叉装车的伸缩臂结构设计与试验分析.pdf

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1、中国农业机械学会2 0 0 8 年学术年会论文集T H 4 013 S L 型伸缩臂叉装车的伸缩臂结构设计与试验分析闫洪峰王志齐向阳谢建新温琦种洋陈文科【摘要】本文以T H 4 0 1 3 S L 型伸缩臂叉装车的伸缩臂结构为研究对象，采用S o l i d W o r k s 2 0 0 8j 维建模软件对其进行了结构设计，并利用C O S M O S W o r k s2 0 0 8C A E 软件对其进行了有限元静态强度分析，得出了伸缩臂的应力分布情况；在此基础上，采用电测法，对试验样车的伸缩臂结构进行了现场静态应力测试。并通过将试验测试结果与有限元分析结果进行比较的方式，验证了伸缩臂建

2、模的合理性以及C O S M O S W o r k s 有限元分析方法的可靠性。关键词：伸缩臂叉装车三维设计有限元分析应力测试中图分类号：T P 2 4 2文献标识码：A副言置，用以挂接各种田间作业机具等，在农业领域具有很好的应用前景。伸缩臂叉装车是一种具有多种作业功能的车辆，它将汽车起重机的伸缩臂式结构与传统叉装车的装卸功能有机地结合到一起，充分利用了伸缩臂式结构伸得高、伸得远的特点，在底盘不动的情况下，对离前轮较远的物资进行装卸作业。如对集装箱内物资的装箱、掏箱作业，由于无需进箱即可在箱外完成装卸作业，使作业效率大为提高。叉装车底盘具备四轮驱动、四轮转向、蟹行以及整车调平等功能，提高了叉

3、装车对复杂作业场地的适应性，使其更适合在越野条件下使用。通过在臂端换接各种作业属具，使叉装车具备叉、铲、吊等多种作业功能，实现了一机多用，进一步扩大了伸缩臂叉装车的应用领域。由于伸缩臂叉装车独特的结构形式和众多的作业功能，除了可用于叉车的传统领域工矿企业、港口码头、机场、建筑施工、商业仓储等行业外，还可用于更加复杂困难的作业环境，既可用于军用，也可用于民用。另外，经特殊设计的伸缩臂叉装车还能像普通拖拉机一样，具有一定的牵引能力，底盘设有三点悬挂以及动力输出装闫洪峰王志齐向阳谢建新温璃种洋陈文科中国农业机械化科学研究院工程师硕士，1 0 0 0 8 3 北京中国农业机械化科学研究院研究员博士中国

4、农业机械化科学研究院高级工程师中国农业机械化科学研究院高级工程师中国农业机械化科学研究院工程师中国农业机械化科学研究院工程师中国农业机械化科学研究院工程师1 伸缩臂的结构在伸缩臂叉装车的整体结构中，伸缩臂是其中的主要受力构件之一，其设计合理与否直接影响着伸缩臂叉装车的承载能力，整机稳定性和自重。T H 4 0 1 3 S L 型伸缩臂采用矩形截面的箱形结构，其整体结构如图1 所示。伸缩臂与车架的铰接点位于基本臂根部位置l 处，伸缩臂在变幅油缸的作用下绕该点转动；伸缩臂与交幅油缸的上铰点设置在基本臂靠近根部的上方2 处。二级臂的伸缩油缸布置在基本臂下方，铰接点在图中6、7 位置；三级臂伸缩油缸布

5、置在二级臂和三级臂箱形结构内，铰接点在图中8、9 位置。在基本臂头部内侧，二级臂尾部外侧和头部内侧，以及三级臂尾部外侧分别布置侧耐磨滑块1 5，使二级臂和三级臂分别在二级伸缩油缸和三级伸缩油缸的作用下在滑道内自由滑动，实现臂架的伸缩运动。随动油缸上铰点设置在基本臂根部位置1 4 处，伸缩臂变幅运动时，带动随动油缸中国农业机槭学会2 0 0 8 年学木年会论文寨伸长或缩回趴而控制与其同步伸缩的货叉连接架伺服油缸，保持货叉连接颦的既定状番不变；货叉连接架伺服油缸上铰点设置在第三级臂头部的位置l O 处，货叉连接架与臂架铰点位于三级臂头部1 1 处。通过调整货叉连接架伺服油缸的长度来使货叉连接架绕位

6、置1 l 转动，实现货叉的俯仰运动。伸缩臂为高强度钢板焊成的箱形结构在油缸的推动下可在长度方向自由伸缩，以获得不同的工作长度。这种伸缩臂其优点是长度变化方便，作业准备时问短：可在一定的载荷下调整臂的长度利于工件的到位。缺点是臂轩受载后在弯曲力矩的作用下产生较大的水平和垂直变形。变形的弹性给安装作业带来难度；另外伸缩臂白重大，与桁架臂相比，在同样幅度下的起重量有较大的下降。因此有必要对其结构进行有限元分析。o 每带一一一d!i i j j 产穹口一一、d，*镕*s *龇。拙裟雩銎鬻i：。镕；臁i 嚣豁嚣龋躲j 黧髅誓趱嚣：。i 嚣饕；i 嚣产“1 2 耐磨块；1 3 下耐磨块；1 4 随动油缸上

7、铰点 1 5 侧耐睁蜘2 伸缩臂的有限元分析伸缩臂是一个主要承受轴向压力、弯矩以及转矩的构件，对伸缩臂的常规设引计算划分网格时大多采用的是粱单元或扳壳单元这种有限元模型规模轻小，但对于伸缩臂上所贴加强筋板无法考虑，看不到伸缩臂组成板及局部应力分布，计算结果不全面，也不精确。随着计算机性能的提高及有限元分析软件的改进，使得利用三维实体单元对伸缩臂进行全面精确的分析成为可能。进行网格螂分时，可以将定义了接台接触条件的两个组件共享同一个节点。因此，使得利用实体单元进行阿格划分后的有限元分析模型可以得到伸缩臂组成板及各局部的应力分布情况。本文采用S o l l d W o r k s 2 0 0 8

8、软件建立了伸缩臂的三维模型利用C O S M O S W o r k s 有限元分析软件的高品质实体单元对其进行阿格划分，每个实体单元有I O 个节：4 个边角节，每条边线中间各有一个节(共六十巾侧节)。选用标准网格器。以伸缩臂整体为模型进行分析这样处理的优点是使得对各级臂的搭接部分，尤其在滑块趾的处理更贴近伸缩臂工作时的实际情况。由于伸缩臂工作时各级臂之问靠与滑块接触和挤压来传递力和弯矩，有限元建横中，必须较好地模拟各级臂与滑块之间的连接问题。在伸缩臂水平伸至仝长承受满载的工况条件下，对伸缩臂进行分析的步骤如下：(1)模型的简化在进行伸缩臂有限元分析时可以直接利用其C A D 模型然而过多的

9、模型细节容易导致局部嗣格过密加大计算成本降低工作效率。为了确保有限元分析结果的合理性，应在保证各结构件之间传力路线完整的情况F，对伸缩臂模型细节作重要简化。基本臂的吊耳。随动油缸安装支座以及伸缩臂内部侧面的耐磨块，在伸缩臂承受负载时由于其对整个大臂的变形和应力分布影响较小可以忽略。由于伸缩臂头部结构比较复杂，而藐们对伸缩臂结构强度的分析主要关注点集巾在臂身，馥可对伸缩臂头部进行简化。(2)确定约束和载荷条件基本臂与车架之间的约束条件比较简单，主要通过基臂后部的铰接和变幅油缸联结。因此在基臂根部的主轴施加镀链约束限制三个方向的平移自由度不限制在变幅平面内的转动自由中目&n 机械学会2 8 年学术

10、年会论文集度：在基臂与变幅油缸联结销轴处。沿此时变幅油缸的轴线方向添加约束限制其在该方向的平移自由度，这两项约束可较好的模拟伸缩臂整体结构的真实边界条件。设定伸缩臂自重的垂直基准面和重力加速度系统自动施加自重载荷，在负载重心位置应用远程载荷，作用在伸缩臂头部端面。远程载荷会把力和该力对作用面的力矩的对等力应用到力的作用面。模型经过简化、设定约束和载荷后如图2 所示。蚓2 设定蚰束和载荷(2)滑块接触魁模型处理在伸缩臂整悻各零部件之间设定为整体接合条件。但：级臂与基本臂之间、三级臂与一级臂之问主要是通过内部的耐磨滑块和伸缩油缸传递载荷，耐磨滑块与臂体之间内部的受力条件比较复杂，需单独设定表面接触

11、条件。在耐磨块和与其接触的臂体表面之间添加节到曲面的相触条件井将之问摩擦斟数设定为00 2 3。(3)伸缩油缸的处理为模拟此时伸缩油缸的状态，在伸缩油缸与莲臂和级臂的联结销轴中心设置连接条件。通过两端都被合叶连接的刚性挣米绑定模型上这两个区域，在变形中这两个指定区域之间的距离保持不变，并且不限制在两端的旋转。(4)划分叫格对伸缩臂整体模型采用实体阿格茄型划分网格并应用局部阿辖控制细化多零部件接触面组。最终划分的网格局部如图3 所示。可以看出模型复杂部位阿格划分较密，加强筋板与臂体相接触部位的网格节点重台网格划分质量较高。铲lj f 再、-j-耐碍；i 二i 盔i i o 西圈孙基丰臂侧视局部呵

12、格罔3 b 基本臂L 视局部阿格罔3 c 级臂局部刚格幽3 伸缩臂订m 元分析月格划分目邬日格(5)分析结果算例运行后得到伸缩臂整体有限元分析的V o n M i s e s 应力五图，如图4 a 所示。可毗看出，基率臂根部区域加强筋板设置比较合理，该T 况下M i s e s 应力在5 0 M P a 以下，没有明显的应力羹中现象。在基本臂上彝缘板贴附的加强筋扳端挪，存在较大应力，该处处于基本臂根部截面突变处，在该工况条件下出现2 3 0 M P a 左右的应力，远近小于材料许用出力。在二级臂上耐磨情块与基本臂作用位置和级臂与幕本臂搭接的下耐磨滑块处，受力情况比较复杂，分别产生了最大3 8

13、0 M P a 和3 0 0 M P a 左右的应力，由于在对耐磨滑块建模时选用的材料与伸缩臂同为金属村料，面实际耐磨滑块为尼龙材料，因此实际上该区域应力应大太小于分析值。另外，在三级臂与二级臂搭接上耐磨块作用处和伸缩油缸座处也出现了较小的应力集中，不影响伸缩臂整体的结构强度。图4 b 为伸缩臂整体应力分布区域的局部应力云图可以看出，伸缩臂整体大部分区域应力在1 2 0 d 胛以下在伸缩臂措接重叠区爱中国农k 机械学会2 0 0 8 年学术年舍论文真的产生的应力较小，在二级臂上耐磨滑块与基本臂作用位置很小区域存在3 0 0 M P 以上集中应刀。3 试验验证本文采用D H 3 8 1 5 N

14、静态电阻应变仪，对试验样车的伸缩臂结构贴片进行了静态应力测试。研究伸缩臂水平全伸、承受满载的工况条件下，圈“伸缩臂整#C o n M t s e s 应力i 目每级臂的应力分布和整体变形情况。有限元分析结果与实测结果相同测点的对比结果如表1 所不。为了方便分析，我们不妨对图5 进行分析，由此可知，有限元计算结果与试验数据最大偏差为1 76 6 说明有限元模型建立是比较合理的。圈4 b 伸缩臂大于1 2 0 M P a 局部、h M i 应力i 田图4 伸缩臂有限元分析V o n M i s e s 麻力云图表1 伸缩臂结构有m 元分析值与实测值的对序g测点编号n 析负栈力值宴测负载应力值偏差(

15、M P a)(M n)中图农业机械学会2 0 0 8 年学术年台论文集嫦iy _ 旷一圈5 丹析值负蛾应力值与蛮测负载应力值的较另外，工况1 条件下测得伸缩臂加载前后端部位移变化量蛙大为1 7 4 r a m，有限元分析结果伸缩臂端部最大位移变化量为1 8 85 r a m，二者偏差为7“。4 误差分析通过以上数据对比，我们可以看出，绝大部分测点的数据偏差较小，只有少数测点的数据偏差较大。造成两种结果之问存在偏差的原因主要有以下几个因素：。(1)模型的简化有限元分析模型不可能完全模拟真实模型，例如，在建立有限元分析模型的过程中，为了顺利的进行网格划分，提高网格质量以及运算效率，对C A D 模

16、型作了必要的简化。(2)边界与载荷条件；1)边界条件：边界条件指一个结构在哪些部分如何约束。分析时的边界条件均为理想化，与实际存在偏差。2)外力：事实上我们根难得到与真实情况完全相符的外力对于伸缩臂措接耐磨措块表面的压力而言，力的分布形式根难用一个数学公式说明，根据施加载荷力点的不同，分析结果存在较大的偏差。(3)试验条件与分析时的工况条件不可能完全相同在对伸缩臂进行静态应力铡试时，由于臂架伸出后基本臂舍产生一定的挠度变形，致使读取的臂架仰角可能产生一定的误差。另外，测试加载时，负载重心位置也可能与实验要求存在偏差。(4)实际应变测量点与仿真模型的监测点不一致试验中在测量应变片的粘贴位置时，有

17、可能存在测量误差，导致按照测量尺寸在有限元分析模型中提取应力应变数据与实际测量值存在偏差。(5)应力应变测量的误差即测试技术本身的误差。主要有应变测量仪器，导线电阻，应变计灵敏系数分散、机械滞后、儒变等工作特性的影响使测量结果产生一定的误差。5 结论本文利用C O S M O S 有限元分析软件对T H 4 0 1 3 S L 型伸缩臂叉装车的伸缩臂结构，采用实体单元进行了网格划分和有限元分析，并通过电测法对试验样车进行了实车测试，验验证了有限元模型建立的台理性。以及使用C O S M O S 进行有限元分析的方法的可靠性。把两种手段加以结舍对具体结构进行研究，得出了辱可能贴近工程实际的数据和

18、理皓。参考文献l曾i 斌t 昆卷明伸缩臂z 袭车发展概逑川物滩技术2 0 0 0 t2：1 3 1 42刘秀i 伸缩彗式卫蕴车I 作装置和动力性能优化研究【硕士学位论文】f f e l t l：西南变通太靴1 9 9 93纪爱敏鲋氟刘术南三种I 况T 大型吊臂的有限元分析佴工程辊挂-2 0 0 6r0 2：3 0-。3 3(美)S o l i d W o r k s 公月著C O S M O S 基咄教程：o M。s 眦D 目啦删北京；机辕I 业出版壮-2 0 0 7TH4013SL型伸缩臂叉装车的伸缩臂结构设计与试验分析TH4013SL型伸缩臂叉装车的伸缩臂结构设计与试验分析作者：闫洪峰，王

19、志，齐向阳，谢建新，温琦，种洋，陈文科作者单位：闫洪峰(中国农业机械化科学研究院 北京100083)，王志,齐向阳,谢建新,温琦,种洋,陈文科(中国农业机械化科学研究院)本文读者也读过(10条)本文读者也读过(10条)1.王志.闰洪峰.陈文科.洪曼.李宝珍.WANG Zhi.YAN Hong-feng.CHEN Wen-ke.HONG Man.LI Bao-zhen 伸缩臂叉装车设计思想浅析期刊论文-农业装备与车辆工程2009(4)2.曾立斌.侯忠明 伸缩臂叉装车后置式发动机散热系统的设计期刊论文-起重运输机械2003(3)3.王志.WANG Zhi 伸缩臂叉装车的现状期刊论文-建筑机械（上半

20、月）2008(8)4.邵海.冯谦.羊玢.张仕龙.宋兴龙 采用不同建模方法的高空作业车伸缩臂有限元分析期刊论文-工程机械2008,39(9)5.曾立斌.侯忠明 伸缩臂叉装车铰点位置的优化设计期刊论文-起重运输机械2003(8)6.邓辉明.DENG Hui-ming 多段式末端承载伸缩臂结构优化设计期刊论文-湖南农机2010,37(11)7.罗清雨 可伸缩变幅带式输送机伸缩臂结构强度有限元优化设计研究学位论文20058.焦恩璋.陈美宏.JIAO En-Zhang.CHEN Mei-hong 双伸缩臂装载机工作装置仿真分析期刊论文-煤矿机械2010,31(2)9.靳慧.王金诺.张仲鹏 N100型铁路救援起重机吊臂的有限元设计期刊论文-起重运输机械2001(3)10.雒晓辉.赵悟.杨力超.LUO Xiao-hui.ZHAO Wu.YANG Li-chao 车载式绿篱修剪机伸缩臂有限元分析与优化期刊论文-建筑机械（上半月）2010(12)本文链接：http:/