趙小偉，張騫，石小飛，曾光

(華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州 450015)

0 引言

塔式起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱塔機(jī))是機(jī)械化建筑施工中不可缺少的起重機(jī)械[1]。PZQ1400型塔機(jī)金屬結(jié)構(gòu)主要由塔身、上承座、下承座、臂架、中心塔等結(jié)構(gòu)組成。下承座的上部通過回轉(zhuǎn)軸承與上承座相連接，下部分別通過抱瓦和螺栓與塔身和頂升套架相連接。設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)主要考慮2種危險(xiǎn)工況:正常工作時(shí)，下承座與塔身接頭相連接，并承受所有上部結(jié)構(gòu)重量和吊重；當(dāng)塔機(jī)在頂升引入標(biāo)準(zhǔn)節(jié)時(shí)，下承座與塔身的連接接頭松開，只與頂升套架接頭相連，套架承受上部結(jié)構(gòu)所有的重量。PZQ1400型塔機(jī)主要技術(shù)參數(shù)：最大起重量，60 t；最大工作幅度，80 m；最大起重力矩，13 800 kN·m。本文對(duì)此型塔機(jī)的下承座環(huán)梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行上述危險(xiǎn)工況下的有限元分析。

1 下承座環(huán)梁的金屬結(jié)構(gòu)

此機(jī)型下承座環(huán)梁金屬結(jié)構(gòu)由板材焊接而成，采用箱型截面，腹板折彎成圓弧板，下承座結(jié)構(gòu)如圖1所示。上部回轉(zhuǎn)圈鉆有一圈螺栓孔與回轉(zhuǎn)軸承剛性連接，下部通過水平撐桿連接標(biāo)準(zhǔn)節(jié)引進(jìn)裝置，四周通過銷軸與下承座的支腿連接，以銷軸連接代替?zhèn)鹘y(tǒng)的螺栓連接，使得下承座安裝拆卸方便快捷。

圖1 下承座結(jié)構(gòu)

2 下承座環(huán)梁結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 有限元模型的建立

本文以自主研發(fā)的新產(chǎn)品——平臂吊PZQ1400型塔機(jī)的下承座環(huán)梁為研究對(duì)象。環(huán)梁采用箱梁結(jié)構(gòu)。首先在Creo軟件中建立起下承座環(huán)梁的三維實(shí)體模型，然后在其集成界面中將模型導(dǎo)入有限元分析軟件的Workbench中進(jìn)行網(wǎng)格劃分和有限元分析，其中的網(wǎng)格劃分單元采用實(shí)體單元，如圖2所示。

圖2 環(huán)梁結(jié)構(gòu)有限元模型

2.2 邊界條件及簡(jiǎn)化

為了縮短建模和分析計(jì)算的時(shí)間，在實(shí)際建模過程中作出相應(yīng)的簡(jiǎn)化處理，省略了一些不影響主體結(jié)構(gòu)受力的次要結(jié)構(gòu)(如引進(jìn)裝置、梯子平臺(tái)等)，并通過施加重力加速度來保證模型的自重[2]。

表1 環(huán)梁四周銷軸孔處的載荷大小 kN

為便于加載，彎矩轉(zhuǎn)化為水平方向的力和豎直方向的力來施加。分析計(jì)算時(shí)對(duì)回轉(zhuǎn)軸承法蘭盤平面施加6個(gè)方向自由度的全約束。

2.3 載荷的施加

下承座環(huán)梁結(jié)構(gòu)載荷施加情況如圖3所示，臂架沿塔身截面方向的示意如圖4所示。設(shè)計(jì)分析計(jì)算時(shí)，主要考慮以下2種最不利的載荷組合工況：工況1為頂升工況，液壓油缸側(cè)向(圖4中塔身截面的A，D側(cè))頂升，臂架沿塔身截面中心線方向；工況2為工作工況，臂架沿塔身截面對(duì)角線方向。

下承座所受的豎向力和不平衡力矩傳遞到支腿上，再通過支腿與環(huán)梁的連接銷軸傳遞到環(huán)梁四周的銷軸孔處，作用到環(huán)梁四周銷軸孔處的載荷見表1。

圖3 環(huán)梁結(jié)構(gòu)載荷施加情況

圖4 臂架沿塔身截面方向示意

按表1中的載荷在相應(yīng)的有限元模型的位置上施加水平和豎直方向上的載荷：對(duì)于環(huán)梁來說，A，D處X方向載荷的負(fù)值和B，C處X方向載荷的正值表示載荷方向?yàn)橄颦h(huán)梁外部；A，D處的X方向載荷的正值和B，C處X方向載荷的負(fù)值表示載荷方向?yàn)橄颦h(huán)梁內(nèi)部。

3 下承座環(huán)梁的強(qiáng)度和剛度分析

3.1 工況1環(huán)梁的強(qiáng)度和剛度

此工況下，臂架方向沿塔身截面中心線的方向，環(huán)梁應(yīng)力和位移云圖如圖5、圖6所示。

圖5 工況1環(huán)梁應(yīng)力

圖6 工況1環(huán)梁位移

環(huán)梁的最大應(yīng)力出現(xiàn)在銷軸連接耳板對(duì)應(yīng)筋板與回轉(zhuǎn)法蘭腹板連接處，應(yīng)力值為182.86 MPa，采用材料為Q345C，安全系數(shù)取1.34，許用應(yīng)力為345/1.34=257.5 MPa，故滿足材料許用應(yīng)力要求。在環(huán)梁銷軸連接耳板與上翼緣板連接處出現(xiàn)極大應(yīng)力值，293.47 MPa,在極限應(yīng)力范圍內(nèi)，滿足應(yīng)力要求。環(huán)梁最大靜位移出現(xiàn)在銷軸連接耳板與上翼緣板連接處，位移值小，剛度好。

3.2 工況2環(huán)梁的強(qiáng)度和剛度

此工況下，臂架方向沿塔身截面對(duì)角線的方向，環(huán)梁應(yīng)力和位移如圖7～9所示。

圖7 工況2下環(huán)梁應(yīng)力

圖8 工況2下環(huán)梁局部應(yīng)力

圖9 工況2下環(huán)梁位移

環(huán)梁的最大應(yīng)力出現(xiàn)在銷軸連接耳板對(duì)應(yīng)筋板與回轉(zhuǎn)法蘭腹板連接處，應(yīng)力值為205.73 MPa，滿足材料許用應(yīng)力要求。在回轉(zhuǎn)圈脖子內(nèi)側(cè)的加強(qiáng)筋板與固定約束法蘭面連接處出現(xiàn)極大應(yīng)力值329.19 MPa，接近材料的屈服應(yīng)力，由于其筋板剛度的問題，形狀突變導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此也滿足應(yīng)力要求。環(huán)梁最大靜位移出現(xiàn)回轉(zhuǎn)圈脖子內(nèi)側(cè)加強(qiáng)筋板與固定約束法蘭面連接處，位移值較小，剛度好。

環(huán)梁箱型梁下蓋板局部應(yīng)力如圖10所示，環(huán)梁主結(jié)構(gòu)箱型梁下蓋板最大應(yīng)力為95.89 MPa。

圖10 工況2下環(huán)梁箱型梁下蓋板局部應(yīng)力

工況2比工況1的極大應(yīng)力大，工作工況下，回轉(zhuǎn)圈脖子內(nèi)側(cè)加強(qiáng)筋板與固定約束法蘭面連接處應(yīng)力情況接近材料的極限，加強(qiáng)勁的自身剛度不足導(dǎo)致形狀突變而產(chǎn)生應(yīng)力集中，宜采用適當(dāng)修改筋板幾何尺寸的辦法來消除此現(xiàn)象。

4 環(huán)梁的主結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的傳統(tǒng)計(jì)算

環(huán)梁可簡(jiǎn)化為受均布載荷作用的簡(jiǎn)支梁(忽略與軸承連接的大法蘭，即脖子)，環(huán)梁截面尺寸如圖11所示。

圖11 環(huán)梁截面尺寸

起重機(jī)在正常工作工況時(shí)的應(yīng)力比頂升工況的應(yīng)力更大，所以取工作工況下的應(yīng)力來計(jì)算產(chǎn)生的均布載荷，并忽略環(huán)梁自身的重量。

工作工況下豎向力產(chǎn)生的均布載荷

(1)

式中：V為整體塔機(jī)作用至下承座處的豎向力，3 100 kN；d為回轉(zhuǎn)軸承連接法蘭螺栓中心線直徑(外齒)，2.955 m。

彎矩產(chǎn)生的均布載荷

(2)

環(huán)梁所受均布載荷

q=qG+qM=334+1 904=2 238(kN/m) ，

(3)

式中：M為不平衡彎矩，13 050 kN·m。

跨中彎矩

2 353 (kN·m) ，

(4)

式中：l為塔身截面中心線尺寸，2.9 m。

最大彎曲正應(yīng)力

117.7 (MPa)<[σ] ，

(5)

式中：環(huán)梁材料為Q345C，板厚在16 mm與35 mm之間，屈服應(yīng)力σs=325 MPa，安全系數(shù)n取1.34，許用應(yīng)力[σ]=σs/n=242 MPa。另外，考慮到連接軸承的大法蘭的作用，環(huán)梁的實(shí)際彎曲應(yīng)力要小于該值。

5 結(jié)論

(1)通過比對(duì)分析下承座環(huán)梁截面的應(yīng)力結(jié)果，有限元分析結(jié)果和傳統(tǒng)計(jì)算結(jié)果基本一致，說明模型簡(jiǎn)化和載荷施加的合理性。

(2)通過運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件Creo建立起下承座環(huán)梁的實(shí)體模型，然后導(dǎo)入到Workbench有限元分析軟件中對(duì)其進(jìn)行危險(xiǎn)工況下的有限元分析，為同類型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了一種途徑。