交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)用塔式起重機(jī)銷軸聯(lián)接接頭結(jié)構(gòu)有限元分析

李紅昌

（西安特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測院 陜西 西安 710065）

引言

交通基礎(chǔ)設(shè)施包括一般公路交通設(shè)施、高速公路交通設(shè)施，市政道路交通設(shè)施，軌道交通設(shè)施、停車場設(shè)施等。塔式起重機(jī)因操作簡便，工作效率高，廣泛應(yīng)用于交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中。起重臂是塔式起重機(jī)的重要組成部分，也是其主要的受力部件之一。作為塔式起重機(jī)起重臂的重要組成部分，銷軸連接接頭的設(shè)計(jì)對于起重臂的工裝、制作工藝、材料成本、工時(shí)損耗、安全性和起重性能等都有不同程度的影響。因此，對銷軸連接接頭的設(shè)計(jì)進(jìn)行探討很有必要[1]。傳統(tǒng)的銷軸連接結(jié)構(gòu)主要有耳板開槽和鋼管開槽，但這2種結(jié)構(gòu)各有利弊。胡婷等人[2]設(shè)計(jì)了一種新型連接接頭，即耳板和鋼管同時(shí)開槽，然后通過焊接聯(lián)接。分析指出，該新型結(jié)構(gòu)優(yōu)于傳統(tǒng)的2種結(jié)構(gòu)，但開槽截面所在的位置與該新型結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的關(guān)系并沒有說明。本文針對該新型結(jié)構(gòu)，通過有限元分析，找出開槽截面的位置對該新型結(jié)構(gòu)受力的影響，從而對該新型結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

1 銷軸連接接頭受力分析

圖1為某型號塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行受力分析之前，需先給定一些假設(shè)條件：

1）忽略風(fēng)載、偏載、溫度等對塔機(jī)的影響；

2）組成起重臂的各段結(jié)構(gòu)相同，且每段連接處的銷軸結(jié)構(gòu)相同；

3）當(dāng)塔機(jī)達(dá)到最大起重量時(shí)，離塔基最近段銷軸結(jié)構(gòu)所受拉力最大，假設(shè)銷軸處的受力為一水平的集中力F[3-4]。

圖1 塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)圖

為了方便地計(jì)算起重臂上銷軸連接接頭受到的最大拉力，對起重臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，簡化后的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 起重臂結(jié)構(gòu)簡化圖

設(shè)起重機(jī)起重臂的自重為G，N；重心位置距O點(diǎn)的距離為Lg，m；最大起重量為H，N；最大起重時(shí)吊鉤位置距O點(diǎn)的距離為Lh，m；銷軸處受到的力為F，N；起重臂高度為Lf，m。在塔機(jī)的中性平面內(nèi)，將受力情況進(jìn)行簡化，以求取塔機(jī)銷軸連接接頭的受力大小?？筛鶕?jù)桁架和回轉(zhuǎn)平臺連接處O點(diǎn)的力矩平衡方程進(jìn)行求解：

將起重機(jī)的參數(shù)代入力矩方程式（1），可計(jì)算出銷軸聯(lián)接接頭處所受的最大拉力[5]。

2 有限元模型

2.1 結(jié)構(gòu)分析

圖1所示的塔式起重機(jī)的銷軸連接頭結(jié)構(gòu)如圖3所示。該結(jié)構(gòu)是在耳板處開一個(gè)矩形槽，矩形槽長度至A-A截面處。同時(shí)，鋼管與耳板連接的一端也開槽至A-A截面。A-A截面是耳板矩形槽的底面與鋼管矩形槽底面相接觸的位置，通過焊接將兩者聯(lián)接成一體。選擇A-A截面作為研究對象，是因?yàn)閷τ诼?lián)接接頭這一整體，A-A截面所處位置是應(yīng)力集中最大的位置，也是該結(jié)構(gòu)中最薄弱的位置，A-A截面的可靠性代表了塔機(jī)聯(lián)接接頭的可靠性，只要保證了A-A截面這一最危險(xiǎn)位置的可靠性，也就保證了該結(jié)構(gòu)其他位置的可靠性。

圖3 銷軸接頭結(jié)構(gòu)

本文主要研究A-A截面的相對位置對構(gòu)件受力的影響，故將A-A截面距耳板末端的距離分別設(shè)為 40、120、200、280、360mm，具體尺寸如圖 4 所示。

圖4 A-A截面相對位置示意圖

為了便于區(qū)分，將A-A截面不同相對位置的結(jié)構(gòu)依次命名為A、B、C、D、E結(jié)構(gòu)。這5種結(jié)構(gòu)除A-A截面的相對位置不同外，其余結(jié)構(gòu)尺寸相同。

2.2 有限元模型建立

塔式起重機(jī)起重臂銷軸連接接頭的材料為Q690高強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)鋼，該材料的力學(xué)性能見表1。

鋼管與耳板處為焊接結(jié)構(gòu)，在實(shí)際建模中，焊縫處均按連續(xù)處理，其材料特性與母材一致。同時(shí)，為了減少有限元計(jì)算量，在不影響計(jì)算結(jié)果的情況下，對模型進(jìn)行必要的簡化，如去掉倒角、相切形成的小角等。焊縫處通過填補(bǔ)材料的方法進(jìn)行模擬。為了便于后續(xù)網(wǎng)格的劃分，在建模過程中，將耳板和鋼管進(jìn)行必要的切分，然后通過glue的方法進(jìn)行粘貼。耳板和鋼管均采用solid186單元模擬。為了便于后面讀取特定點(diǎn)的應(yīng)力，網(wǎng)格劃分采取sweep劃分法，尺寸控制在10mm。在一些可能出現(xiàn)較大應(yīng)力的位置，對網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化處理[6]。其中C結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖5所示。

在求解時(shí)，為保證計(jì)算結(jié)果的可靠性，載荷F以集中力的形式加載在銷孔的同一位置，其值為7680 kN，并對鋼管底端進(jìn)行全約束后再求解。

圖6 C結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖7 鋼管應(yīng)力云圖

圖8 耳板應(yīng)力云圖

圖9 耳板取點(diǎn)示意圖

3 結(jié)果分析

圖6為C結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖、圖7為鋼管應(yīng)力云圖、圖8為耳板應(yīng)力云圖。從圖6、圖7、圖8可以觀察到，忽略應(yīng)力集中的影響，在鋼管與耳板焊接處應(yīng)力較大。

為了研究A-A截面對耳板和鋼管焊接結(jié)構(gòu)的影響，在有限元模型中選取A-A截面所在處的3、4、5、6、7等5個(gè)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)選取鋼管與耳板焊接前端的2個(gè)節(jié)點(diǎn)1、2，如圖9所示。為了減小應(yīng)力集中對結(jié)果的影響，這7個(gè)點(diǎn)都是距焊縫位置10mm內(nèi)的點(diǎn)。

同時(shí)，為了研究A-A截面對鋼管的影響，在鋼管A-A截面處避開應(yīng)力集中的位置選取8號點(diǎn)，如圖10所示。

在有限元模型中，分別對 A、B、C、D、E 等 5種結(jié)構(gòu)相同位置讀取耳板上7個(gè)節(jié)點(diǎn)和鋼管A-A截面上1個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力，結(jié)果如圖11~圖13所示。

1）對耳板進(jìn)行分析。從圖 11 可以看出，1、5、7 等3點(diǎn)處的應(yīng)力隨著耳板A-A截面相對位置的增大呈增加的趨勢；從圖12可以看出，在A-A截面的相對位置大于200mm時(shí)，2、3、4、6等4點(diǎn)處的應(yīng)力呈明顯增加的趨勢；在A-A截面的相對位置小于200mm時(shí)，這4點(diǎn)處的應(yīng)力呈先下降后增加的趨勢。因此，當(dāng)A-A截面的相對位置在40~200mm之間時(shí)，這種結(jié)構(gòu)形式的耳板既可減輕起重臂的質(zhì)量，又可減小制造成本，同時(shí)還可補(bǔ)償鋼管最危險(xiǎn)截面的缺陷，充分發(fā)揮鋼管的承載能力，提高整機(jī)性能。

2）對鋼管大應(yīng)力點(diǎn)進(jìn)行分析。8號點(diǎn)的應(yīng)力結(jié)果如圖13所示，從圖13可以看出，隨著A-A截面相對位置的增大，鋼管上8號點(diǎn)處的應(yīng)力呈先減小后增大的趨勢，且在A-A截面的相對位置為120~200mm范圍內(nèi)達(dá)到最小值。

綜上所述，當(dāng)A-A截面的相對位置為120~200mm時(shí)，各點(diǎn)的應(yīng)力都相對較小，結(jié)構(gòu)受力比較均勻，銷軸聯(lián)接接頭結(jié)構(gòu)更加合理。

圖10 鋼管取點(diǎn)示意圖

圖11 1、5、7點(diǎn)處的應(yīng)力變化曲線

圖 12 2、3、4、6 點(diǎn)處的應(yīng)力變化曲線

圖13 8號點(diǎn)處的應(yīng)力變化曲線

4 結(jié)論

通過有限元分析可知：

1）在耳板相同位置處，當(dāng)A-A截面的相對位置逐漸增大時(shí)，耳板的應(yīng)力呈遞增和先減小后增加等2種趨勢。鋼管危險(xiǎn)截面處的應(yīng)力呈先減小后增加的趨勢。

2）采用耳板A-A截面的相對位置在120~200mm之間的銷軸聯(lián)接接頭的結(jié)構(gòu)，耳板與鋼管所承受的應(yīng)力都比較小，結(jié)構(gòu)受力更加合理。

3）本文所采用的銷軸聯(lián)接接頭結(jié)構(gòu)承載能力強(qiáng)、安全可靠，適用于大幅度、大起重量的塔式起重機(jī)。

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2 胡婷，李太周.平臺塔式起重機(jī)起重臂新型接頭結(jié)構(gòu)分析[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2016（11）：53-56

3 史海紅，孟慶琳，范開英.起重機(jī)械銷軸的設(shè)計(jì)計(jì)算方法探討[J].建筑機(jī)械化，2013（9）：58-61

4 劉毅.平頭塔式起重機(jī)起重臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算的研究[D].長春:吉林大學(xué)，2014

5 張質(zhì)文，王金諾，程文明，等.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊（第二版）[M].北京：中國鐵道出版社，2013

6 陳精一.ANSYS工程分析實(shí)例教程[M].北京：中國鐵道出版社，2007