某型起重機底架有限元分析

陳建1 鄔煥欣2 彭建軍1

1.四川長江工程起重機有限責任公司 四川瀘州 406000

2.四川大學 四川成都 610065

1 前言

汽車起重機的移動靈活性使得其在工程行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。汽車起重機主要由底架、旋轉(zhuǎn)支撐裝置、起重臂等組成。起重機工作時，底架上的載荷來自轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)支承約束反作用力。轉(zhuǎn)臺約束反作用力通過連接螺栓作用于回轉(zhuǎn)支承上架，經(jīng)回轉(zhuǎn)支承傳遞到回轉(zhuǎn)支承下架，再由回轉(zhuǎn)支承下架通過連接螺栓作用于底架。起重機底架關(guān)乎起重機的運行穩(wěn)定性，分析底架在特定工況下所受載荷，可以判定底架工作載荷是否超出材料許用應(yīng)力，避免工程事故發(fā)生[1-2]。

有限元法在求解問題上不受幾何外形的約束，求解的精度和速度可根據(jù)需要不受限制。郭建生、孫秋香等人使用有限元方法對起重機底架進行分析得到較為理想的結(jié)果[3-4]。本文使用Ansys Workbench有限元軟件對起重機的靜強度進行求解分析。

2 底架分析概況

2.1 底架結(jié)構(gòu)特點

如圖1所示，起重機底架前段安裝有駕駛室、離合器、發(fā)動機等，在起重機作業(yè)時底架前段不承受來自吊重的載荷。整個底架的中間部位為轉(zhuǎn)臺，承受回轉(zhuǎn)支承約束反力。底架的兩端為支腿結(jié)構(gòu)，支腿有固定與活動支腿兩種，固定支腿與底架結(jié)構(gòu)焊接為一體。

圖1 底架模型及附著物位置分布

2.2 底架材料參數(shù)

底架材料為HG785D，其機械性能為：抗拉強度σb=785 MPa，屈服點σs=685 MPa，許用應(yīng)力[σ]=417 MPa，安全系數(shù)為1.48。

底架材料力學參數(shù)為：彈性模量E=2.1×105N/mm2；泊松比μ=0.27；比重ρ=7.85×10-6kg/mm3；重力加速度g =9.8 m/s2。

2.3 底架載荷

底架上的載荷來自轉(zhuǎn)臺支承約束反力。轉(zhuǎn)臺約束反力通過螺栓作用于支承上架，經(jīng)回轉(zhuǎn)支承傳遞到支承下架，再由回轉(zhuǎn)支承下架通過螺栓作用于底架。求解底架載荷時，按螺栓分布位置添加載荷作用于轉(zhuǎn)臺，所得回轉(zhuǎn)支承約束反力作為底架載荷，但吊臂計算位置不同，受力最大螺栓位置相應(yīng)變化。

2.4 工況條件

筆者就實際工作中常使用到的小幅度重載(工況1)、常規(guī)使用情況（工況2）、大幅度輕載（工況3）這3種工況對起重機工作載荷進行分析，如表1所示。其他工況由于應(yīng)用較少，本文暫不討論。合力作用于轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)中心，合力矩作用于起重機起升平面內(nèi)，繞過回轉(zhuǎn)中心水平軸，旋向為使吊臂下傾方向。吊臂位于底架不同方位時，對底架作用不同。

表1 底架的計算工況和載荷

本文就上述3種工況，分別對吊臂處于6個方位的底架靜強度進行分析，6個方位分布情況如圖2所示，每個方位相隔45°，又由于底架結(jié)構(gòu)對稱，所以6個方位的選取涵蓋實際使用的吊臂位置。以汽車起重機整車前進方向為底架前方，直角坐標系以沿底架縱向指向后部為X軸正向，垂直底架平面指向上方為Y軸正向，Z軸正向按右手螺旋法則確定。

圖2 底架在ANSYS中的殼體模型及吊臂方位位置分布

3 模型建立

3.1 模型簡化

為保證結(jié)構(gòu)分析準確，對主體結(jié)構(gòu)不做簡化，結(jié)構(gòu)細節(jié)不予考慮。為了更準確地求得底架工作載荷和變形，在底架模型中增加了油缸結(jié)構(gòu)，模擬活動支腿支撐液壓缸對底架的作用及其變形。

3.2 單元選擇

底架基本構(gòu)件為典型薄殼結(jié)構(gòu)，故殼體SHELL93單元能很好地模擬其幾何和載荷特征。劃分單元后，有限元模型含58 894個殼單元，174 542個節(jié)點。

3.3 載荷與約束處理

3.3.1 等效載荷

底架載荷為作用于螺栓位置的集中力和繞過轉(zhuǎn)臺圓心的集中力矩。集中力平均分布于轉(zhuǎn)臺 7 2個安裝螺栓圓孔位置，垂直向下，即 -Y方向。集中力矩則處理為使吊臂向前傾覆的力偶，力偶的一對力作用于沿吊臂軸向方向在轉(zhuǎn)臺安裝圓心前、后端分別選出的 9個安裝螺栓圓孔處。前方力偶力向下，與集中力分量疊加；后方力偶力向上，與集中力相互抵消[5-7]。這種方式較好地等效了回轉(zhuǎn)支承下架對底架的作用，如圖3所示。

圖3 底架回轉(zhuǎn)支撐處載荷的施加

為確保仿真結(jié)果準確性，計算考慮了車橋自重載荷、發(fā)動機質(zhì)量、液壓油缸質(zhì)量以及底架自身的重力。

3.3.2 約束條件

滑動支腿與底架連接采取節(jié)點耦合的方式，模擬滑動支腿與底架可以相對滑動并傳遞垂直載荷。在4個支撐液壓缸與地面接觸節(jié)點上添加X、Y、Z方向位移約束。

4 底架靜強度分析與結(jié)果

本文對3種計算工況6個方位組合情況的底架靜強度進行分析，底架最大應(yīng)力結(jié)果如表2所示。從18種工況方位組合的分析比較得出，底架整體應(yīng)力較低，但吊臂位于方位2、方位3時應(yīng)力值較其他方位大，工況1下方位2、方位3和工況2下方位2、方位3、方位4以及工況3下方位3底架下底板尾部應(yīng)力值已超過底架材料許用應(yīng)力；工況2方位3時是底架最危險工況方位組合，此時下吊臂位于正側(cè)方。

表2 三種工況6個方位底架最大應(yīng)力表 單位：MPa

圖4為工況2方位3時底架Y方向變形。Y向最大形變位于吊臂起吊正側(cè)方，此時轉(zhuǎn)臺安裝面Y向最大變形量為45.66 mm。

圖4 工況2方位3底架整體Y方向位移云圖

圖5為工況2方位3工作時底架應(yīng)力云圖，圖6為應(yīng)力最大位置底架下底板尾部局部應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力值為460 MPa ， 此處應(yīng)力值已超過底架材料許用應(yīng)力417 MPa。經(jīng)分析得知，造成此處局部應(yīng)力較大的主要原因是底架下底板平面尺寸較大，且該板位于底架后固定支腿連接處，需承擔底架側(cè)向扭轉(zhuǎn)和彎曲載荷。

5 結(jié)語

起重機底架是起重機關(guān)鍵部件，有承擔負荷和運輸?shù)囊蟆５准苜|(zhì)量和性能直接影響起重機的工作性能，通過有限元分析得到：

a. 底架在不同工況不同方位的應(yīng)力和變形情況中，有6種危險工況方位組合，應(yīng)力值超過底架材料許用應(yīng)力。由于底架結(jié)構(gòu)對稱，3種工況和6個方位的組合基本可以覆蓋起重機實際使用全部情況。

圖5 工況2方位3底架整體應(yīng)力云圖

圖6 工況2方位3底架下底板尾部局部應(yīng)力云圖

b. 吊臂在方位1和方位5時應(yīng)力值較小，建議起重機駕駛員在實際起吊時最好選擇吊臂位于正前方和正后方，盡量避免吊臂位于正側(cè)方。

c. 分析表明，吊臂位于方位2、方位3時底架應(yīng)力值較其他方位大，底架承受縱向載荷的能力強于承受橫向載荷。后續(xù)改進設(shè)計中，增強底架承受橫向載荷的能力是需要重點考慮的。建議后期優(yōu)化時采用加大底架下底板板厚或針對應(yīng)力最大位置處結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，設(shè)置加強筋，并調(diào)整部分板厚，到達減重目的。