孫小軍 王艷輝 崔 哲 李善輝

1.徐州徐工隨車起重機有限公司 江蘇徐州 221000; 2.燕山大學機械工程學院 河北秦皇島 066000

隨著國家對交通建設(shè)投入的逐年增大,我國橋梁數(shù)量迅速增加［1］。但由于橋梁長期處于工作狀態(tài),會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)老化以及產(chǎn)生疲勞裂紋［2］。因此,需要定期對橋梁進行檢測與維護,這就需要橋梁檢測車來完成。

伸縮臂是橋梁檢測車的執(zhí)行機構(gòu),除受自身重力外,還承受外加載荷,其設(shè)計的合理與否直接影響整機的穩(wěn)定性和安全性［3-4］。因此,在滿足基本臂、伸縮臂大剛度和強度的需求前提下,最大限度降低伸縮臂質(zhì)量是桁架橋梁檢測車設(shè)計生產(chǎn)急需解決的重要問題。

為此,建立了8種典型伸縮臂方案有限元模型,運用ANSYS軟件進行有限元分析,對該8種方案的最大等效應(yīng)力、最大位移和質(zhì)量進行比較,以確定伸縮臂結(jié)構(gòu)最優(yōu)方案。

1 伸縮臂有限元分析

1.1 伸縮臂結(jié)構(gòu)介紹

某型號桁架式橋梁檢測車,其結(jié)構(gòu)主要包括底盤、轉(zhuǎn)臺、主臂、連接架、垂直臂、二回轉(zhuǎn)、基本臂及伸縮臂等,如圖1所示。

圖1 桁架式橋梁檢測車結(jié)構(gòu)示意圖

工作平臺包括基本臂與伸縮臂,伸縮臂通過滑塊和滑道與基本臂連接,通過拖鏈驅(qū)動完成伸縮臂的伸縮動作。由于桁架結(jié)構(gòu)具有輕盈、跨度范圍大等優(yōu)點,所以伸縮臂采用桁架結(jié)構(gòu)。桁架伸縮臂結(jié)構(gòu)設(shè)計方案非常豐富,其中比較典型的8種結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖2 8種伸縮臂結(jié)構(gòu)設(shè)計方案示意圖

1.2 伸縮臂有限元分析模型

為保證伸縮臂計算的準確性,選取上車結(jié)構(gòu)作為整體進行有限元分析。分析工況為橋梁檢測車工作時最危險工況,即主臂變幅30°,二回轉(zhuǎn)變幅60°,伸縮臂伸出5600mm,基本臂和伸縮臂施加600kg均布載荷。結(jié)構(gòu)件均采用solid186單元。伸縮臂有限元分析模型如圖3 所示。

圖3 伸縮臂分析整機有限元模型

該橋梁檢測車轉(zhuǎn)臺、主臂、連接架的材料均選用碳素結(jié)構(gòu)鋼Q690,垂直臂和二回轉(zhuǎn)的材料均選用碳素結(jié)構(gòu)鋼Q550,基本臂和伸縮臂的材料均選用7005鋁管,取結(jié)構(gòu)件安全系數(shù)n=2.75。各部件材料屬性如表1所示。

2 有限元分析結(jié)果

該型號橋梁檢測車在最危險工況下方案d整機位移分析結(jié)果如圖4所示。其中伸縮臂臂頭最大位移為354mm。

表1 材料性能參數(shù)

圖4 方案d整機位移云圖

方案d伸縮臂等效應(yīng)力如圖5所示。

圖5 方案d伸縮臂等效應(yīng)力云圖

由圖5可以看出,方案d最大等效應(yīng)力位于基本臂滑塊與伸縮臂接觸的地方,通過其他方案的計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)伸縮臂最大應(yīng)力均位于此處。

該型號桁架式橋梁檢測車伸縮臂8種方案計算結(jié)果如表2所示。

從表2可見,該型號桁架式橋梁檢測車8種方案伸縮臂臂頭最大位移位于354～372mm之間,其中方案c和方案d位移最小。從最大應(yīng)力計算結(jié)果可以看出,較好方案有方案f、b和d。通過對比該8種方案的質(zhì)量,可見方案c和方案d的質(zhì)量最小。

基于以上對某型號桁架式橋梁檢測車8種方案伸縮臂計算結(jié)果進行比較,綜合考慮最大位移、最大應(yīng)力以及質(zhì)量這3種因素,發(fā)現(xiàn)方案c和d最大位移最小且質(zhì)量幾乎一樣,但方案d最大應(yīng)力相對于方案c減小15.8%。方案f雖最大應(yīng)力較d小,然而方案d剛度優(yōu)于方案f,且方案d質(zhì)量相對于方案f質(zhì)量減輕10.1%。因此,選取方案d為桁架式橋梁檢測車伸縮臂的最優(yōu)方案。

表2 8種方案計算結(jié)果

3 結(jié)論

通過ANSYS軟件提供的APDL參數(shù)化建模語言,建立了某型號橋梁檢測車伸縮臂8種不同方案有限元分析模型,并進行了分析。綜合比較了不同方案的位移、等效應(yīng)力和伸縮臂質(zhì)量,最終選擇了最優(yōu)設(shè)計方案d。