能完善,可以同时承受垂直力、水平力和倾翻力矩,密封和润滑条件好,回转阻力小,是应用最广的回转支承装置。此回转支承由内外座圈、滚动体、隔离体组成。起重机的上车回转部分利用螺栓连接固定在回转支承的外圈上,内圈是用螺栓连接固定在底盘座圈上,内圈无法转动。因此外圈主要承受了外界给予的负载,通过滚动体再传到内圈及底盘座圈上面。1.2实体模型建立及网格划分本文以Q Y 2 5型汽车起重机所选用的回转支承为例,将回转支承简化为只对外圈做分析,以外圈为主要分析对象。本文应用美国P T C公司开发的C A D/C A E/C A M软件P r o/EWi l d f i r e 2.0建立回转支承外圈的实体模型,采用A N S Y S Wo r k b e n c h 9.0对模型进行计算和分析。为了提高计算精度和减少计算时间,首先考虑对适合扫掠和映射网格划分的区域先划分六面体网格。比四面体网格划分的单元数目少且质量高。因此采用混合网格划分方法对三维模型进行网格的划分,实体三维模型及网格划分结果见图2。共计单元4 2 5 3 5个,节点1 4 7 5 1 2个。1.3计算工况、载荷及施加的约束回转支承不仅仅受到起升载荷的作用,同时还受到起重臂、伸缩机构、伸缩液压缸、变幅液压缸和平衡重等的影响。伸缩机构与液压缸都是差不多均布在起重臂上的,因此可将二者的重量附加到起重臂上来。在起重臂以及转台强度均满足的条件下,校核回转支承的强度。由于起重臂的承载情况直接决定了回转支承的受力情况,因此对回转支承采用表1所示3种工况进行计算,工况1为起重机额定起重量的工况,工况2为起重臂所受的弯矩最大时的工况,工况3为起重臂处于最大幅度时的工况。图2实体三维模型及网格划分表1起重机的作业工况(支腿全伸,侧后方作业)工况123工作幅度/m3.06.02 9.0主臂长度/m1 0.31 0.33 1.7 5起升高度/m1 0.48.3 91 0.5 5起重质量/k g2 6 0 0 01 6 6 0 07 6 0倍率1 01 04超载系数1.31.31.34 3设计计算设计!计算D e s i g na n dC a l c u l a t i o n工程机械第3 9卷2 0 0 8年5月图3工况1的变形云图和应力云图表3各个工况的变形量和应力值变形值/m应力值/P a工况1m i n0.0 1 5 e-0 0 41 7 7 6 3m a x0.1 3 9 e-0 0 46 5.8 4 e+0 0 7工况2m i n0.0 1 9 e-0 0 42 0 0 9 8m a x0.1 7 1 e-0 0 48.1 5 5 e+0 0 7工况3m i n0.0 2 0 e-0 0 46 4 8 5 0m a x0.1 7 9 e-0 0 41.3 8 e+0 0 8起重机上车部分的实际结构和材料特性比较复杂,在建立其有限元模型时通常都要进行一些合理的简化和假设。本文在建模和进行有限元分析时做了如下几种假设:将起重臂的伸缩机构、伸缩液压缸、钢丝绳和液压油4者的重量均布在起重臂上,附以起重臂的重量之和;将副臂重量均布到基本臂上,因为副臂一般都固定在基本臂上面。虽然一般为了减轻起重臂本身的重量,增大起重量,在作业时可将副臂拆掉,若要对更高更远的物体起吊时再装上副臂。但由于副臂一般装卸困难,因此可不必考虑;回转支承的材料为均质材料且各向同性。利用A N S Y S Wo r k b e n c h中远程力的计算方法,针对3种工况分别在空间对模型施加载荷。汽车起重机所受到的各种载荷经过实际计算得到后,在A N S Y S Wo r k b e n c h中利用远程力,分别对各个集中力的坐标位置进行精确定位,并标识出作用力的作用方向,即可求出回转支承在各个工况下的变形情况。除风力设为水平方向外,其余各个作用力的方向均竖直向下。7级风力时的各种工况回转支承所承受的最大轴向力和弯矩:Fa=Fq z!+Gq B+GB y+Gz+GPM=Fq z!lm a x+Gq Bl1+GB yl2+Wr-Gzl3-GPl4式中:l1、l2、l3、l4分别为起重臂、变幅液压缸、转台以及平衡重的重心与回转中心的距离;!为载荷系数,取1.3;W为7级风力;Fq z负载力;Gq B为4节起重臂、副臂、钢丝绳、伸缩液压缸、伸缩结构和吊钩的重量之和;GB y变幅液压缸重量;Gz为转台焊接体、油液和上车液压系统的重量之和;Gp为平衡重与起升机构的重量之和。2回转支承的有限元分析结果在模型分析中,可方便地一次性建立3种不同工况的模型。在施加载荷时,以外圈回转中心为笛卡儿坐标系原点,同时建立多个载荷约束的模型,从而达到各工况下的实际载荷的作用效果。回转支承材料属性如表2所示:应力计算结果用V o nM i s e s当量应力表示:各个工况的变形量和应力值如表3所示;工况1的应变云图和应力云图如图3所示;工况2的应变云图和应力云图如图4所示;工况3的应变云图和应力云图如图5所示。螺栓的受力值可根据所在孔的应力值得出,所承受的最大力为:表2回转支承的材料属性材料牌号弹性模量E/M P a泊松比屈服强度#s/M P a4 0 M n 21 9 6 2 0 60.37 3 54 4设计计算设计!计算D e s i g na n dC a l c u l a t i o n第3 9卷2 0 0 8年5月工程机械图4工况二的变形云图和应力云图图5工况三的变形云图和应力云图Fm a x=!m a xAk=1.3 8 1 088 1 6 8.1 4 1 0-6=1 1 2 8 6 7 3 N式中:!m a x为螺栓孔所受到的最大应力值,P a;Ak为联结螺栓孔的面积,单位为m2。3结论(1)从分析结果可以看出,轴向载荷对回转支承的影响是比较大的。在径向方向上产生的变形不大。并且回转支承必须具有足够的抗扭刚度。(2)从3种工况的情况分析中可得出,最大应力值明显小于材料的许用应力。从实际生产和使用情况上来看,完全满足要求。由连接螺栓孔处的应力可根据胡克定律推导出螺栓的型号以及预紧力。(3)此种方法不仅适用于本文所采用的单排四点接触球式,还适用于单排交叉滚柱式、双排异径球式、双排滚柱式和球柱联合式等其它各式各样的回转支承装置。同时也为其它两部分之间需作相对回转运动的工程机械提供了分析参考。参考文献 1 成大先.机械设计手册,轴承 M .北京:化学工业出版社,2 0 0 4.2 严大考,郑兰霞.起重机械 M .郑州:郑州大学出版社,2 0 0 3.3 顾迪民.工程起重机(第二版)M .北京:中国建筑出版社,1 9 8 8.通信地址:湖南省长沙市韶山南路4 9 8号中南林业科技大学2 0 0 5级硕士一班(4 1 0 0 0 1)(收稿日期:2 0 0 7-1 2-0 6)4 5K e y w o r d s:E n g i n eV i b r a t i o ni s o l a t i n gV i b r a t i o ni s o l a t i n gp a dV i b r a t i o nt r a n s f e r r a t i oD e s i g na n dC a l c u l a t i o no f H y d r a u l i cT e n s i o n i n ga n dR e c o i lMe c h a n i s mf o r C r a w l e r sC r a w l e r t r a v e l m e c h a n i s mi sa ni m p o r t a n t p a r t f o r c r a w l e r t y p em a c h i n e r y a n de q u i p m e n t.S l a c kt r a c km a y r e s u l t i nv i b r a t i o no rs k i pd u r i n gt r a v e l a n dt h ev i b r a t i o no r s k i pw i l l p r o d u c ei m p a c tl o a d a n d e x t r a p o w e r c o n s u m p t i o n,w h i c h s p e e d s u pt h e w e a r b e-t w e e nt r a c kp i na n db u s h i n g.B e s i d e s t h a t,e x c e s s i v es l a c kt r a c kw i l l e a s i l y d e r a i l s o t h e t r a c km u s t b e u n d e r a na p p r o p r i a t e t e n-s i o n i n g s t a t e.B u t at r a c kc o u l d n t b et e n s i o n e dt o om u c h,w h i c hw i l l i n c r e a s e t h e f r i c t i o nb e t w e e nc r a w l e r p i na n db u s h i n g a s w e l la s i nt h e i d l e r b e a r i n g a n da t t h e s a m e t i m e s p e e du pt h e i r w e a r-i n g.S o t h e c r a w l e r t e n s i o n i n g r e c o i l m e c h a n i s mp l a y s a v e r y i m-p o r t a n t r o l e h e r e.T h e r e a r e t w o t y p e s o f t h e m e c h a n i s m,m e c h a n i-c a l a d j u s t m e n t t y p e a n d h y d r a u l i c a d j u s t m e n t t y p e.T h e m e c h a n i-c a l o n e f e a t u r e s s i m p l e s t r u c t u r e b u t m o r e d i f f i c u l t a d j u s t m e n t s oi s a p p l i e dt o s m a l l-s i z em a c h i n e s o r e q u i p m e n t w i t hb e t t e r w o r kc o n d i t i o n s.Wi t ht h ed e v e l o p m e n t o f h y d r a u l i ct e c h n o l o g y,h y-d r a u l i ct e n s i o n i n ga n dr e c o i l m e c h a n i s mi s e m p l o y e di nc r a w l e rt r a v e l m e c h a n i s m s.O nt h eb a s i so f a n a l y z i n gw o r kp r i n c i p l eo fh y d r a u l i c t e n s i o n i n g a n d r e c o i l m e c h a n i s mo n a p a v e r,d e t e r m i n a-t i o na n dc a l c u l a t i o nf o r m a i nd e s i g np a r a m e t e r s o f t h eh y d r a u l i ct e n s i o n i n g a n d r e c o i l m e c h a n i s ma r e s y s t e m a t i c a l l y e x p l a i n e da n dd e s i g n p h i l o s o p h y f o r t h e m e c h a n i s mi s p r e s e n t e d.K e y w o r d s:P a v e rC r a w l e rH y d r a u l i c t e n s i o n i n gA c c u mu l a t o rP a r a me t e r c a l c u l a t i o nP a r a me t r i c Mo d e l i n g f o r Wo r k A t t a c h me n to fMo d e lG T C-6 5 0D e mo l i t i o nR o b o tWo r k a t t a c h m e n t o f m o d e l G T C-6 5 0 d e m o l i t i o n r o b o t p e r f o r m s i t sv a r i o u so p e r a t i o n st h r o u g he x t e n d i n g/r e t r a c t i n gm o v e m e n t so fc y l i n d e r s o n e a c h a r m.B o o mc y l i n d e r c o n t r o l s t h e r e l a t i v e p o s i t i o nb e t w e e n b o o ma n d s l e w i n g p l a t f o r m;d i p p e r s t i c k c y l i n d e r c o n t r o l st h e r e l a t i v e p o s i t i o n b e t w e e n t h e s t i c k a n d b o o m;j i b c y l i n d e r c o n-t r o l s t h er e l a t i v ep o s i t i o nb e t w e e nj i ba n dd i p p e r s t i c k;h a m m e rh e a dc y l i n d e r c o n t r o l s t h e r e l a t i v e p o s i t i o nb e t w e e nt h e h e a da n dj i b.A c c o r d i n g t o s t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c s o f w o r k a t t a c h m e n t,r e-l a t e d m a t h e m a t i c a l m o d e l i s e s t a b l i s h e d.P r o g r a mt o s e t u p a p a r a-m e t r i c f i n i t e e l e m e n t m o d e l f o r t h e w o r k a t t a c h m e n t i s p l o t t e d w i t ht h ep a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g eA P D Li nf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i ss o f t w a r eA N S Y S,i.e.w h e ng i v e nt h el e n g t h so f b o o mc y l i n d e r,d i p p e r s t i c k c y l i n d e r,j i b c y l i n d e r a n d h a m m e r h e a d c y l i n d e r,c o-o r d i n a t e o f e v e r y p i v o t i s o b t a i n e d u n d e r t h e w o r k c o n d i t i o n t o e s-t a b l i s h f i n i t e e l e m e n t m o d e l f o r t h e w o r ka t t a c h m e n t u n d e r d i f f e r-e n t c o n d i t i o n s,w h i c h p r o v i d e s a n e a s y a n d r a p i d m o d e l i n g m e t h o df o r f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s o f t h e w o r ka t t a c h m e n t u n d e r d i f f e r e n tc o n d i t i o n s a n d a n a l y s i s e f f i c i e n c y i s i n c r e a s e d.K e y w o r d s:D e mo l i t i o nr o b o tA N S Y SP a r a me t r i cWo r ka t t a c h me n tF i n i t e E l e me n t C a l c u l a t i o na n dA n a l y s i s o f S l e w i n gR i n go nT r u c kC r a n e sS l e w i n g r i n g i s o n e o f i m p o r t a n t l o a ds u p p o r t i n g p a r t s o na c r a n e.I t i s c o n n e c t e dw i t hs l e w i n g t a b l e w e l d m e n t o f c o m p l e x s t r u c t u r ea n dl o a d s.Wi t hf i n i t e e l e m e n t m e t h o da s a t o o l,a m o d e l o f f i n i t ee l e m e n t c a l c u l a t i o n i s s e t u p f o r s l e w i n g r i n g o f m o d e l Q Y 2 5 t r u c kc r a n ea n ds t r u c t u r a l s t r e n g t ha n dr i g i d i t ya n a l y s i s a r ec o n d u c t e do ni t.T h e a n a l y s i s r e s u l t s p l a y a ni n s t r u c t i v e r o l e f o r t h e p r o d u c td e v e l o p m e n t d e s i g na n dp r o v i d e a na n a l y s i s a n dc a l c u l a t i o nb a s i sf o r t h e s e l e c t i o n o f h i g h s t r e n g t h f a s t e n i n g b o l t s.K e y w o r d s:C r a n eS l e w i n gr i n gF i n i t e e l e me n t me t h o dS t r e s s a n a l y s i sA p p l i c a t i o no f N e wT e c h n o l o g i e s t oS c r a p e r sM o d e r ne l e c t r o n i c,i n f o r m a t i o na n de n v i r o n m e n t p r o t e c t i o nt e c h-n o l o g i e s a r e g e t t i n g m o r e a n d m o r e a p p l i c a t i o n s t o s c r a p e r s,w h i c hm a k e s t h e m a c h i n e s s i g n i f i c a n t l y i n c r e a s e di np e r f o r m a n c e s.N e wt e c h n o l o g i e s i ne n g i n e,d r i v es y s t e m,c o o l i n gs y s t e m,s u s p e n s i o ns y s t e m,b u c k e t a n db l a d ea sw e l l a sa p p l i c a t i o no f i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yt os c r a p e r sa r ed e s c r i b e di nt h ea r t i c l e.M a i n l yd i s-c u s s e d a r e n e wt e c h n o l o g i e s,i n c l u d i n g A C E R To f e n g i n e,m o d u l ea n d d u a l w a t e r f l o wi nc o o l i n g s y s t e m,n i t r o g e n-h y d r a u l i c-d a m p-C o n s t r u c t i o nMa c h i n e r ya n dE q u i p me n tV o l.3 9N o.5A b s t r a c t s i nE n g l i s h!