邓辉明

（福建交通职业技术学院，福建 福州 350007）

1 前言

多段式伸缩臂在现代机械中的应用非常广泛，如吊车的起重臂。伸缩臂的段数、截面形状、工作中的载荷分布也各不相同。在当前多段式的伸缩臂设计中，多数都运用了现代优化设计的方法，如有限元分析，对其进行优化，以期达到使设计最优的目的。在运用有限元分析设计中需要根据其结构建模、网格划分、分析计算等工作。其基本结构和基本参数本身是否相对合理，对其建模、运算量、运算结果的准确都具有很大的影响。伸缩臂的典型截面为箱式截面，通常的承载方式为末端载荷，本文以这种伸缩臂为例，对其结构进行结构的基本设计和优化。

2 计算工况及受力分析

以三段式伸缩臂为例，伸缩臂在其工作情况下的最危险工况应综合考虑伸缩臂的工作长度、伸缩臂与水平面的夹角及此时末端载荷值。因此，首先必须根据绅缩臂的应用场合确定其最危险的工作情况。其受力情况如图1所示。

图1中，Q为伸缩臂末端承重，S为起升绳拉力。伸缩臂所受的载荷包括末端承重，自重及由于伸缩臂起伸运行、启动或制动引起的载荷。根据伸缩缩臂载荷情况，载荷分为变幅平面内载荷和回转平面载荷。

变幅平面载荷：载荷Q先根据末端承重、起升载荷动载系数确定，在设计基本结构后再根据材料密度叠加自重并考虑伸缩臂接合处加强板重量加以修正。起升绳拉力根据滑轮组的倍数m，滑轮组的机械效率η确定。β由伸缩臂长度及起升绳与伸缩臂铰接点的距离确定。

图1 伸缩臂受力图

变幅平面末端受力简图如图2所示。

图2 变幅平面末端受力简图

因此，伸缩臂所受的弯矩Mb=［Q·cos（α）-S·Sin（β）］·L

式中：Q为末端载荷；S为起升绳拉力；L为绅缩臂长度。

伸缩臂所受的压力：Fb=Q·Sin（α）-S·cos（β）

回转平面受力载荷：

回转平面的载荷根据参考文献［1］有：

Ty=Th+Tb=（Q+G0）tanu+0.4（Pw+Ph）

式中：Th为偏摆载荷；Tb为转化到到臂端的伸缩臂风载荷和惯性载荷；Q为臂端垂直载荷；u为货物偏摆角；Pw为风载；Ph为回转时伸缩臂惯性力。

其中u，Pw，Ph根据回转时的加速度可以求得。由参考文献［2］，取回转加速度0.01rad/s2，风载150Pa，Ph=0.05Q。

3 优化设计的基本思路

（1）根据应用场合，确定伸缩臂最大总长度L，最长臂的长度L’，最多可能的分段数n，起升绳与伸缩臂铰点距离m，最危险工况下伸缩臂与水平的夹角α及此时的最大载荷Q。

（2）选择材料，确定弯曲许用应力，材料弹性模量等基本参数。

（3）根据变幅平面与回转平面载荷比及参考文献，伸缩缩臂截面的宽高比取0.7。

（4）以伸缩臂变幅平面所受弯矩Mb、回转平面的载荷Ty作用下的弯曲强度为设计准则，以伸缩臂所受轴向压力Fb下的稳定性为校验，用计算机程序以循环的方式搜索不同分段数、每段长度（不大于最长臂的长度），箱形截面的侧板高度变化的情况下的各段载面壁厚，再根据材料密度得出伸缩臂的初算总重量。

（5）根据初算的总重量重并适当考虑各段接头加强板重量，再次计算变幅平面载荷Q、回转平面载荷Ty，重新计算，根据最终的分段数，各段臂长，伸缩臂截面侧板高度、伸缩臂宽度，板厚，求伸缩臂最终总重量，以最终总重量为优化目标，得出最终伸缩臂的结构参数。

多段式末端承载伸缩缩臂结构优化设计的结果，方便了后续的运用有限元分析优化的模型的合理性，减少了运算量，使得最终优化设计的结果更准确、更合理。

［1］焦文瑞，孔庆华.汽车起重机箱形伸缩式吊臂的有限元分析［J］.工程机械，2007，（9）.

［2］曾午平，卫保良.160t铁路救援起重机伸缩式吊臂有限元分析及优化［J］.起重运输机械，2010，（1）.

［3］胡铁华，唐洪学，马成林.汽车起重机箱形伸缩吊臂最优设计［J］.长春邮电学院学报，1996，（2）.

［4］柳葆生，王金诺.汽车起重机伸缩臂滑块作用处局部应力的计算［J］.起重运输机械，1994，（5）.