基于瞬態(tài)動力學強夯機臂架折彎事故分析

李 偉，楊 晨，王桂錄，肖新科

（1.鄭州科技學院機械工程學院，河南鄭州450064；2.南陽理工學院土木工程學院，河南南陽473004）

隨著強夯法在地基工程中的廣泛應用，桁架式強夯機（以下簡稱強夯機）以其結構緊湊、施工效率高等特點，逐漸成為工程建設施工設備中重要的機種之一。強夯機主要用于地基夯實加固、圍海造田、削峰填谷等工程，作業(yè)過程中承受著頻繁的高強度沖擊，滿載率極高。因瞬間高強度沖擊引起的臂架局部屈曲或整體失穩(wěn)現(xiàn)象是強夯機工作裝置的故障之一［1］。桁架式臂架在吊重時和突然釋放后均承受較大載荷，臂架是在何種情況下受力最為惡劣造成折彎事故是本文的主要研究內容。臂架折彎事故出現(xiàn)概率小，但是影響極為惡劣，后果極為嚴重，為避免同類事故重復發(fā)生，需從根本上找到事故原因，從設計上改變結構。

初步分析，在臂架加工制造達到要求的前提下，以下幾個原因均有可能造成上述故障：①臂架材料質量不合格；②起吊過重載荷施工；③防傾桿彈簧完全壓死時，臂架繼續(xù)向上變幅或者突然釋放夯錘，臂架回彈，由于防傾桿剛度較大，導致臂架發(fā)生局部彎曲變形，甚至發(fā)生整體屈服破壞。

經過對折彎臂架的材質進行檢驗，結果為合格，故可以排除原因①，因此，采用有限元法對原因②和③進行事故還原和原因推斷，為后期同類事故的預防和改進提供理論支撐［2-4］。

1 臂架系統(tǒng)有限元模型及材料說明

臂架系統(tǒng)主要由臂架主體、變幅拉繩、防傾裝置組成。臂架主體、防傾桿和變幅拉繩分別采用梁殼單元、非線性彈簧單元和桿單元模擬［5］，如表1所示。臂架主弦桿為Q390B高強度圓管鋼，材料屬性如表2所示。

表1 臂架模擬單元Tab.1 Boom simulation unit

表2 臂架材料屬性表Tab.2 Boom material property sheet

邊界條件的施加：臂架和防傾桿下端均約束UX，UY，UZ3個平動自由度及繞X，Y2個方向的轉動自由度，釋放繞Z軸（繞銷軸）方向的轉動自由度；變幅拉繩下端均約束3個方向的平動自由度，釋放3個方向的轉動自由度。

載荷施加：按照不同方案將夯錘自重按倍率分別施加在臂頭滑輪組相應節(jié)點處，然后突然撤銷載荷，做瞬態(tài)動力學分析［6-7］。臂架系統(tǒng)有限元模型如圖1所示。

2 臂架系統(tǒng)靜力學分析

該臂架額定夯錘質量為15 t，土壤吸附力系數(shù)為2，即最大吊重為30 t，計算靜載吊重工況，判斷臂架應力是否可以導致臂架失效。詳細計算工況如表3所示。

表3 靜力學計算工況Tab.3 Statics calculation conditions

圖1 臂架系統(tǒng)有限元模型Fig.1 Finite element model of boom system

圖2為臂架應力狀態(tài)云圖。計算結果表明：在吊重30 t工況下，最大應力出現(xiàn)在上節(jié)臂臂頭附近主弦桿位置，最大應力280 MPa，小于許用應力；增節(jié)臂應力均小于150 MPa，有較大安全余量，且實際折彎部位在增節(jié)臂附近，而計算最大應力出現(xiàn)在上節(jié)臂，與實際不符，因此，排除靜強度破壞可能性。

圖2 臂架應力狀態(tài)云圖Fig.2 Boom stress nephogram

3 臂架瞬態(tài)動力學分析

根據(jù)現(xiàn)場臂架破壞情況，提出3個假設：第1個假設，臂架正常工作，起吊夯錘時，防傾桿彈簧沒有壓縮，臂架脫鉤回彈后防傾桿彈簧是否被壓死；第2個假設，確定起吊夯錘時，防傾桿彈簧處于剛好壓死狀態(tài)，臂架回彈時防傾桿上的最大推力；第3個假設，防傾桿彈簧壓死后，對臂架推力多大時臂架會發(fā)生屈服破壞。針對3個假設逐一進行仿真分析，推斷事故原因。

3.1 假設1

目的：臂架正常工作，起吊夯錘時，防傾桿彈簧沒有壓縮，臂架脫鉤回彈后防傾桿彈簧是否被壓死。防傾桿結構如圖3所示。

圖3 防傾桿結構Fig.3 Sway bar structure chart

施工工況：臂架仰角75°，吊重15 t。因為變幅拉繩彈性模量未知，選擇不同變幅拉繩彈性模量進行突然釋放工況動態(tài)模擬，防傾桿彈簧參數(shù)如表4所示。提取防傾桿推力進行分析對比［8］。

表4 防傾桿彈簧參數(shù)Tab.4 Sway bar spring parameters

防傾桿受力狀況可從它的結構上體現(xiàn)出來，它是由外導桿、內支桿、滑套和彈簧組成，外導桿末端與A型架鉸接，內支桿末端與臂架鉸接。外導桿和內支桿的相對運動，實現(xiàn)防傾桿長度的變化。當臂架仰角達到某一角度時，滑套會接觸到彈簧，使得防傾桿受力，阻止臂架仰角繼續(xù)增大。因此，防傾桿彈簧被壓縮時受力不為零，當防傾桿的長度達到其最小長度時，成為受壓桿，其剛度將明顯增加。

對臂架進行瞬態(tài)動力學仿真后，提取防傾桿與車架鉸點支反力的時間歷程曲線，事故臂架變幅拉繩彈性模量E=130 GPa，防傾桿分力方向和最大分力如圖2和圖4所示，其中Fxmax=1 280 N，F(xiàn)ymax=1 602 N，合力為2 259 N，不足以造成臂架失效。設置不同變幅拉繩彈性模量進行計算，變幅拉繩彈性模量對防傾桿推力影響如表5所示。

變幅拉繩彈性模量越大，即變幅拉繩剛度越大，防傾桿推力越小，即臂架回彈量越小，防傾桿彈簧壓縮量越小。彈性模量最小時防傾桿推力最大為11.250 kN，而防傾桿彈簧最大彈簧力為24.799 kN，因此，判斷：如果正常工作，起吊夯錘時彈簧沒有起作用，即處于未壓縮狀態(tài)；釋放夯錘后，臂架回彈不會使彈簧壓死，并且11.250 kN的推力不會使臂架發(fā)生破壞。

圖4 防傾桿X和Y方向支反力示意圖（E=130 GPa）Fig.4 Sway bar with X and Y direction reaction diagram（E=130 GPa）

表5 變幅拉繩對防傾桿推力影響Tab.5 Luffing rope influence to sway bar thrust

3.2 假設2

目的：確定起吊夯錘時，防傾桿彈簧處于剛好壓死狀態(tài)，臂架回彈時防傾桿上的最大推力。防傾桿彈簧完全壓縮模型如圖5所示。

圖5 防傾桿彈簧完全壓縮模型Fig.5 Swaybar spring compression completely model

施工工況：臂架仰角76.5°，吊重15 t。與方案1不同的是，假設防傾桿由于臂架起臂過高原因，彈簧被壓死，相當于防傾桿為剛性桿連接。利用ANSYS軟件模擬臂架回彈時的動能直接由防傾桿外導桿吸收時對臂架的影響［9］。

提取防傾桿根部X和Y方向的推力時間歷程，得到X方向最大推力為98.947 kN，Y方向最大推力為141.807 kN，沿防傾桿方向對臂架的推力為163.869 kN，即彈簧完全壓死時，防傾桿對臂架的最大推力為163.869 kN。由圖6防傾桿推力最大時臂架應力云圖可知，防傾桿推力最大時刻，臂架在變幅拉繩拉力和防傾桿推力共同作用下，增節(jié)臂防傾桿連接支座附近主弦桿和兩側腹桿受力最為惡劣。該時刻臂架危險區(qū)域主弦桿應力超過240 MPa，接近臂架主弦桿材料的強度許用應力280 MPa。

圖6 防傾桿推力最大時臂架局部應力Fig.6 Boom local stress on sway bar maximum thrust

該方案只是模擬了防傾桿彈簧處于剛好被壓死時的狀態(tài)，而在實際工作過程中，有可能在起吊夯錘時防傾桿彈簧已經被壓死并承受了更大推力。這種狀態(tài)下臂架回彈時，防傾桿推力會為163.869 kN，該情況下臂架發(fā)生折彎的可能性非常大。

3.3 假設3

目的：確定防傾桿推力多大時臂架會發(fā)生屈服破壞。

施工工況：臂架仰角75°，吊重15 t。對臂架模型分別施加3，15，20和30 t防傾桿推力，提取不同推力下防傾桿與臂架鉸接孔附近主弦桿應力。從計算結果中得到臂架應力狀況和變形情況［10］，定量判斷臂架會發(fā)生屈服破壞的防傾桿推力，如表6所示。不同拉力防傾桿受力應力云圖如圖7所示。

由圖7（a）可知：防傾桿推力為3 t時，臂架主弦桿最大應力均小于100 MPa，有較大安全余量，不會發(fā)生屈服破壞。由圖7（b）可知：推力為15 t時，臂架主弦桿最大應力超過280 MPa，超過許用應力，長期使用臂架會發(fā)生局部屈服。由圖7（c）可知：防傾桿推力為20 t時，臂架主弦桿應力達到380 MPa，遠遠大于臂架材料的許用應力，接近于臂架材料的屈服極限390 MPa。因此，判斷臂架的桁架結構，如果偶爾出現(xiàn)推力20 t，臂架結構不會一次性屈服失效，但在該情況下發(fā)生屈服破壞可能性極大，且使用壽命會大大減小。由圖7（d）可知：防傾桿推力為30 t時，臂架主弦桿應力達到580 MPa，遠大于臂架的屈服極限390 MPa，若發(fā)生該工況，臂架臂架主弦桿會一次性發(fā)生整體屈服垮塌。

表6 防傾桿推力對臂架強度的影響Tab.6 Sway bar thrust the influence of the strength of boom

圖7 不同防傾桿推力時臂架局部應力Fig.7 Swaybar spring compression completely model

4 結論

針對一起典型的工程機械產品失效模式，以桁架式強夯機臂架系統(tǒng)為研究對象，采用有限元瞬態(tài)動力學研究方法，選定了3種方案對臂架折彎故障進行了驗證分析，得出如下結論：靜載吊重情況下臂架安全余量較大，不是事故發(fā)生原因；正常吊重脫鉤工作時，彈簧已經部分壓縮或者完全壓死，然后釋放夯錘，臂架回彈，與防傾桿發(fā)生剛性碰撞，防傾桿產生巨大瞬時推力，使臂架局部承受較大沖擊，會發(fā)生局部屈服變形；吊重工況過度變幅，彈簧已經壓死，但操作人員仍然繼續(xù)變幅，造成臂架局部應力超過屈服極限，這種情況下臂架會完全垮塌。

根據(jù)以上分析及結論，提出了防止此類臂架折彎故障發(fā)生的預防和改進措施：起吊夯錘過程中應保證防傾桿彈簧不被壓死，若不改變防傾桿原設計，可以在保證整機穩(wěn)定性前提下，通過減小臂架仰角來實現(xiàn)；對防傾桿進行重新設計，縮短防傾桿外導桿長度，增加防傾桿彈簧剛度和長度，從結構設計上保證起吊夯錘時，防傾桿彈簧不會被壓縮甚至壓死；適當增加變幅拉繩剛度可降低臂架回彈幅度，從而減少防傾桿彈簧壓縮量，如增加變幅拉繩直徑，或者更換為變幅拉板。