CN113415741B - 臂架及其设计方法、工程机械 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种臂架及其设计方法、工程机械。臂架包括：第一臂节；第二臂节，可滑动地套装于第一臂节的内侧；和多个滑块，具有弧面，滑块与第一臂节和第二臂节中的一个固定连接，滑块相对于第一臂节和第二臂节中的另一个可滑动地设置且通过弧面的至少一部分与第一臂节和第二臂节中的另一个保持接触。臂架的设计方法包括：获取所述第一臂节和所述第二臂节的与各所述滑块的所述弧面接触的部分筒壁在预设载荷下的形变量；和根据第一臂节和第二臂节的与各滑块的弧面接触的部分筒壁在预设载荷下的形变量，确定各滑块的弧面的弧高δ。本公开利于提升臂架在滑块与臂节的接触区域的承载能力。

Description

臂架及其设计方法、工程机械
技术领域
本公开涉及工程机械领域，特别涉及一种臂架及其设计方法和工程机械。
背景技术
箱形伸缩式臂架是高空作业车、起重机等工程机械的关键部件，通过臂节的伸缩、变幅实现工作平台位置的调整和货物的吊运等功能。滑块位于箱形伸缩式臂架的不同臂节之间，一端固定在一个臂节的外表面或内表面，另一端与另一个臂节的内表面或外表面接触，实现不同臂节之间相互支撑、导向等功能。随着箱形伸缩式臂架的工程机械向轻量化、大型化方向发展，臂架强度应具有较高的安全系数。而臂架上最大应力往往出现在滑块与臂节的接触区域，容易出现压溃导致臂架失稳。
发明内容
本公开的目的在于提供一种臂架及其设计方法以及一种工程机械，以提升臂架在滑块与臂节的接触区域的承载能力。
本公开的第一方面提供一种臂架，包括：
第一臂节；
第二臂节，可滑动地套装于所述第一臂节的内侧；和
多个滑块，具有弧面，所述滑块与所述第一臂节和所述第二臂节中的一个固定连接，每个所述滑块相对于所述第一臂节和所述第二臂节中的另一个可滑动地设置且通过所述弧面的至少一部分与所述第一臂节和所述第二臂节中的另一个保持接触。
根据本公开的一些实施例，
所述第一臂节呈多边形筒状结构，至少一个所述滑块与所述第二臂节固定连接且通过所述弧面的至少一部分与所述第一臂节的一个内侧面保持接触；和/或
所述第二臂节呈多边形筒状结构，至少一个所述滑块与所述第一臂节固定连接且通过所述弧面的至少一部分与所述第二臂节的一个外侧面保持接触。
根据本公开的一些实施例，
与所述第一臂节接触的所述滑块的所述弧面的弧高小于或等于所述第一臂节的与所述弧面接触的内侧面在预设载荷下的形变量的最大值；和/或
与所述第二臂节接触的所述滑块的所述弧面的弧高小于或等于所述第二臂节的与所述弧面接触的外侧面在预设载荷下的形变量的最大值。
根据本公开的一些实施例，所述预设载荷为所述臂架的额定载荷。
根据本公开的一些实施例，
至少一个与所述第一臂节接触的所述弧面关于与所述弧面接触的第一臂节的内侧面的中分面对称；和/或
至少一个与所述第二臂节接触的所述弧面关于与所述弧面接触的第二臂节的外侧面的中分面对称。
根据本公开的一些实施例，所述滑块还具有第一侧面和与所述第一侧面相对设置的第二侧面，所述第一侧面与所述第二侧面沿所述臂架的长度方向间隔设置，所述弧面与所述第一侧面通过第一倒角连接，和/或，所述弧面与所述第二侧面通过第二倒角连接。
本公开的第二方面提供一种工程机械，包括本公开第一方面所述的臂架。
本公开的第三方面提供一种本公开第一方面所述的臂架的设计方法，包括：
获取所述第一臂节和所述第二臂节的与各所述滑块的所述弧面接触的部分筒壁在预设载荷下的形变量；和
根据所述第一臂节和所述第二臂节的与各所述滑块的所述弧面接触的部分筒壁在所述预设载荷下的形变量，确定各所述滑块的所述弧面的弧高δ。
根据本公开的一些实施例，
获取所述第一臂节和所述第二臂节的与各所述滑块的所述弧面接触的部分筒壁在所述预设载荷下的形变量包括：通过对所述臂架进行有限元分析获取所述第一臂节和所述第二臂节的与各所述滑块的所述弧面接触的部分筒壁在所述预设载荷下的形变量。
根据本公开的一些实施例，
所述第一臂节呈多边形筒状结构且轴向截面为多边形的环状截面，和/或，所述第二臂节呈多边形筒状结构且轴向截面为多边形的环状截面；
获取所述第一臂节和所述第二臂节的与各所述滑块的所述弧面接触的部分筒壁在预设载荷下的形变量包括：将所述第一臂节和/或所述第二臂节的与轴向截面的每一边对应的臂节的部分筒壁视作简支梁，通过理论计算获取所述第一臂节和所述第二臂节的与各所述滑块的所述弧面接触的部分筒壁在所述预设载荷下的形变量。
根据本公开的一些实施例，所述预设载荷为所述臂架的额定载荷。
根据本公开的一些实施例，每个所述滑块的所述弧高δ满足如下关系：0＜δ≤δ1，其中δ1表示所述第一臂节或所述第二臂节的与所述滑块的所述弧面接触的部分筒壁在所述预设载荷下的形变量的最大值。
本公开实施例提供的臂架包括具有弧面的多个滑块，每个滑块通过弧面与第一臂节或第二臂节接触。在第一臂节或第二臂节受载产生弯曲变形后，在滑块与第一臂节或第二臂节接触的区域，弧面的形状与臂节的形状相似，滑块与臂节的实际接触面积较大，可以减少滑块与臂节的接触区域的应力集中，利于提升臂架在滑块与臂节的接触区域的承载能力，降低臂节局部压溃的风险。并且，根据本公开实施例提供的臂架的设计方法，对于与臂节上不同的部位的不同的滑块，可通过臂节上相应部位的受载情况确定与该部位接触的滑块的弧面的弧高，利于使滑块和臂节接触的各个部位均获得更大的接触面积。
通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本公开的进一步理解，构成本申请的一部分，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。在附图中：
图1示出了相关技术中，臂架处于非受载状态时，滑块与臂节的接触状态。
图2示出了相关技术中，臂架处于受载状态时，滑块与臂节的接触状态。
图3示出了本公开一些实施例的臂架的结构，其中第一臂节和第二臂节未装配成型。
图4示出了本公开一些实施例的臂架的剖面结构。
图5示出了本公开一些实施例的滑块的立体结构。
图6示出了本公开一些实施例的滑块的主视结构。
图7示出了本公开一些实施例中，臂架处于受载状态时，滑块与臂节的接触状态。
图8示出了通过有限元分析得到的第一臂节与滑块的接触区域的应力分布云图，其中，图8(a)表示本公开一些实施例的臂架的第一臂节与滑块的接触区域的应力分布云图，图8(b)表示相关技术的臂架的第一臂节与滑块的接触区域的应力分布云图。
具体实施方式
下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，这些技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本公开的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本公开保护范围的限制。
在本公开的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
本公开实施例提供一种臂架和臂架的设计方法，以及一种工程机械。
本公开实施例提供的工程机械包括本公开的实施例提供的臂架。该工程机械可以是起重机、高空作业车等。本公开施例提供的工程机械具有本公开实施例提供的臂架所具有的优点。
本公开实施例的臂架以及该臂架的设计方法将在以下内容中描述。
在实现本公开的过程中，发明人发现，相关技术中，臂架的两个臂节2’、3’存在强刚度区A和弱刚度区B。当臂架处于非受载状态时，滑块1’和与滑块1’可滑动地设置的第一臂节2’可以基本保持贴合，如图1所示。当臂架处于受载状态时，第一臂节2’产生弯曲变形，随着臂架所受的载荷逐渐增大，臂节1’受载区域的挠度逐渐增加，受滑块1’和第一臂节2’的强刚度区A的约束，第一臂节2’上原本与滑块1’接触的区域呈现中间高两端低的弧形，如图2所示。上述现象导致臂节与滑块的实际接触面积减小，臂节产生应力集中甚至压溃的风险增加，从而导致臂架的承载能力降低。
为改善臂架受载时滑块与臂节的接触区域的受力情况，如图3和图4所示，本公开的实施例提供的臂架包括第一臂节2、第二臂节3和多个滑块1。第二臂节3可滑动地套装于第一臂节2的内侧。滑块1具有弧面11。滑块1与第一臂节2和第二臂节3中的一个固定连接，滑块1相对于第一臂节2和第二臂节3中的另一个可滑动地设置且通过弧面11的至少一部分与第一臂节2和第二臂节3中的另一个保持接触。
本公开实施例提供的臂架包括具有弧面的多个滑块，每个滑块通过弧面与第一臂节或第二臂节接触。在第一臂节或第二臂节受载产生弯曲变形后，在滑块与第一臂节或第二臂节接触的区域，弧面的形状可以与臂节的形状相适应，滑块与臂节的实际接触面积较大，可以减少滑块与臂节的接触区域的应力集中，利于提升臂架在滑块与臂节的接触区域的承载能力，降低臂节局部压溃的风险。
在一些实施例的臂架中，如图3和图4所示，第一臂节2呈多边形筒状结构。至少一个滑块1与第二臂节3固定连接且通过弧面11的至少一部分与第一臂节2的一个内侧面保持接触。该设置可以改善滑块1与第一臂节2的接触区域的受力情况。
在一些实施例的臂架中，如图3和图4所示，第二臂节3呈多边形筒状结构。至少一个滑块1与第一臂节2固定连接且通过弧面11的至少一部分与第二臂节3的一个外侧面保持接触。该设置可以改善滑块1与第二臂节3的接触区域的受力情况。
图5和图6示出了本公开一些实施例的滑块的结构。滑块1具有与第一臂体2和第二臂体3中的一个固定连接的平面12和与平面12相对设置且与第一臂体2和第二臂体3中的另一个接触的弧面11，弧面11被配置为使滑块1的厚度由滑块1的两侧向中间逐渐增大。弧面11的弧高为δ。
在一些实施例的臂架中，对于滑块1的弧面11与第一臂节2接触的情形，与第一臂节2接触的滑块1的弧面11的弧高小于或等于第一臂节2的与弧面11接触的内侧面在预设载荷下的形变量的最大值。
在一些实施例的臂架中，对于滑块1的弧面11与第一臂节2接触的情形，与第二臂节2接触的滑块1的弧面11的弧高小于或等于第二臂节3的与弧面11接触的外侧面在预设载荷下的形变量的最大值。
上述实施例中，为了在臂架所受的载荷较大的情况下使滑块与臂节之间的接触面积尽可能大，预设载荷可以是臂架的额定载荷。
在一些实施例的臂架中，对于滑块1的弧面11与第一臂节2接触的情形，至少一个与第一臂节2接触的弧面11关于与弧面11接触的第一臂节2的内侧面的中分面对称。
根据上述设置，当臂架处于受载状态时，弧面的弧顶位置可与第一臂节的内侧面上形变量最大的位置接触，利于进一步增大臂架受载时弧面11与第一臂节2的实际接触面积，减小滑块1与第一臂节2的接触区域的应力集中。
在一些实施例的臂架中，对于滑块1的弧面11与第二臂节3接触的情形，至少一个与第二臂节3接触的弧面11关于与弧面11接触的第二臂节3的外侧面的中分面对称。
根据上述设置，当臂架处于受载状态时，弧面的弧顶位置可与第二臂节的外侧面上形变量最大的位置接触，利于进一步增大臂架受载时弧面与第二臂节的实际接触面积，减小滑块1与第二臂节3的接触区域的应力集中。
在一些实施例的臂架中，如图5和图6所示，滑块1还具有第一侧面13和与第一侧面相对设置的第二侧面，第一侧面13与第二侧面14沿臂架的长度方向间隔设置，弧面11与第一侧面13通过第一倒角101连接，和/或，弧面11与第二侧面通过第二倒角连接。第一倒角和第二倒角可以是圆弧形倒角或其他弧形倒角。设置第一倒角和第二倒角可以改善因滑块与臂节之间接触间隙较小导致的第一臂节和第二臂节之间产生装配干涉的问题。
本公开的一些实施例还提供一种前述臂架的设计方法。该方法包括：步骤1，获取第一臂节2和第二臂节3的与各滑块1的弧面11接触的部分筒壁在预设载荷下的形变量；和步骤2，根据第一臂节2和第二臂节3的与各滑块1的弧面11接触的部分筒壁在预设载荷下的形变量，确定各滑块1的弧面11的弧高δ。
根据本公开实施例提供的臂架的设计方法，对于与臂节上不同的部位的不同的滑块，可通过臂节上相应部位的受载情况确定与该部位接触的滑块的弧面的弧高，利于使滑块和臂节接触的各个部位均获得更大的接触面积。
步骤1中，可以通过有限元分析或理论计算的方式获取第一臂节2和第二臂节3的与各滑块1的弧面11接触的部分筒壁在预设载荷下的形变量。
在一些实施例的设计方法中，步骤1包括：通过对臂架进行有限元分析获取第一臂节2和第二臂节3的与各滑块1的弧面11接触的部分筒壁在预设载荷下的形变量。
在一些实施例的设计方法中，如图3和图4所示，第一臂节2呈多边形筒状结构且轴向截面为多边形的环状截面，和/或，第二臂节3呈多边形筒状结构且轴向截面为多边形的环状截面。如图7所示，第一臂节2和第二臂节3的强刚度区A分别位于多边形环状截面的每一边的两端，弱刚度区B分别位于多边形环状截面的每一边的中间位置，弱刚度区B的至少一部分在臂架受载时与滑块1接触。以图7中第一臂节的轴向截面的其中一边对应的臂节的部分筒壁为例，臂架处于受载状态时，滑块1对第一臂节2产生支撑力，第一臂节2在强刚度区A的变形程度较小，在弱刚度区B的变形程度较小。根据第一臂节2的刚度分布情况，该部分筒壁可视作简支梁。同理，第一臂节的轴向截面的其他边对应的臂节的部分筒壁可视作简支梁，第二臂节的轴向截面的每一边对应的臂节的部分筒壁也可视作简支梁。
上述实施例的设计方法中，步骤1包括：将第一臂节2和/或第二臂节3的与轴向截面的每一边对应的臂节的部分筒壁视作简支梁，通过理论计算获取第一臂节2和第二臂节3的与各滑块1的弧面11接触的部分筒壁在预设载荷下的形变量。
仍以图7中第一臂节的轴向截面的其中一边对应的臂节的部分筒壁为例，若预设载荷在弧面与第一臂节的接触区域可以等效为方向垂直于该部分筒壁且作用点位于该部分筒壁的中分面的集中力F，根据材料力学理论可以计算出第一臂节2的与各滑块1的弧面11接触的部分筒壁在预设载荷下的形变量。同理，根据材料力学理论可以计算出第二臂节3的与各滑块1的弧面11接触的部分筒壁在预设载荷下的形变量。
例如，第一臂节2的与各滑块1的弧面11接触的部分筒壁在预设载荷下的形变量的最大值δ1可表示为：
Figure BDA0003140485610000091
其中，l表示简支梁的长度；E表示简支梁的材料的弹性模量；I表示简支梁的截面的惯性矩。
上述实施例的设计方法中，为了在臂架所受的载荷较大的情况下使滑块与臂节之间的接触面积尽可能大，预设载荷可以是臂架的额定载荷。
在一些实施例的设计方法中，在步骤2中，每个滑块1的弧高δ满足如下关系：0＜δ≤δ1，其中δ1表示第一臂节2或第二臂节3的与滑块1的弧面11接触的部分筒壁在预设载荷下的形变量的最大值。
图8示出了通过有限元分析得到的第一臂节与滑块的接触区域的应力分布云图，其中，图8(a)表示本公开一些实施例的臂架的第一臂节与滑块的接触区域的应力分布云图，图8(b)表示相关技术的臂架的第一臂节与滑块的接触区域的应力分布云图。根据有限元分析的结果可以看出，本公开实施例的臂架的第一臂节和滑块的接触区域的应力集中的程度更小。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本公开的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本公开进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本公开的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换，其均应涵盖在本公开请求保护的技术方案范围当中。

Claims (10)

1.一种臂架，其特征在于，包括：
第一臂节(2)；
第二臂节(3)，可滑动地套装于所述第一臂节(2)的内侧；和
多个滑块(1)，具有弧面(11)，所述滑块(1)与所述第一臂节(2)和所述第二臂节(3)中的一个固定连接，所述滑块(1)相对于所述第一臂节(2)和所述第二臂节(3)中的另一个可滑动地设置且通过所述弧面(11)的至少一部分与所述第一臂节(2)和所述第二臂节(3)中的另一个保持接触，其中，
所述第一臂节(2)呈多边形筒状结构，至少一个所述滑块(1)与所述第二臂节(3)固定连接且通过所述弧面(11)的至少一部分与所述第一臂节(2)的一个内侧面保持接触，和/或，所述第二臂节(3)呈多边形筒状结构，至少一个所述滑块(1)与所述第一臂节(2)固定连接且通过所述弧面(11)的至少一部分与所述第二臂节(3)的一个外侧面保持接触；
在所述第一臂节(2)或所述第二臂节(3)受载产生弯曲变形后，在所述滑块(1)与所述第一臂节(2)或所述第二臂节(3)接触的区域，所述弧面(11)的形状可以与所述第一臂节(2)或所述第二臂节(3)的形状相适应；
与所述第一臂节(2)接触的所述滑块(1)的所述弧面(11)的弧高小于或等于所述第一臂节(2)的与所述弧面(11)接触的内侧面在预设载荷下的形变量的最大值，和/或，与所述第二臂节(3) 接触的所述滑块(1)的所述弧面(11)的弧高小于或等于所述第二臂节(3)的与所述弧面(11)接触的外侧面在预设载荷下的形变量的最大值。
2.根据权利要求1所述的臂架，其特征在于，所述预设载荷为所述臂架的额定载荷。
3.根据权利要求1所述的臂架，其特征在于，
至少一个与所述第一臂节(2)接触的所述弧面(11)关于与所述弧面(11)接触的第一臂节(2)的内侧面的中分面对称；和/或
至少一个与所述第二臂节(3)接触的所述弧面(11)关于与所述弧面(11)接触的第二臂节(3)的外侧面的中分面对称。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的臂架，其特征在于，所述滑块(1)还具有第一侧面(13)和与所述第一侧面相对设置的第二侧面，所述第一侧面(13)与所述第二侧面沿所述臂架的长度方向间隔设置，所述弧面(11)与所述第一侧面(13)通过第一倒角(101)连接，和/或，所述弧面(11)与所述第二侧面通过第二倒角连接。
5.一种工程机械，其特征在于，包括根据权利要求1至4中任一项所述的臂架。
6.一种根据权利要求1至4中任一项所述的臂架的设计方法，其特征在于，包括：
获取所述第一臂节(2)和所述第二臂节(3)的与各所述滑块(1)的所述弧面(11)接触的部分筒壁在预设载荷下的形变量；和
根据所述第一臂节(2)和所述第二臂节(3)的与各所述滑块(1)的所述弧面(11)接触的部分筒壁在所述预设载荷下的形变量，确定各所述滑块(1)的所述弧面(11)的弧高δ。
7.根据权利要求6所述的臂架的设计方法，其特征在于，
获取所述第一臂节(2)和所述第二臂节(3)的与各所述滑块(1)的所述弧面(11)接触的部分筒壁在所述预设载荷下的形变量包括：通过对所述臂架进行有限元分析获取所述第一臂节(2)和所述第二臂节(3)的与各所述滑块(1)的所述弧面(11)接触的部分筒壁在所述预设载荷下的形变量。
8.根据权利要求6所述的臂架的设计方法，其特征在于，
所述第一臂节(2)呈多边形筒状结构且轴向截面为多边形的环状截面，和/或，所述第二臂节(3)呈多边形筒状结构且轴向截面为多边形的环状截面；
获取所述第一臂节(2)和所述第二臂节(3)的与各所述滑块(1)的所述弧面(11)接触的部分筒壁在预设载荷下的形变量包括：将所述第一臂节(2)和/或所述第二臂节(3)的与轴向截面的每一边对应的臂节的部分筒壁视作简支梁，通过理论计算获取所述第一臂节(2)和所述第二臂节(3)的与各所述滑块(1)的所述弧面(11)接触的部分筒壁在所述预设载荷下的形变量。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的臂架的设计方法，其特征在于，所述预设载荷为所述臂架的额定载荷。
10.根据权利要求6至8中任一项所述的臂架的设计方法，其特征在于，每个所述滑块(1)的所述弧高δ满足如下关系：0＜δ≤δ1，其中δ1表示所述第一臂节(2)或所述第二臂节(3)的与所述滑块(1)的所述弧面(11)接触的部分筒壁在所述预设载荷下的形变量的最大值。
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Application publication date: 20210921

Assignee: Xuzhou Heavy Machinery Co.,Ltd.

Assignor: Jiangsu Xugong Construction Machinery Research Institute Co.,Ltd.

Contract record no.: X2023320000223

Denomination of invention: Arm frame and its design method, construction machinery

Granted publication date: 20230117

License type: Common License

Record date: 20231030