李紅昌

（西安特種設備檢驗檢測院 陜西 西安 710065）

引言

交通基礎設施包括一般公路交通設施、高速公路交通設施，市政道路交通設施，軌道交通設施、停車場設施等。塔式起重機因操作簡便，工作效率高，廣泛應用于交通基礎設施建設中。起重臂是塔式起重機的重要組成部分，也是其主要的受力部件之一。作為塔式起重機起重臂的重要組成部分，銷軸連接接頭的設計對于起重臂的工裝、制作工藝、材料成本、工時損耗、安全性和起重性能等都有不同程度的影響。因此，對銷軸連接接頭的設計進行探討很有必要[1]。傳統(tǒng)的銷軸連接結構主要有耳板開槽和鋼管開槽，但這2種結構各有利弊。胡婷等人[2]設計了一種新型連接接頭，即耳板和鋼管同時開槽，然后通過焊接聯(lián)接。分析指出，該新型結構優(yōu)于傳統(tǒng)的2種結構，但開槽截面所在的位置與該新型結構應力之間的關系并沒有說明。本文針對該新型結構，通過有限元分析，找出開槽截面的位置對該新型結構受力的影響，從而對該新型結構進行優(yōu)化。

1 銷軸連接接頭受力分析

圖1為某型號塔式起重機結構。在進行受力分析之前，需先給定一些假設條件：

1）忽略風載、偏載、溫度等對塔機的影響；

2）組成起重臂的各段結構相同，且每段連接處的銷軸結構相同；

3）當塔機達到最大起重量時，離塔基最近段銷軸結構所受拉力最大，假設銷軸處的受力為一水平的集中力F[3-4]。

圖1 塔式起重機結構圖

為了方便地計算起重臂上銷軸連接接頭受到的最大拉力，對起重臂結構進行簡化，簡化后的結構如圖2所示。

圖2 起重臂結構簡化圖

設起重機起重臂的自重為G，N；重心位置距O點的距離為Lg，m；最大起重量為H，N；最大起重時吊鉤位置距O點的距離為Lh，m；銷軸處受到的力為F，N；起重臂高度為Lf，m。在塔機的中性平面內(nèi)，將受力情況進行簡化，以求取塔機銷軸連接接頭的受力大小?？筛鶕?jù)桁架和回轉(zhuǎn)平臺連接處O點的力矩平衡方程進行求解：

將起重機的參數(shù)代入力矩方程式（1），可計算出銷軸聯(lián)接接頭處所受的最大拉力[5]。

2 有限元模型

2.1 結構分析

圖1所示的塔式起重機的銷軸連接頭結構如圖3所示。該結構是在耳板處開一個矩形槽，矩形槽長度至A-A截面處。同時，鋼管與耳板連接的一端也開槽至A-A截面。A-A截面是耳板矩形槽的底面與鋼管矩形槽底面相接觸的位置，通過焊接將兩者聯(lián)接成一體。選擇A-A截面作為研究對象，是因為對于聯(lián)接接頭這一整體，A-A截面所處位置是應力集中最大的位置，也是該結構中最薄弱的位置，A-A截面的可靠性代表了塔機聯(lián)接接頭的可靠性，只要保證了A-A截面這一最危險位置的可靠性，也就保證了該結構其他位置的可靠性。

圖3 銷軸接頭結構

本文主要研究A-A截面的相對位置對構件受力的影響，故將A-A截面距耳板末端的距離分別設為 40、120、200、280、360mm，具體尺寸如圖 4 所示。

圖4 A-A截面相對位置示意圖

為了便于區(qū)分，將A-A截面不同相對位置的結構依次命名為A、B、C、D、E結構。這5種結構除A-A截面的相對位置不同外，其余結構尺寸相同。

2.2 有限元模型建立

塔式起重機起重臂銷軸連接接頭的材料為Q690高強度焊接結構鋼，該材料的力學性能見表1。

鋼管與耳板處為焊接結構，在實際建模中，焊縫處均按連續(xù)處理，其材料特性與母材一致。同時，為了減少有限元計算量，在不影響計算結果的情況下，對模型進行必要的簡化，如去掉倒角、相切形成的小角等。焊縫處通過填補材料的方法進行模擬。為了便于后續(xù)網(wǎng)格的劃分，在建模過程中，將耳板和鋼管進行必要的切分，然后通過glue的方法進行粘貼。耳板和鋼管均采用solid186單元模擬。為了便于后面讀取特定點的應力，網(wǎng)格劃分采取sweep劃分法，尺寸控制在10mm。在一些可能出現(xiàn)較大應力的位置，對網(wǎng)格進行細化處理[6]。其中C結構的有限元模型如圖5所示。

在求解時，為保證計算結果的可靠性，載荷F以集中力的形式加載在銷孔的同一位置，其值為7680 kN，并對鋼管底端進行全約束后再求解。

圖6 C結構應力云圖

圖7 鋼管應力云圖

圖8 耳板應力云圖

圖9 耳板取點示意圖

3 結果分析

圖6為C結構應力云圖、圖7為鋼管應力云圖、圖8為耳板應力云圖。從圖6、圖7、圖8可以觀察到，忽略應力集中的影響，在鋼管與耳板焊接處應力較大。

為了研究A-A截面對耳板和鋼管焊接結構的影響，在有限元模型中選取A-A截面所在處的3、4、5、6、7等5個節(jié)點，同時選取鋼管與耳板焊接前端的2個節(jié)點1、2，如圖9所示。為了減小應力集中對結果的影響，這7個點都是距焊縫位置10mm內(nèi)的點。

同時，為了研究A-A截面對鋼管的影響，在鋼管A-A截面處避開應力集中的位置選取8號點，如圖10所示。

在有限元模型中，分別對 A、B、C、D、E 等 5種結構相同位置讀取耳板上7個節(jié)點和鋼管A-A截面上1個節(jié)點的應力，結果如圖11~圖13所示。

1）對耳板進行分析。從圖 11 可以看出，1、5、7 等3點處的應力隨著耳板A-A截面相對位置的增大呈增加的趨勢；從圖12可以看出，在A-A截面的相對位置大于200mm時，2、3、4、6等4點處的應力呈明顯增加的趨勢；在A-A截面的相對位置小于200mm時，這4點處的應力呈先下降后增加的趨勢。因此，當A-A截面的相對位置在40~200mm之間時，這種結構形式的耳板既可減輕起重臂的質(zhì)量，又可減小制造成本，同時還可補償鋼管最危險截面的缺陷，充分發(fā)揮鋼管的承載能力，提高整機性能。

2）對鋼管大應力點進行分析。8號點的應力結果如圖13所示，從圖13可以看出，隨著A-A截面相對位置的增大，鋼管上8號點處的應力呈先減小后增大的趨勢，且在A-A截面的相對位置為120~200mm范圍內(nèi)達到最小值。

綜上所述，當A-A截面的相對位置為120~200mm時，各點的應力都相對較小，結構受力比較均勻，銷軸聯(lián)接接頭結構更加合理。

圖10 鋼管取點示意圖

圖11 1、5、7點處的應力變化曲線

圖 12 2、3、4、6 點處的應力變化曲線

圖13 8號點處的應力變化曲線

4 結論

通過有限元分析可知：

1）在耳板相同位置處，當A-A截面的相對位置逐漸增大時，耳板的應力呈遞增和先減小后增加等2種趨勢。鋼管危險截面處的應力呈先減小后增加的趨勢。

2）采用耳板A-A截面的相對位置在120~200mm之間的銷軸聯(lián)接接頭的結構，耳板與鋼管所承受的應力都比較小，結構受力更加合理。

3）本文所采用的銷軸聯(lián)接接頭結構承載能力強、安全可靠，適用于大幅度、大起重量的塔式起重機。

1 郭勇.塔式起重臂接頭的兩種設計方法[J].建設機械技術與管理，2004，15（4）：18-19

2 胡婷，李太周.平臺塔式起重機起重臂新型接頭結構分析[J].起重運輸機械，2016（11）：53-56

3 史海紅，孟慶琳，范開英.起重機械銷軸的設計計算方法探討[J].建筑機械化，2013（9）：58-61

4 劉毅.平頭塔式起重機起重臂結構強度計算的研究[D].長春:吉林大學，2014

5 張質(zhì)文，王金諾，程文明，等.起重機設計手冊（第二版）[M].北京：中國鐵道出版社，2013

6 陳精一.ANSYS工程分析實例教程[M].北京：中國鐵道出版社，2007