王升科 曲應(yīng)愷 李曉琪

（1.煙臺東德實業(yè)有限公司，煙臺 264000；2.東方電子股份有限公司，煙臺 264000；3.煙臺大學(xué)，煙臺 264005）

1 900 t/200 t 起重機是一種臂架式起重機，其變幅機構(gòu)及其對重杠桿等都與人字架相連。所有吊重、臂架系統(tǒng)等所產(chǎn)生的載荷都將作用在人字架上[1]，因此人字架的結(jié)構(gòu)型式和承載能力與起重機的基本參數(shù)、所采用的臂架及變幅機構(gòu)的型式緊密相關(guān)。它的安全穩(wěn)定直接關(guān)系到起重機的安全。人字架拉桿作為人字架中的主要受力部件，其結(jié)構(gòu)和承載能力直接影響起重機的基本參數(shù)，所以對人字架拉桿的有限元分析顯得非常重要。1 900 t/200 t 起重機臂架主要包括主臂、主臂變幅、副臂、人字架和副臂拉桿等結(jié)構(gòu)[2]，如圖1 所示。為滿足副臂的使用要求，提出新的方案圖并對其進行有限元分析。

圖1 臂架系統(tǒng)組成

1 建立人字架拉桿有限元模型

1.1 載荷計算

載荷狀態(tài)是設(shè)計和改造起重機的基本參數(shù)。通過它可以確定起重機的工作級別，指導(dǎo)起重機結(jié)構(gòu)和重要零部件的選擇[3]。由于實際情況下載荷復(fù)雜多變，因此只能通過理論計算加仿真以及試驗的方法來確定。對于人字架拉桿而言，起升載荷、自重載荷、回轉(zhuǎn)慣性載荷以及風(fēng)載荷會對人字架拉桿的設(shè)計起到指導(dǎo)性作用[4]。

起升載荷P'Q：

式中：φ2為起升動載系數(shù)；Q1為起升載荷，Q2為鋼絲繩載荷，Q3為吊鉤載荷。

式中：φ1為自重沖擊系數(shù)；G1為副臂自重；G2為副臂拉桿重量；G3為副臂人字架自重。

回轉(zhuǎn)慣性載荷包括自重回轉(zhuǎn)慣性載荷PHG和起重量回轉(zhuǎn)慣性載荷PHQ：

式中：φ5為載荷系數(shù)；a1為臂架重心處回轉(zhuǎn)加速度；a2為吊載重物回轉(zhuǎn)加速度。

工作狀態(tài)下，取計算風(fēng)速v=13.8 m·s-1。在臂架計算過程中，考慮風(fēng)載均布作用于臂架上，側(cè)向吹向臂架。它的充實率應(yīng)按實際面積除以輪廓面積得之。風(fēng)載荷包括起重量風(fēng)載PWQ和臂架風(fēng)載PWB：

式中：C為起重量或臂架的風(fēng)力系數(shù)，臂架的風(fēng)力系數(shù)取值1.2；p為計算風(fēng)壓；A為起重量或臂架的迎風(fēng)面積；η為擋風(fēng)折減系數(shù)。

1.2 材料屬性

①縱向參與拉伸應(yīng)力與自重載荷引起的縱向拉伸應(yīng)力的聯(lián)合作用，有：

式中：σG為結(jié)構(gòu)構(gòu)件縱向拉伸應(yīng)力，在有限元中計算副臂系統(tǒng)僅自重作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，提取板材上最大應(yīng)力代入計算得σG=81 N·mm-2-2；σS為板材屈服應(yīng)力；σb為板材抗拉應(yīng)力。

②構(gòu)件材料厚度的影響為：

式中：t為板材厚度。為保守考慮，以板材最大厚度代入計算。

③工作環(huán)境溫度的影響為：

式中：T為工作環(huán)境溫度。根據(jù)本機技術(shù)規(guī)格，取T=-10 ℃。

④綜合評價系數(shù)為：

總綜合評價系數(shù)大于4，應(yīng)選取鋼材質(zhì)量組別為3或以上的材料，故本機人字架拉桿材料選取Q500C。結(jié)合實際工況，取強度安全系數(shù)為1.34，拉桿板厚取16 mm 以下，以滿足規(guī)范要求[3]，以此得到拉桿鋼材的許用應(yīng)力為346 MPa。

有限元計算時使用的材料屬性見表1。

表1 材料屬性表

1.3 單元信息

結(jié)構(gòu)方案圖如圖2 所示，在ANSYS 軟件中進行靜力分析。按照設(shè)計結(jié)構(gòu)形式等效分析，有限元模型中采用下列單元類型Mass 21 和Shell 63。其中，每個Mass 21 單元都有6 個自由度，可以沿著X、Y、Z 方向上移動和繞X、Y、Z 方向轉(zhuǎn)動，且任何方向上都有不同的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量，故Mass 21 單元可以作為連接的點。例如，銷孔中心點與銷孔的連接，將Mass 21 點與板采用剛性連接。Shell 63 單元可以承受平面載荷和法向載荷，同時具有抗彎能力和膜力。每個節(jié)點同樣具有6 個自由度，所以拉桿板材采用Shell 63 單元建立。單元網(wǎng)格尺寸劃分為100～150 mm，如圖2 所示。

圖2 拉桿結(jié)構(gòu)方案圖

1.4 作業(yè)工況

本次計算結(jié)合實際情況考慮以下副臂吊載工況，結(jié)果如表2 所示。

表2 副臂吊載計算工況表

1.5 邊界條件

在副臂作業(yè)工況下，模擬銷軸連接的形式，對人字架拉桿和壓桿的根部鉸點、副臂根部鉸點均進行UX、UY、UZ 的位移約束及RX、RY 方向的旋轉(zhuǎn)約束。主臂變幅繩后絞點處施加UX、UY、UZ 的位移約束。載荷方面，施加方法與副臂的相同。對副臂所承受的起升載荷、起升繩載荷以集中力的形式施加在相應(yīng)位置。對副臂以及人字架所承受的風(fēng)載荷、回轉(zhuǎn)慣性載荷以加速度形式施加在人字架和副臂上。

計算中，載荷施加的方向均按照圖3 中的坐標(biāo)系統(tǒng)方向施加。

圖3 坐標(biāo)示意圖

全局坐標(biāo)系X 方向為臂架平面與水平面的交線指向吊重，Y 方向為水平面的垂線指向吊重，Z 方向為臂架平面的垂線指向起重機。按照以上所述，對起重機的臂架系統(tǒng)進行邊界約束后，得到的模型如圖4所示。

圖4 約束后模型

2 副臂作業(yè)工況下的人字架拉桿應(yīng)力分析

參考李聰、張亞鵬等人對起重機立柱分析對起重機人字架拉桿進行有限元分析，得出結(jié)論[5]。

2.1 工況1 計算結(jié)果分析

工況1 條件下，起重機副臂起質(zhì)量為265 t，是6個工況中的最大值，此時的主臂仰角約為79.87°，同樣是6 個工況中的最大仰角，是最危險工況。臂架整體有限元分析應(yīng)力云圖，如圖5 所示。

圖5 整體應(yīng)力云圖

人字架拉桿及箱型結(jié)構(gòu)應(yīng)力如圖6 所示。由圖6可知，人字架結(jié)構(gòu)板材的應(yīng)力普遍小于64 MPa，遠(yuǎn)小于鋼材的許用應(yīng)力，滿足要求。

圖6 人字架拉桿及箱型結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

2.2 工況3 計算結(jié)果分析

工況3 條件下，副臂起重力矩和起重量均達到最大值，同樣是最危險的工況。臂架整體有限云分析應(yīng)力云圖，如圖7 所示。

圖7 整體應(yīng)力云圖

在工況3 情況下，人字架結(jié)構(gòu)板材的普遍應(yīng)力為107 MPa 以下，如圖8 所示，滿足板材的許用要求。

圖8 人字架拉桿及箱型結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

2.3 工況5 計算結(jié)果分析

工況5 是拉桿受力的最大工況，是最危險的工況之一。分析提取各個工況副臂拉桿受力，得到最大拉桿力為6 105.4 kN，由此對拉桿結(jié)構(gòu)進行有限元分析。

拉桿整體分3 節(jié)。雖然3 節(jié)之間為銷軸連接，但考慮到實際結(jié)構(gòu)中可能出現(xiàn)的不利情況，有限元分析中對3 節(jié)之間的連接作剛性連接處理。拉桿一段模擬銷軸連接的形式施加相應(yīng)的約束，另一端施加拉桿力。拉桿的整體應(yīng)力云圖如圖9 所示，豎直方向變形云圖如圖10 所示，中間箱體局部應(yīng)力云圖如圖11所示。

圖9 拉桿整體應(yīng)力云圖

圖10 豎直方向變形云圖

圖11 中間箱體局部應(yīng)力云圖

可見，拉桿中間箱體在拉桿力和自重載荷作用下，上蓋板應(yīng)力為105.4 MPa，下蓋板應(yīng)力為154.8 MPa，均小于拉桿箱體板材許用應(yīng)力346.0 MPa，滿足要求。

2.4 其他工況結(jié)果匯總分析

從表3 可以看出，各工況下人字架拉桿的應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，滿足結(jié)構(gòu)的使用要求。

3 結(jié)語

本文通過對人字架拉桿進行危險工況下的有限元分析校核，得出此種人字架拉桿滿足1 900 t/200 t 起重機的使用要求，且整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性均滿足使用要求。