履帶起重機(jī)臂架金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)力仿真與試驗(yàn)研究

王小燕

南京市特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 南京 210019

0 引言

履帶起重機(jī)是一種廣泛應(yīng)用于施工現(xiàn)場的動臂式起重機(jī)，具有通過性好、適應(yīng)性強(qiáng)等特性，包括行走機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)和臂架結(jié)構(gòu)等部分[1]。其中，臂架結(jié)構(gòu)能同時起到變幅和承載的作用，是履帶起重機(jī)的關(guān)鍵部件。在長時間使用后，臂架金屬結(jié)構(gòu)可能會出現(xiàn)磨損、腐蝕、裂紋、變形等現(xiàn)象，對履帶起重機(jī)的安全性能造成一定影響。因此，對老舊履帶起重機(jī)進(jìn)行安全性能評估時，其臂架金屬結(jié)構(gòu)的分析顯得尤為重要。

本文以P＆H7150型履帶起重機(jī)臂架金屬結(jié)構(gòu)為研究對象，通過Abaqus軟件進(jìn)行仿真分析，并通過現(xiàn)場應(yīng)力測試對其應(yīng)力進(jìn)行分析，驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足使用要求，為該類型起重機(jī)的設(shè)計、制造、應(yīng)力測試和檢驗(yàn)等提供參考依據(jù)。

1 起重機(jī)基本參數(shù)

P&H 7150型履帶起重機(jī)于1987年制造，其臂架金屬結(jié)構(gòu)如圖1所示，由臂架前節(jié)、中間節(jié)和臂架尾節(jié)等3部分組成。臂架長度通過增減不同數(shù)量的中間節(jié)進(jìn)行改變，臂架長度最短為18.29 m，最長為82.3 m，工作幅度為5～62 m，最大起重量為150 t。臂架金屬結(jié)構(gòu)由3種不同尺寸的無縫鋼管焊接而成，主弦桿直徑為114 mm，厚度為7.4 mm；第一類腹桿直徑為76 mm，厚度為2.8 mm；第二類腹桿直徑為65 mm，厚度為2.8 mm。本次軟件仿真和現(xiàn)場實(shí)測的履帶起重機(jī)臂架，如圖2所示，全長為57.91 m，包括臂架前節(jié)、6節(jié)中間節(jié)和臂架尾節(jié)。

圖1 履帶起重機(jī)實(shí)物圖

圖2 臂架結(jié)構(gòu)示意圖

由隨機(jī)資料可知，該起重機(jī)主臂材料為STK490ME。查閱日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JⅠS G3444—2015《一般結(jié)構(gòu)用碳素鋼管》，屈服強(qiáng)度σs≥315 MPa，抗拉強(qiáng)度σb≥490 MPa，泊松比V為0.274[2]。

2 建模仿真及分析

2.1 有限元模型建立

應(yīng)用有限元軟件Abaqus對履帶起重機(jī)臂架金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行建立三維模型。該臂架金屬結(jié)構(gòu)是由無縫鋼管焊接而成的空間桁架結(jié)構(gòu)，且實(shí)際工程問題比較復(fù)雜，支承邊界形式多樣、載荷變化多端。因此，在建立計算模型過程中要作合理的簡化：由于桁架之間的連接方式均為焊接，在分析整個臂架時不考慮焊縫的影響，弦桿上相鄰各腹桿端點(diǎn)合為一點(diǎn)；各臂節(jié)連接銷處為一個整體，無繞銷軸的相對轉(zhuǎn)動；鋼結(jié)構(gòu)在彈性范圍內(nèi)工作，彈性模量為常數(shù)[3]。

臂架結(jié)構(gòu)簡化為不同尺寸的3種桿件。主臂弦桿截面為環(huán)形，第一類、第二類腹桿為環(huán)形截面，尺寸設(shè)定為實(shí)測值，這3類梁截面分別賦予模型的不同位置。臂架底部加固鋼板選用殼單元模擬，根據(jù)相關(guān)技術(shù)文件設(shè)置殼的厚度為50 mm。

采用Abaqus中裝配功能，將鋼板裝配到桁架結(jié)構(gòu)上，即可得到臂架的整體模型。再利用裝配中旋轉(zhuǎn)功能對整體結(jié)構(gòu)對應(yīng)的2種工況進(jìn)行角度的旋轉(zhuǎn)；利用網(wǎng)格模塊，將模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。整體模型共有5 815個單元，其中梁單元有5 725個，殼單元有90個。完成建模和網(wǎng)格劃分后的臂架結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 臂架結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖

2.2 邊界條件及加載

載荷以集中力均勻施加到臂架前端4個節(jié)點(diǎn)上，每個節(jié)點(diǎn)的力為300 000r4＝75 000 N，受力方向垂直向下，如圖4所示。

圖4 載荷受力分向

計算自重載荷時，模擬結(jié)構(gòu)自身重力載荷下對整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力。結(jié)構(gòu)自重載荷以重力加速度的方式施加，重力加速度g＝9 800 mm/s2，如圖5所示。

圖5 結(jié)構(gòu)自重載荷受力分析

根據(jù)本次仿真計算的臂架長度和作業(yè)幅度，可算得2個工況下的臂架角度，2個計算工況的參數(shù)，見表1。

表1 仿真計算工況參數(shù)

臂架與車身相連接，在正常作業(yè)時，臂架與車身固定在一起，可認(rèn)為臂架底部約束形式為完全固定約束，即UX＝0，UY＝0，UZ＝0，URX＝0，URY＝0，URZ＝0。底部施加的約束，如圖6所示。

圖6 邊界約束

2.3 仿真結(jié)果及應(yīng)力計算

通過仿真計算，得出圖7、圖8所示工況Ⅰ、工況Ⅱ整體應(yīng)力分布情況。由圖7可知，工況Ⅰ的情況下，臂架的最大應(yīng)力值為203 MPa；由圖8可知，工況Ⅱ的情況下，臂架的最大應(yīng)力值為195 MPa。

圖7 工況Ⅰ整體應(yīng)力分布

圖8 工況Ⅱ整體應(yīng)力分布

3 現(xiàn)場應(yīng)力測試

3.1 現(xiàn)場測點(diǎn)和測試工況

履帶起重機(jī)的臂架結(jié)構(gòu)為桁架結(jié)構(gòu)，主應(yīng)力受力方向明確，根據(jù)軟件仿真分析結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，在結(jié)構(gòu)受力分析的基礎(chǔ)上確定危險應(yīng)力區(qū)，本次現(xiàn)場測試共布置測點(diǎn)22個，涵蓋主弦桿和腹桿。

動態(tài)數(shù)據(jù)采集選用DH5908型無線動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀，設(shè)置設(shè)備采樣頻率為100 Hz，應(yīng)變片接線采用半橋方式，每個測點(diǎn)采取1個工作片和1個補(bǔ)償片的連接方式。

靜態(tài)數(shù)據(jù)采集選用TDS-530 型高速靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀，設(shè)置采樣頻率為1 Hz，應(yīng)變片接線采用半橋方式，使用有線傳輸，共用補(bǔ)償片方式，記錄各測點(diǎn)的靜態(tài)應(yīng)力數(shù)據(jù)。

測點(diǎn)分布及數(shù)據(jù)傳輸方式如表2所示。查閱履帶起重機(jī)特性曲線圖和特性曲線表及測試現(xiàn)場情況，確定2種測試工況，如表3所示。

表2 測點(diǎn)分布

表3 測試工況

3.2 應(yīng)力測試及數(shù)據(jù)分析

在完成各項(xiàng)測試準(zhǔn)備工作后，按照操作程序進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。在試驗(yàn)中每個測試工況均應(yīng)平穩(wěn)加載，動態(tài)應(yīng)力數(shù)據(jù)穩(wěn)定后記錄，每個工況至少重復(fù)3次，比較每次測試結(jié)果的差別。如果出現(xiàn)試驗(yàn)后數(shù)據(jù)無法歸零，或2次試驗(yàn)的結(jié)果超過10個微應(yīng)變的情況，則要對應(yīng)變片或數(shù)據(jù)采集儀器進(jìn)行重新調(diào)整[4]。

1）靜態(tài)應(yīng)力測試

部分測點(diǎn)靜態(tài)應(yīng)力測試結(jié)果，如表4所示。

表4 部分測點(diǎn)靜態(tài)應(yīng)力測試結(jié)果 MPa

2）動態(tài)應(yīng)力測試

工況Ⅰ、Ⅱ各測點(diǎn)動態(tài)應(yīng)力曲線，如圖9、圖10所示。

圖9 工況Ⅰ各測點(diǎn)動態(tài)應(yīng)力曲線

圖10 工況Ⅱ各測點(diǎn)動態(tài)應(yīng)力曲線

部分測點(diǎn)的動態(tài)應(yīng)力峰值、動態(tài)應(yīng)力穩(wěn)定值及對比，如表5所示。

表5 部分測點(diǎn)動態(tài)應(yīng)力峰值、穩(wěn)定值 MPa

3.3 測試數(shù)據(jù)分析

根據(jù)測試結(jié)果，工況Ⅰ時主弦桿整體受壓應(yīng)力，尾節(jié)根部壓力值較小，靜態(tài)應(yīng)力最大值（即動態(tài)應(yīng)力穩(wěn)定值）為-135.509 MPa，出現(xiàn)在測點(diǎn)13，即中間節(jié)2弦桿（距臂架根部35.2 m，上部臂架）處，此時動態(tài)應(yīng)力峰值為-144.385 MPa。

工況Ⅱ時主弦桿整體受壓應(yīng)力，靜態(tài)應(yīng)力最大值（即動態(tài)應(yīng)力穩(wěn)定值）同樣出現(xiàn)在測點(diǎn)13，此時應(yīng)力最大值為-115.213 MPa，動態(tài)應(yīng)力峰值為-124.013 MPa。

根據(jù)理論計算，工況Ⅰ時測點(diǎn)13的自重應(yīng)力（含吊具自重2.5 t）為壓應(yīng)力，約57 MPa。根據(jù)GB/T 14560—2016《履帶起重機(jī)》附錄D1.4.3.1項(xiàng)要求作業(yè)狀態(tài)工況下，均勻高應(yīng)力區(qū)安全系數(shù)最小值為1.48[5]。該履帶起重機(jī)臂架結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)n為

由此可知，在2種測試工況下，主弦桿上各測點(diǎn)的安全系數(shù)均大于最小安全系數(shù)1.48，符合GB/T 14560—2016結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的安全要求。

4 比較分析和總結(jié)

履帶起重機(jī)臂架結(jié)構(gòu)軟件仿真分析和現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果如表6所示，本文采用有限元仿真和現(xiàn)場實(shí)測2種方式對履帶起重機(jī)臂架金屬結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了分析和研究。由表6數(shù)據(jù)分析可知，仿真分析與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果的整體趨勢具有較好的一致性，現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果驗(yàn)證了軟件仿真結(jié)果的可靠性。綜合分析表明該起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合國家標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)安全技術(shù)規(guī)范的要求。

表6 仿真分析和實(shí)測數(shù)值對比 MPa

金屬結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析是履帶起重機(jī)安全性能評估的一個重要項(xiàng)目。仿真分析法和現(xiàn)場實(shí)測法有各自的優(yōu)勢，通過仿真分析法可獲得結(jié)構(gòu)連續(xù)應(yīng)力分布情況，通過現(xiàn)場實(shí)測法可獲得結(jié)構(gòu)應(yīng)力準(zhǔn)確數(shù)值。但同時2種方法有其局限性，如仿真分析法的約束施加、模型簡化，現(xiàn)場實(shí)測法測點(diǎn)選擇等，都會對分析結(jié)果造成影響[6]。因此，將2種方法結(jié)合，通過綜合判定的方法，更全面地對履帶起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)受力狀況做出綜合評估。