臂架式起重机的轻量化设计研究

王 建 杨佳卫 朱彤彤

南通润邦重机有限公司

臂架式起重机主要结构由全回转X型支腿底盘、双层组合梁结构转台、筒体式塔身和桁架型式臂架4大结构组成(见图1)。

1.塔身 2.司机室 3.后拉式液压油缸 4.拉杆 5.绞车房 6.电气房 7.垂直支腿 8.悬挂 9.臂架 10.吊钩 11.动力房 12.转台 13.底盘 14.摆动支腿图1 臂架式起重机组成图

针对臂架式起重机的轻量化设计主要从以下几方面进行：①总体布局合理化，对各功能部件的布局进行局部调整，通过合理布局降低自重；
②智能化下的轻量化设计，研究客户实际使用工况，通过逻辑控制使设备，既满足客户的效率需求，又减少整机性能浪费；
③材料轻量化，采用强度更高的材料替代、优化质量体积较大的钢结构，从而降低整机自重；
④依据行业标准，分析结构的应力分布与稳定性情况，从而为起重机的轻量化设计提供理论依据。

2.1 总体布局合理化

此机型轻量化设计的总体思路为：在确保整体稳定性的前提下，通过配重平衡吊重产生的弯矩，在满足使用要求的前提下对回转轴承重新选型，使回转轴承的尺寸减小，这将会直接影响转台、塔架筒体直径和臂架根部开档距，整体结构轮廓尺寸相比较原机型明显减小，整机自重有效降低。

优化前的机型回转轴承型号为133.50.4500.002,回转齿圈直径4 500 mm，通过提供回转速度、工作频率、轴向力、径向力以及倾覆力矩给回转轴承厂家进行优化计算，选定新的回转轴承型号为133.50.4000.03K，回转齿圈直径4 000 mm。在集装箱工况和抓斗工况下静载安全系数和安全工作寿命均满足设计要求[1]。因原连接螺栓受力不足，需增加内外圈安装螺栓数量，使螺栓的受力满足要求。

回转齿圈优化后，对应的结构也需进行优化。原回转轴承尺寸较大，塔身尺寸较小，导致转台上端小下端大，无法用直筒结构，因此设计上采用上部圆锥过渡，易造成受力突变，筒体上端应力集中。由有限元分析可知[2]，筒体与法兰连接处出现285 MPa的应力集中，在应力云图中通过标识检查，稍远离法兰位置应力约100 MPa，突变明显(见图2)。

图2 原筒体有限元应力分析结果

回转轴承尺寸缩小后，转台筒体直径与塔身筒体保持一致，可设计成直筒，制作简单，同时筒体顶部受力应力突变即消除，最大应力约100 MPa，相连位置无突变、无应力集中。

2.2 机构运动参数优化

在结构计算中各机构的速度和加速度参数是制约整机轻量化的因素之一，以回转速度和回转加速度为例：通过对吊具动作消耗时间研究发现，制约作业效率的主要因素是回转速度(见表1)，而回转加速度影响臂架以及吊载的平面外惯性力[3]，制约臂架的结构轻量化设计，臂架的自重加大同时会影响到吊载性能以及转台配重的质量。

表1 吊具工况各动作消耗时间

对运动参数进行优化，将回转速度提高，加速时间适当延长，在不影响臂架结构计算的前提下，提高作业效率。在吊钩工况中，回转速度相对于优化前机型参数提高到1.58～2.92倍，在臂架中间幅度提高较少，两端幅度提高较多。回转加速时间从3 s延长到6 s，回转加速度达到优化前机型的0.79～1.46倍，在中间频繁工作幅度区间相对提高较少。

调整后，以优化前机型的臂架为载体，分别施加调整前后的回转速度和回转加速度，其余载荷相同，在臂架相同位置的主弦杆，应力只增加约10 MPa。因此，在满足原有作业效率的前提下，臂架的结构即可相对应减轻。

综上，调整回转机构的速度和加速度的相对应关系，可以降低臂架的自重，从而降低转台配重的重量，达到轻量化的目的。

2.3 其余轻量化研究

通过改变塔身和臂架连接铰点处的结构形式。原设计采用双层平台，制作较为复杂，但对于铰点耳板有一定的加强作用(见图3)。而轻量化研究下的塔身采用单层平台，筒体适当向上过渡，为铰点耳板提供支撑，结构相对简洁，虽应力有所增加，但满足设计使用要求，可达到轻量化设计的目的(见图4)。

图3 双层平台设计 图4 轻量化单层平台设计

此外，通过改变臂架头部滑轮的材质，降低臂架头部的重量，同时臂架主撑管使用高强度材质，在臂架结构计算满足要求的前提下，降低臂架的自重，从而将整机设计自重降低。

通过上述技术手段对此机型进行轻量化设计。其中塔身、转台、配重和臂架整体质量下降占原总重的6.22%，通过配套件的合理选型，以及在主结构尺寸变小的基础上，附属结构相应缩小，减轻的质量占原总重的1.82%。最终轻量化减重量占原总重的8.04%，达到了减重的目的。

整机轻量化研究设计以保持现有的设备的性能参数为基础，同时保证产品的可靠性、稳定性，并降低产品自重。通过配套件选型优化、各机构工作速度和加速度优化、主结构的精细计算、局部设计细节处理等技术手段实现轻量化设计，不但提高了产品的竞争力，对节能降耗和绿色低碳生产也有重要的推动作用。