塔式起重機(jī)承座環(huán)梁的結(jié)構(gòu)分析

姚俊威，張 騫，趙小偉，石小飛，曾 光

(華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450046)

0 引言

塔式起重機(jī)可實(shí)現(xiàn)起升、變幅、回轉(zhuǎn)等動(dòng)作?；剞D(zhuǎn)動(dòng)作借助回轉(zhuǎn)軸承實(shí)現(xiàn)，回轉(zhuǎn)軸承上端連接機(jī)臺(tái)，下端連接承座[1]。承座環(huán)梁部分的計(jì)算很難通過手算來完成，本文借助于三維軟件Creo建立模型，導(dǎo)入ANSYS/Workbench進(jìn)行分析，能很好地解決承座環(huán)梁的結(jié)構(gòu)計(jì)算問題[2]。

1 承座環(huán)梁的工作原理

承座環(huán)梁上端通過回轉(zhuǎn)軸承與機(jī)臺(tái)連接，下端通過4個(gè)支腿與塔身連接。塔機(jī)在回轉(zhuǎn)工況時(shí)，承座及其以下部件不動(dòng)，通過回轉(zhuǎn)軸承轉(zhuǎn)動(dòng)來帶動(dòng)上部的機(jī)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)臺(tái)上部的其他部件隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，從而完成回轉(zhuǎn)動(dòng)作。承座環(huán)梁的主、俯視圖如圖1所示。

圖1 承座環(huán)梁主、俯視圖

2 載荷分析

承座主要承受上部傳來的重力、不平衡力矩及塔機(jī)作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的扭矩。重力是上部結(jié)構(gòu)自身及吊重的重量；不平衡力矩主要是起重臂和平衡臂對(duì)下部產(chǎn)生的力矩不同所致；扭矩主要源自于塔機(jī)的回轉(zhuǎn)作業(yè)。承座環(huán)梁受力如圖2所示。圖2中，N為向上拉力，M為彎矩，F(xiàn)x為向下壓力，T為扭矩。

3 有限元分析

3.1 建立模型

借助于三維軟件Creo按照1∶1尺寸建立承座環(huán)梁模型，如圖3所示。

3.2 劃分網(wǎng)格

由于Creo和軟件ANSYS/Workbench可實(shí)現(xiàn)無縫連接，因此本文將承座環(huán)梁的三維模型導(dǎo)入ANSYS/Workbench中劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖2 承座環(huán)梁受力示意圖

圖3承座環(huán)梁三維模型圖4承座環(huán)梁劃分網(wǎng)格

3.3 施加約束

此處對(duì)承座環(huán)梁上部鋼板施加約束，約束全部六個(gè)自由度，如圖5所示。

現(xiàn)以某塔機(jī)為例，承座環(huán)梁以上部分重量為560 000 kg，彎矩28 500 000 Nm，扭矩1 650 000 Nm，材料選Q345。對(duì)模型施加載荷，將彎矩和扭矩轉(zhuǎn)化成等效力偶，轉(zhuǎn)化得到的載荷施加于承座環(huán)梁的各個(gè)耳孔上。承座環(huán)梁施加載荷如圖6所示。

4 結(jié)果分析

計(jì)算得到承座環(huán)梁的應(yīng)力視圖、總體應(yīng)力視圖及危險(xiǎn)部位局部應(yīng)力視圖如圖7～圖10所示。

從圖7中可以看出，最大應(yīng)力出現(xiàn)在環(huán)梁上端的筋板與上部鋼板連接處，該點(diǎn)局部最大應(yīng)力為317.16 MPa，超過Q345許用應(yīng)力257 MPa，未超過屈服極限345 MPa。通過圖8可以看出此點(diǎn)應(yīng)力很大，附近區(qū)域的應(yīng)力急劇減小，此為應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖5承座環(huán)梁施加約束圖6施加載荷

圖7 承座環(huán)梁整體等效應(yīng)力圖

圖8 等效應(yīng)力最大處的局部應(yīng)力分布

從圖9可以看出，該區(qū)域最大應(yīng)力為228.66 MPa，小于Q345的許用應(yīng)力257 MPa；從圖10可以看出，此區(qū)域最大應(yīng)力為263.52 MPa，大于Q345的許用應(yīng)力257 MPa，未超過屈服極限345 MPa，該區(qū)域局部最大應(yīng)力點(diǎn)附近區(qū)域應(yīng)力也急劇減小，說明此處也出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。

該型塔式起重機(jī)已投入使用4年，運(yùn)行情況良好，承座所有部分的應(yīng)力均在合理范圍內(nèi)，說明極小區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力集中情況并未對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不良影響。

圖9 耳板上端附近區(qū)域的局部應(yīng)力分布

圖10 耳板下端附近區(qū)域的應(yīng)力分布

5 結(jié)論

(1) 分析了塔式起重機(jī)承座環(huán)梁的工作原理及載荷。

(2) 根據(jù)塔式起重機(jī)承座環(huán)梁的工作特點(diǎn)和受力特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出受力合理、外形美觀的承座環(huán)梁。

(3) 結(jié)合塔式起重機(jī)承座環(huán)梁的受力特點(diǎn)，運(yùn)用Creo建立模型，借助于有限元分析軟件ANSYS/Workbench進(jìn)行計(jì)算，為承座環(huán)梁的結(jié)構(gòu)分析提供了一種方法。