高空作業(yè)平臺(tái)強(qiáng)度與疲勞校核

□ 劉 順 □ 張 遙

1.安徽柳工起重機(jī)有限公司 安徽蚌埠 233050 2.武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 武漢 430074

1 校核背景

高空作業(yè)平臺(tái)是一種用于載人高處作業(yè)的工程機(jī)械。隨著城市建設(shè)的持續(xù)推進(jìn),高空作業(yè)平臺(tái)的使用越來(lái)越頻繁,人們對(duì)高空作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度及疲勞性能提出了更高的要求。設(shè)計(jì)高空作業(yè)平臺(tái),在滿(mǎn)足使用性能的同時(shí),必須兼顧經(jīng)濟(jì)性與工藝性[1-3]。

筆者針對(duì)某剪叉式高空作業(yè)平臺(tái),應(yīng)用ANSYS Workbench軟件對(duì)其結(jié)構(gòu)件進(jìn)行有限元分析。在分析中,對(duì)高空作業(yè)平臺(tái)的作業(yè)極限工況及人員、設(shè)備布置進(jìn)行歸類(lèi)[4-6],分別進(jìn)行強(qiáng)度校核。同時(shí)根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)高空作業(yè)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)件進(jìn)行疲勞計(jì)算。

2 載荷工況

高空作業(yè)平臺(tái)的使用環(huán)境分為橫坡與縱坡。其中,橫坡傾斜1.5°,縱坡傾斜3°。高空作業(yè)平臺(tái)載荷加載因數(shù)見(jiàn)表1,載荷值見(jiàn)表2[7]。

根據(jù)縱坡與橫坡載荷,高空作業(yè)平臺(tái)工況位置如圖1所示。延伸平臺(tái)只允許站立一位操作人員,材料和工具所在區(qū)域的面積占所在平臺(tái)總面積的1/4[8-9]。

表1 高空作業(yè)平臺(tái)載荷加載因數(shù)

表2 高空作業(yè)平臺(tái)載荷值

3 有限元分析

3.1 材料與網(wǎng)格劃分

材料選用Q345B鋼,彈性模量為210 GPa,泊松比為0.3。網(wǎng)格劃分采用以六面體為主的劃分方法,如圖2所示[10]。

3.2 接觸與約束條件

叉臂之間采用轉(zhuǎn)動(dòng)副進(jìn)行連接,上下滑塊與導(dǎo)軌之間采用不分離接觸。額定載荷、自重、操作力通過(guò)遠(yuǎn)端力的方式進(jìn)行添加,底盤(pán)約束通過(guò)遠(yuǎn)端位移方式添加,釋放各個(gè)支腿的旋轉(zhuǎn)自由度,限制移動(dòng)自由度[11-12]。

3.3 變形分析

前側(cè)、右側(cè)、后側(cè)變形分析依次如圖3、圖4、圖5所示。

根據(jù)前側(cè)、右側(cè)、后側(cè)變形分析,縱坡載荷下的變形均大于橫坡載荷。前側(cè)縱坡載荷變形最大,達(dá)到30.219 mm。右側(cè)橫坡載荷變形最小,為21.835 mm。在作業(yè)過(guò)程中,要特別注意前側(cè)縱坡載荷下產(chǎn)生的較大變形。

圖1 高空作業(yè)平臺(tái)工況位置

圖2 網(wǎng)格劃分

3.4 應(yīng)力分析

前側(cè)、右側(cè)、后側(cè)應(yīng)力分析依次如圖6、圖7、圖8所示。

圖3 前側(cè)變形分析

圖4 右側(cè)變形分析

圖5 后側(cè)變形分析

圖6 前側(cè)應(yīng)力分析

圖7 右側(cè)應(yīng)力分析

圖8 后側(cè)應(yīng)力分析

根據(jù)前側(cè)、右側(cè)、后側(cè)應(yīng)力分析,縱坡載荷下的應(yīng)力均大于橫坡載荷。后側(cè)縱坡載荷應(yīng)力最大,達(dá)到290.52 MPa。右側(cè)橫坡載荷應(yīng)力最小,為167.92 MPa。最大應(yīng)力滿(mǎn)足材料要求。

4 疲勞校核

依據(jù)GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》,采用許用應(yīng)力設(shè)計(jì)法進(jìn)行疲勞校核。根據(jù)工作循環(huán)次數(shù)和載荷譜因數(shù),判定結(jié)構(gòu)件的工作級(jí)別等級(jí)為E5。非焊接構(gòu)件的應(yīng)力集中等級(jí)為W0,焊接構(gòu)件的應(yīng)力集中等級(jí)為K1。

拉伸應(yīng)力計(jì)算式為:

(1)

式中:[σrt]為許用拉伸應(yīng)力;[σ-1]為疲勞許用應(yīng)力基本值;r為應(yīng)力比,取0。

壓縮應(yīng)力計(jì)算式為:

(2)

式中:[σrc]為許用壓縮應(yīng)力。

剪切應(yīng)力計(jì)算式為:

(3)

式中:[τxyr]為許用剪切應(yīng)力。

焊接件[σ-1]取140 MPa,非焊接件[σ-1]取177 MPa,銷(xiāo)軸[σ-1]取244 MPa。代入式(1)～式(3),可得高空作業(yè)平臺(tái)各許用疲勞應(yīng)力,見(jiàn)表3?；谇笆龈鞴r的應(yīng)力,得到叉臂桿、叉臂油缸支座、叉臂銷(xiāo)軸的最大疲勞應(yīng)力,見(jiàn)表4。

表3 高空作業(yè)平臺(tái)許用疲勞應(yīng)力 MPa

表4 結(jié)構(gòu)件最大疲勞應(yīng)力 MPa

經(jīng)對(duì)比,各結(jié)構(gòu)件的最大疲勞應(yīng)力均小于許用疲勞應(yīng)力,滿(mǎn)足要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)高空作業(yè)平臺(tái)使用環(huán)境,分為橫坡與縱坡載荷,根據(jù)具體位置,分為前側(cè)、右側(cè)、后側(cè)工況,然后分別進(jìn)行強(qiáng)度和疲勞校核。

通過(guò)對(duì)各工況的強(qiáng)度及疲勞校核,得到高空作業(yè)平臺(tái)變形及應(yīng)力情況,通過(guò)與許用疲勞應(yīng)力比較,確認(rèn)各結(jié)構(gòu)件均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。