多种典型因素对汽车起重机工作稳定性的影响研究_李厚旭.pdf

2 0 2 3 4第卷总第期5459第期44295-301.3 GB/T 179222014土方机械 滚翻保护结构 实验室试验和性能要求S.4 刘鸿文.材料力学M.北京：高等教育出版社，2011：137-142.5 赵健，陶元芳，刘亚倩，等.桥式起重机主梁优化设计的本质问题J.起重运输机械，2017（6）：11-15.6 孙靖民，梁迎春.机械优化设计M.北京：机械工业出版社，2006.通信地址：江苏省徐州市经济技术开发区驮蓝山路 26 号徐工研究院（221004）（收稿日期：2022-11-11）图 7优化前后驾驶室侧向载荷及吸能对比多种典型因素对汽车起重机工作稳定性的影响研究李厚旭，杨培源，刘文一中国人民解放军 91550 部队 41 分队摘要针对汽车起重机倾翻事故频发的现状，研究影响汽车起重机工作稳定性的主要因素。建立某 300 t级全路面汽车起重机最大允许起重量与主臂长度、转台回转角、起重臂仰角关系的数学模型，基于该模型对影响汽车起重机工作稳定性的多种典型因素，如工作幅度、稳定系数、场地坡度、风载荷、惯性力、离心力进行分析，并进一步研究各因素的变化情况对汽车起重机工作稳定性的影响程度。关键词：汽车起重机；最大起重量；工作稳定性作者简介：李厚旭（1988），男，黑龙江大庆人，工程师，硕士，研究方向：工程机械领域的科技与研发。近年来，随着汽车起重机在工程建设领域的广泛应用，其面临的作业环境越来越复杂，由于超载起吊、斜坡起吊、风载荷、操作不规范引起过大惯性力和离心力等原因导致的起重机失稳、倾翻事故频繁发生1-4。据统计，41试验 研究Test and Research2 0 2 3 4图 2汽车起重机受力简图20082015 年，国内 174 起流动式起重机事故中，汽车起重机的事故占有率高达 26.7%5。目前，学者们对汽车起重机工作稳定性的研究多侧重于理论分析引起失稳现象的主要原因，或仿真分析其关键部件的局部稳定性。梁淇洪、江海燕、宋光明6-8等阐述了影响汽车起重机作业稳定性的主要因素，提出了预防失稳的技术措施。纪爱敏、段晓炳、朱福根9-11等建立了汽车起重机伸缩臂、变幅液压缸、回转台的有限元模型，完成了各部件工作稳定性仿真分析工作。然而，现阶段针对导致起重机失稳的主要因素究竟从多大程度上影响了起重机整机工作稳定性的研究相对较少。本文以某 300 t 级全路面汽车起重机为研究对象，结合作业状态下机身各部分受力实际，构建了在工作区域内失稳状态下的数学模型，推导了起重机最大起重量与风载荷、场地坡度、惯性力和离心力等因素之间的关系式，并进一步研究了上述因素变化情况对起重机稳定性的影响程度。研究内容可为汽车起重机及相关工程机械稳定性分析提供参考，也可为驾驶及施工人员安全作业提供正确指导，有效预防汽车起重机倾翻这一恶性事故。1汽车起重机倾翻力矩分析汽车起重机作业时，起重载荷过大可能引起非结构破坏的整车倾翻事故。如图 1 所示，回转中心和 4 个支点的连线将车身周围划分为 4 个工作区域，为保证充足的作业空间及车辆安全，通常不建议在车辆前方作业。起重臂位于两侧方区域内作业时，倾翻线为支腿 2 和支腿 3（或支腿 1 和支腿 4）连线，如作业区域为后方区域，倾翻线为支腿 3 和支腿 4 连线。起重臂支腿全伸、起重量为 G 时的受力简图如图 2所示，其中：起重机支腿横向跨距为 2c，纵向跨距为 2b，为转台回转角度，以逆时针转动方向为正，为起重臂仰角，O 为支腿几何中心，O为转台回转中心，OO距离为 e，定义车头方向为 X 轴正向，此时=0，车身左侧方为 Y轴正向。配重重量为 Gp，距回转中心距离为 Lp，上车重心不变部分重量为 Gb，距回转中心距离为 Lb，下车重量为Gd，距离几何中心距离为 Lb，起重臂长度为 L，重量为 G1，重心位置距回转中心长度为 L1。F1、F2、F3和 F4分别为 4个支腿受支撑面的支撑反力。根据稳定性要求：kMT=Ms（1）式中：k 为起重机稳定系数；MT为起重机、起重物等产生的倾翻力矩，N m；Ms为起重机配重等产生的稳定力矩，N m。设侧方区域作业时汽车起重机最大起重量为 Gc，有：MT=Gc（Lcos sin-c）+G1（L1cos sin-c）（2）Ms=Gdc+Gp（c+Lpsin ）+Gb（c+Lbsin ）（3）联立式（2）、式（3），解得：Gc=1k（Lcos sin-c）Gdc+Gp（c+Lpsin ）+Gb（c+Lbsin ）-kG1（L1cos sin-c）（4）设后方区域作业时汽车起重机最大起重量为 Gh，有：MT=Gh（e-b-Lpcos cos ）+G1（e-b-L1cos cos ）（5）图 1汽车起重机工作区域图422 0 2 3 4第卷总第期5459第期44图 3L=25 m，k=1.6，不同工作幅度下，最大起重量随回转角度的变化情况Ms=Gp（b-e-Lpcos ）+Gb（b-e-Lbcos ）+Gb（Ld+b）（6）联立式（5）、式（6），解得：Gh=1k（e-b-Lcos cos ）Gp（b-e-Lpcos ）+Gb（b-e-Lpcos ）-Gd（Ld+b）-kG1（e-b-L1cos cos|）（7）根据上述结果可知，最大允许起重量随主臂长度 L、转台回转角、起重臂仰角、稳定系数 k 的变化而变化。2多种典型因素对汽车起重机工作稳定性的影响研究2.1臂长固定、幅度变化情况查阅该全路面汽车起重机起重性能表可知：稳定系数 k=1.6，臂长 L=25 m，求解工作幅度为 10 m、12 m、14m、16 m、18 m 时最大允许起重量 Gmax随回转角度 的变化情况，并利用极坐标图进行表示，如图 3 所示。由图 3 可知，同一臂长、不同工作幅度下最大起重量的图形具有不重叠、由外至内的包含关系，当=180时，各工作幅度下起重量出现最小值 Gh，经比较 Gh数值大小与起重性能表规定的额定起重量具有一致性，且表现为随着工作幅度增加（起重臂仰角减小）而减小。其他条件不变，将臂长分别为 29.9 m、34.9 m、39.9 m、44.9 m时，上述结论保持不变。臂长 L=25 m 时，工作幅度每增加2 m，起重能力依次降级 18.1%、36.3%、48.5%、57.3%。由此可见，同一臂长下，起吊相同重量时，工作幅度越大，起重机作业安全裕度越小，工作稳定性越低。2.2稳定系数变化情况臂长 L=25 m，工作幅度为 10 m，稳定系数 k=1.6、1.8、2.0、2.2 时，最大允许起重量 Gmax随回转角度 的变化如图 4 所示。由图 4 可知，随着稳定系数逐渐增大，最大允许起重量逐渐减小，当回转角度=180时，起重量依次为105.8 t、93.8 t、84.2 t、76.3 t。上述结果表明选取何种稳定系数来规定额定起重量，对起重能力的兑现程度具有决定作用，合理选取稳定系数是安全作业，提高起重机利用率的前提条件。2.3场地坡度变化情况起重机作业时通常支设在坚实、水平支撑面上，但受客观环境限制，个别工况下需支设在斜坡地面，因此有必要分析整车倾斜度对其工作稳定性的影响。本文选取回转角度=180作为最危险工况进行研究，起重机在坡度角为 斜坡上作业时的受力简图如图 5 所示。其中，配重、上车重心不变部分、下车距支撑面距离分别为 Hp、Hb、Hd，回转中心所在平面距支撑面距离为 H。根据稳定性要求，解得：图 4L=25 m，工作幅度 10 m，不同稳定系数时，最大起重量随回转角度变化情况43试验 研究Test and Research2 0 2 3 4图 6L=25 m，k=1.6 时，最大起重量随坡度角变化情况图 5坡度角为 时汽车起重机受力简图Gh=1k（Lcos（-）-（b-e-Htan ）cos Gp（Lp+b-e-Hptan ）cos+Gd（Ld+b-Hdtan ）cos+Gb（Ld+b-Hbtan ）cos-kG1L1cos（-）-（b-e-Htan ）cos|（8）臂长 L=25 m，水平状态下工作幅度分别为 10 m、12m、14 m、16 m、18 m，稳定系数 k=1.6 时，最大允许起重量Gmax随坡度角 的变化情况如图 6 所示。由图 6 可知，随着坡度角逐渐增大，最大允许起重量逐渐减小，工作幅度越小，起重能力下降越明显。同一坡度下，臂长一定时，工作幅度越小，起重能力越强。同水平支撑面相比，坡度角为 2、4工况下，工作幅度为 10m 时起重能力依次降低了 14.7%、26.2%，工作幅度为 16m 时，起重能力依次降低了 8.5%、16.0%。上述结果表明，斜坡作业时，坡度角不宜超过 2，如必须在斜坡开展起吊作业时，应尽可能减小工作幅度。2.4风载荷变化情况起重机在强风下作业时，当起重臂仰角过大、吊重物为钢板类迎风面较大的物体时，风载荷对起重机工作稳定的影响不可忽视，因此有必要分析风载荷对起重机工作稳定性的影响。本文选取回转角度=180、车头迎风时作为最危险工况进行研究。风载荷计算公式如下：W=CKhq0F0（9）式中：W 为风载荷；C 为风载荷体形系数；Kh为风载荷高度修正系数；F0为迎风面积；q0为风压强度值，q0=0.625 v2，v 为风速。令 W1为起重臂承受风载，W2为吊重物承受风载，起吊高度为 HL，根据稳定性要求，解得：Gh=1k（Lcos+e-b）Gp（Lp+b-e）+Gb（Lp+b-e）+Gd（Lp+b）-kG1（L1cos+e-b）-kW1（L1-（b-e）cos ）-kW2HL|（10）工作幅度为 12 m，稳定系数 k=1.6，HL=5 m，臂长 L分别为 15 m、25m、34.9 m、39.9 m、49.9 m、54.9 m 时，最大允许起重量 Gmax随风速 v 的变化情况如图 7 所示。图 7工作幅度 12 m，k=1.6 时，最大起重量随风速变化情况442 0 2 3 4第卷总第期5459第期44图 9L=25 m，工作幅度 12 m，k=1.6 时，最大起重量随回转速度变化情况图 8L=25 m、k=1.6 时，最大起重量随起吊加速度变化情况由图 7 可知：与无风状态相比，v=12 m/s 时，各工作幅度（从小到大）下起重能力分别降低 1.4%、2.7%、3.9%、4.3%、6.9%、8.3%；v=14 m/s 时，起重能力分别降低 1.9%、3.7%、5.4%、5.9%、9.4%、11.3%；v=16 m/s 时，起重能力分别降低 2.5%、4.8%、7.1%、7.7%、12.3%、14.8%。即：随着风速逐渐增大，最大允许起重量逐渐减小，臂长越长，起重能力下降越明显。由此可见，目前国内厂家普遍采用的起重机最大工作风力为 5 级的规定是有待商榷的，对最大允许风速的规定应结合臂长进行区别划分。2.5惯性力变化情况起重机作业时，突然起吊、下降或制动都会产生影响稳定性的惯性载荷。本文选取回转角度=180作为最危险工况进行研究，假设重物突然起吊时加速度为 a，根据稳定性要求，解得：Gh=1k（1+a/g）（Lcos+e-b）Gp（Lp+b-e）+Gb（Lp+b-e）+Gd（Lp+b）-kG1（L1cos+e-b）（11）臂长 L=25 m，水平状态下工作幅度分别为 10 m、12m、14 m、16 m、18 m，稳定系数 k=1.6 时，最大允许起重量Gmax随起吊加速度 a 的变化情况如图 8 所示。由图 8 可知，随着加速度逐渐增大，最大允许起重量逐渐减小。与匀速运动状态相比，加速度分别为 1 m/s2、2m/s2、3 m/s2时，各工作幅度下起重能力均分别降低 9.3%、16.9%、23.4%。由此可见，惯性力是影响起重机工作稳定性的重要因素，由于其很难实现精准控制，只能依赖于操作者的技艺熟练程度，因此必须引起足够重视。2.6离心力变化情况起重机回转时，吊重物会以回转中心为圆心做圆周运动。回转速度越快，离心力越大，重物产生的偏离位移亦越大，其效果等同于超载和歪拉斜吊的组合，影响起重机的工作稳定性。本文选取回转角度