成 凱，柯朝東，馮 冶

履帶起重機臂架一般采用高強度材料，且臂架長度較長，結(jié)構(gòu)剛性小.履帶起重機與其他移動式起重機在組裝過程中的最大不同點是：其臂架需在地面組裝好，通過自身變幅系統(tǒng)將臂架起臂到工作角度.臂架在起臂過程中 ，水平放置 ，會在自重作用下產(chǎn)生下?lián)希?］，隨著變幅系統(tǒng)的起臂，臂頭離地后，受變幅系統(tǒng)拉力作用，臂架將產(chǎn)生軸向載荷，此軸向載荷加劇臂架的下?lián)?，產(chǎn)生2次變形 ，盡管引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力不大 ，但由于臂架剛度小 ，易引起結(jié)構(gòu)失穩(wěn)而導(dǎo)致起臂失敗，造成臂架損壞的嚴(yán)重后果.起臂工況屬于履帶起重機的非作業(yè)工況，但是每臺履帶起重機在作業(yè)前必須完成此項工作，經(jīng)過計算分析，此工況是臂架的危險工況之一，不容忽視.本文基于有限元分析技術(shù)，在ANSYS軟件中對履帶起重機的起臂過程進行動力學(xué)分析，解決了常規(guī)方法無法加載的問題，可以為起臂調(diào)試過程提供參考.

1 計算工況

履帶起重機分為3種主臂變幅形式：人字架變幅形式、桅桿變幅形式以及人字架＋桅桿變幅形式，如圖1所示.

人字架變幅形式起重機靠縮短人字架和主臂之間變幅繩的長度完成起臂和變幅.桅桿變幅形式通過桅桿變幅，帶動主臂起臂和變幅.人字架＋桅桿變幅形式，通過縮短桅桿與主臂之間變幅繩控制主臂的起臂和變幅［2］.這3種變幅形式的起臂方式都可以采用本文介紹的這種方法完成起臂過程的動態(tài)模擬和動力學(xué)分析過程.

大型履帶起重機為了實現(xiàn)大起重量以及廣闊的工作范圍的需要，廣泛采用主臂與副臂的組合方式.一般輕型臂工況和副臂工況均能實現(xiàn)大的起升高度，臂架長度較長，起臂過程危險.通過計算得知，副臂工況由于其特殊的起臂方式，起臂過程較輕型臂工況安全.超起輕型臂工況一般為大型履帶起重機起臂的最危險工況，本文以某款履帶起重機產(chǎn)品的超起輕型臂為例，進行起臂過程的動力學(xué)分析計算.此產(chǎn)品的超起輕型臂長度范圍為90～150m.臂架長度越長，起臂過程越危險.當(dāng)臂架長度太長時，一般采用增加腰繩系統(tǒng)的方式減輕臂架的下?lián)?，提高臂架的起臂性?此產(chǎn)品的超起輕型臂工況從120～150m均添加了腰繩系統(tǒng).本文將對超起輕型臂無腰繩系統(tǒng)的最大臂架長度114m工況進行計算.

起臂前臂架在地面組裝好，輕型臂與轉(zhuǎn)臺連接鉸耳離地高度為4625mm，考慮臂頭碰地，不考慮臂架下?lián)蠒r，臂架理論角度相對水平地面為-1.5°.而實際起臂過程中，在起臂起始位置，臂架由于自重產(chǎn)生下?lián)希奂艽蟛糠珠L度由地面支撐，起臂時隨著臂頭離地，臂架貼地長度逐漸減小，最后離地瞬間產(chǎn)生沖擊，計算得知此時為臂架起臂最危險時刻.本文對臂架從臂頭著地到臂架仰角10°的起臂過程進行計算.

圖1 履帶起重機的3種主臂變幅形式Fig.1 Crawler cranes’three derricking forms

2 臂架有限元分析

2.1 有限元建模

為了方便計算，對臂架有限元模型進行適當(dāng)簡化及單元類型的選?。?］.臂架的主弦桿和腹桿采用三維線性梁單元BEAM188進行模擬.起臂過程中的臂架軸力由主弦桿承擔(dān)，由于臂架太長，主弦桿容易失穩(wěn)，計算過程中主要關(guān)注主弦桿應(yīng)力，為簡化計算，只需采用臂架的簡化模型，而為了正確模擬每節(jié)臂的實際質(zhì)量，在模型中添加質(zhì)量點單元MASS21，使臂架簡化模型質(zhì)量與實際臂架質(zhì)量相吻合，拉板部分采用LINK180模擬［4］.

本文為實現(xiàn)起臂過程中臂架逐漸離地過程的模擬，在臂架水平時其最大下?lián)咸幒捅垲^處設(shè)有LINK10單元支撐臂架，設(shè)置關(guān)鍵字為只受壓.臂頭離地后臂架最大下?lián)咸幱捎贚INK10的減輕臂架下?lián)希缺垲^上升到一定角度，此點離地，會產(chǎn)生一定沖擊.這種簡化處理，減輕了臂架起臂過程中的振動，粗略模擬了臂架逐漸離地的過程.待計算的有限元模型如圖2所示.

材料：臂架主弦桿采用S890G1QL鋼，密度為7.85×10-3kg·mm-3，彈性模量為210kPa，強度極限為890MPa，屈服極限為960MPa.

2.2 載荷與約束

圖2 114m超起輕型臂簡化有限元模型Fig.2 Simplified finite element model of 114m superlift light boom

起臂過程中，臂架自身施加自重載荷［5］，給定重力加速度為9.8m·s-2.LINK180單元部分施加溫度載荷，通過設(shè)定單元的線性熱膨脹系數(shù)和溫度載荷增量控制單元的長度變化.線性熱膨脹系數(shù)α為固體物質(zhì)的溫度每改變1℃時，其長度的變化和它在0℃時長度之比，即

式中：L為0℃時物體的長度；ΔL為物體長度變化量；Δt為物體溫度變化量.

由于物質(zhì)不同，線性熱膨脹系數(shù)不同.而固體的線膨脹系數(shù)變化不大，通?？梢院雎裕虼藢⒁驭翞槌?shù).本文主要是利用變形完成臂架的起臂過程，所以只根據(jù)線膨脹系數(shù)和溫度變量的相對關(guān)系實現(xiàn)LINK180單元長度的變化.通過設(shè)置較小的溫度載荷增量幅度Δt進行多步迭代計算，實現(xiàn)LINK180單元的勻速模擬控制［6］.

本文分11個子步進行加載，第1步拉板溫度載荷為默認(rèn)0℃，只加臂架自重，進行計算，實現(xiàn)臂架在自重下的1次變形.從第2個子步到第11個子步，臂架角度和拉板長度數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 工況基本數(shù)據(jù)表Tab.1 Basic data table of the load cases

由于實際起臂過程中，此階段一般由起重機操作人員緩慢調(diào)試，完成起臂過程.本文設(shè)置起臂時間分別為180，240，360s進行計算.溫度載荷隨時間變化的值如表2所示.

表2 溫度載荷表Tab.2 Table of temperature loads

3 計算結(jié)果分析

通過計算可知臂架起臂過程中有2個典型的危險截面，分別為臂架重心處截面和過渡節(jié)處截面，這2個截面的位置如圖3所示.

每個典型危險截面包含4個主弦桿截面，上方2根主弦桿受壓，下方2根主弦桿受拉.由于起臂過程中不考慮側(cè)向力，上方2根主弦桿受力情況相同，取其中1根分析其在各工況下的軸力情況，下方主弦桿亦如此.

通過對114m超起輕型臂在3種起臂時間下的動力學(xué)分析計算，提取2個危險截面的軸力圖.

180s起臂時間，危險截面1主弦桿軸力見圖4，危險截面2主弦桿軸力見圖5.

圖3 典型危險截面位置示意圖Fig.3 Cross-section diagram of typical locations

圖4 180s起臂時間危險截面1主弦桿軸力圖Fig.4 Main chords’axial forces on crosssection 1in 180sload case

圖5 180s起臂時間危險截面2主弦桿軸力圖Fig.5 Main chords’axial forces on crosssection 2in 180sload case

240s起臂時間，危險截面1主弦桿軸力圖見圖6，危險截面2主弦桿軸力圖見圖7.

圖6 240s起臂時間危險截面1主弦桿軸力圖Fig.6 Main chords’axial forces on crosssection 1in 240sload case

圖7 240s起臂時間危險截面2主弦桿軸力圖Fig.7 Main chords’axial forces on crosssection 2in 240sload case

360s起臂時間，危險截面1主弦桿軸力見圖8，危險截面2主弦桿軸力見圖9.

圖8 360s起臂時間危險截面1主弦桿軸力圖Fig.8 Main chords’axial forces on crosssection 1in 360sload case

圖9 360s起臂時間危險截面2主弦桿軸力圖Fig.9 Main chords’axial forces on crosssection 2in 360sload case

根據(jù)以上計算工況，拉板收縮長度為5.335m，而超起變幅滑輪組倍率為24，超起變幅卷揚可實現(xiàn)無級變速，由起重機調(diào)試人員根據(jù)工作經(jīng)驗緩慢調(diào)試起臂.計算得到的3種起臂時間下的鋼絲繩速度及軸向力極值如表3所示；計算得到各個工況的最大軸應(yīng)力如表4所示.

表3 各個工況下的鋼絲繩速度及軸向力極值Tab.3 Rope speeds and extreme axial forces on various load cases

表4 各個工況的最大軸向應(yīng)力Tab.4 Maximum axial stress on various load cases

主弦桿采用材料S890G1QL的許用拉壓應(yīng)力為［σ］＝587.2MPa，因此180s起臂時間弦桿應(yīng)力超出許用應(yīng)力，為起臂危險工況.

4 結(jié)論

本文提出了使用溫度載荷控制位移代替常規(guī)施加載荷的約束方法，解決了ANSYS中常規(guī)方法無法模擬的履帶起重機起臂過程的動力學(xué)分析.并且對某履帶起重機產(chǎn)品的起臂過程進行了瞬態(tài)分析，計算出不同起臂時間下臂架主弦桿的軸向應(yīng)力極值，可以為大型履帶起重機的起臂調(diào)試過程提供參考.

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