陳建1 鄔煥欣2 彭建軍1

1.四川長江工程起重機(jī)有限責(zé)任公司 四川瀘州 406000

2.四川大學(xué) 四川成都 610065

1 前言

汽車起重機(jī)的移動靈活性使得其在工程行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。汽車起重機(jī)主要由底架、旋轉(zhuǎn)支撐裝置、起重臂等組成。起重機(jī)工作時，底架上的載荷來自轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)支承約束反作用力。轉(zhuǎn)臺約束反作用力通過連接螺栓作用于回轉(zhuǎn)支承上架，經(jīng)回轉(zhuǎn)支承傳遞到回轉(zhuǎn)支承下架，再由回轉(zhuǎn)支承下架通過連接螺栓作用于底架。起重機(jī)底架關(guān)乎起重機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性，分析底架在特定工況下所受載荷，可以判定底架工作載荷是否超出材料許用應(yīng)力，避免工程事故發(fā)生[1-2]。

有限元法在求解問題上不受幾何外形的約束，求解的精度和速度可根據(jù)需要不受限制。郭建生、孫秋香等人使用有限元方法對起重機(jī)底架進(jìn)行分析得到較為理想的結(jié)果[3-4]。本文使用Ansys Workbench有限元軟件對起重機(jī)的靜強(qiáng)度進(jìn)行求解分析。

2 底架分析概況

2.1 底架結(jié)構(gòu)特點

如圖1所示，起重機(jī)底架前段安裝有駕駛室、離合器、發(fā)動機(jī)等，在起重機(jī)作業(yè)時底架前段不承受來自吊重的載荷。整個底架的中間部位為轉(zhuǎn)臺，承受回轉(zhuǎn)支承約束反力。底架的兩端為支腿結(jié)構(gòu)，支腿有固定與活動支腿兩種，固定支腿與底架結(jié)構(gòu)焊接為一體。

圖1 底架模型及附著物位置分布

2.2 底架材料參數(shù)

底架材料為HG785D，其機(jī)械性能為：抗拉強(qiáng)度σb=785 MPa，屈服點σs=685 MPa，許用應(yīng)力[σ]=417 MPa，安全系數(shù)為1.48。

底架材料力學(xué)參數(shù)為：彈性模量E=2.1×105N/mm2；泊松比μ=0.27；比重ρ=7.85×10-6kg/mm3；重力加速度g =9.8 m/s2。

2.3 底架載荷

底架上的載荷來自轉(zhuǎn)臺支承約束反力。轉(zhuǎn)臺約束反力通過螺栓作用于支承上架，經(jīng)回轉(zhuǎn)支承傳遞到支承下架，再由回轉(zhuǎn)支承下架通過螺栓作用于底架。求解底架載荷時，按螺栓分布位置添加載荷作用于轉(zhuǎn)臺，所得回轉(zhuǎn)支承約束反力作為底架載荷，但吊臂計算位置不同，受力最大螺栓位置相應(yīng)變化。

2.4 工況條件

筆者就實際工作中常使用到的小幅度重載(工況1)、常規(guī)使用情況（工況2）、大幅度輕載（工況3）這3種工況對起重機(jī)工作載荷進(jìn)行分析，如表1所示。其他工況由于應(yīng)用較少，本文暫不討論。合力作用于轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)中心，合力矩作用于起重機(jī)起升平面內(nèi)，繞過回轉(zhuǎn)中心水平軸，旋向為使吊臂下傾方向。吊臂位于底架不同方位時，對底架作用不同。

表1 底架的計算工況和載荷

本文就上述3種工況，分別對吊臂處于6個方位的底架靜強(qiáng)度進(jìn)行分析，6個方位分布情況如圖2所示，每個方位相隔45°，又由于底架結(jié)構(gòu)對稱，所以6個方位的選取涵蓋實際使用的吊臂位置。以汽車起重機(jī)整車前進(jìn)方向為底架前方，直角坐標(biāo)系以沿底架縱向指向后部為X軸正向，垂直底架平面指向上方為Y軸正向，Z軸正向按右手螺旋法則確定。

圖2 底架在ANSYS中的殼體模型及吊臂方位位置分布

3 模型建立

3.1 模型簡化

為保證結(jié)構(gòu)分析準(zhǔn)確，對主體結(jié)構(gòu)不做簡化，結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)不予考慮。為了更準(zhǔn)確地求得底架工作載荷和變形，在底架模型中增加了油缸結(jié)構(gòu)，模擬活動支腿支撐液壓缸對底架的作用及其變形。

3.2 單元選擇

底架基本構(gòu)件為典型薄殼結(jié)構(gòu)，故殼體SHELL93單元能很好地模擬其幾何和載荷特征。劃分單元后，有限元模型含58 894個殼單元，174 542個節(jié)點。

3.3 載荷與約束處理

3.3.1 等效載荷

底架載荷為作用于螺栓位置的集中力和繞過轉(zhuǎn)臺圓心的集中力矩。集中力平均分布于轉(zhuǎn)臺 7 2個安裝螺栓圓孔位置，垂直向下，即 -Y方向。集中力矩則處理為使吊臂向前傾覆的力偶，力偶的一對力作用于沿吊臂軸向方向在轉(zhuǎn)臺安裝圓心前、后端分別選出的 9個安裝螺栓圓孔處。前方力偶力向下，與集中力分量疊加；后方力偶力向上，與集中力相互抵消[5-7]。這種方式較好地等效了回轉(zhuǎn)支承下架對底架的作用，如圖3所示。

圖3 底架回轉(zhuǎn)支撐處載荷的施加

為確保仿真結(jié)果準(zhǔn)確性，計算考慮了車橋自重載荷、發(fā)動機(jī)質(zhì)量、液壓油缸質(zhì)量以及底架自身的重力。

3.3.2 約束條件

滑動支腿與底架連接采取節(jié)點耦合的方式，模擬滑動支腿與底架可以相對滑動并傳遞垂直載荷。在4個支撐液壓缸與地面接觸節(jié)點上添加X、Y、Z方向位移約束。

4 底架靜強(qiáng)度分析與結(jié)果

本文對3種計算工況6個方位組合情況的底架靜強(qiáng)度進(jìn)行分析，底架最大應(yīng)力結(jié)果如表2所示。從18種工況方位組合的分析比較得出，底架整體應(yīng)力較低，但吊臂位于方位2、方位3時應(yīng)力值較其他方位大，工況1下方位2、方位3和工況2下方位2、方位3、方位4以及工況3下方位3底架下底板尾部應(yīng)力值已超過底架材料許用應(yīng)力；工況2方位3時是底架最危險工況方位組合，此時下吊臂位于正側(cè)方。

表2 三種工況6個方位底架最大應(yīng)力表 單位：MPa

圖4為工況2方位3時底架Y方向變形。Y向最大形變位于吊臂起吊正側(cè)方，此時轉(zhuǎn)臺安裝面Y向最大變形量為45.66 mm。

圖4 工況2方位3底架整體Y方向位移云圖

圖5為工況2方位3工作時底架應(yīng)力云圖，圖6為應(yīng)力最大位置底架下底板尾部局部應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力值為460 MPa ， 此處應(yīng)力值已超過底架材料許用應(yīng)力417 MPa。經(jīng)分析得知，造成此處局部應(yīng)力較大的主要原因是底架下底板平面尺寸較大，且該板位于底架后固定支腿連接處，需承擔(dān)底架側(cè)向扭轉(zhuǎn)和彎曲載荷。

5 結(jié)語

起重機(jī)底架是起重機(jī)關(guān)鍵部件，有承擔(dān)負(fù)荷和運(yùn)輸?shù)囊?。底架質(zhì)量和性能直接影響起重機(jī)的工作性能，通過有限元分析得到：

a. 底架在不同工況不同方位的應(yīng)力和變形情況中，有6種危險工況方位組合，應(yīng)力值超過底架材料許用應(yīng)力。由于底架結(jié)構(gòu)對稱，3種工況和6個方位的組合基本可以覆蓋起重機(jī)實際使用全部情況。

圖5 工況2方位3底架整體應(yīng)力云圖

圖6 工況2方位3底架下底板尾部局部應(yīng)力云圖

b. 吊臂在方位1和方位5時應(yīng)力值較小，建議起重機(jī)駕駛員在實際起吊時最好選擇吊臂位于正前方和正后方，盡量避免吊臂位于正側(cè)方。

c. 分析表明，吊臂位于方位2、方位3時底架應(yīng)力值較其他方位大，底架承受縱向載荷的能力強(qiáng)于承受橫向載荷。后續(xù)改進(jìn)設(shè)計中，增強(qiáng)底架承受橫向載荷的能力是需要重點考慮的。建議后期優(yōu)化時采用加大底架下底板板厚或針對應(yīng)力最大位置處結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，設(shè)置加強(qiáng)筋，并調(diào)整部分板厚，到達(dá)減重目的。