申奇志，黃新霞，何志華，郭云峰

（1. 湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，湖南 長沙 410012；2. 三一汽車制造有限公司，湖南 長沙 410000；3. 上汽大眾汽車有限公司長沙分公司，湖南 長沙 410132）

回轉(zhuǎn)總成是塔機中的關(guān)鍵部件。工作時，上裝載荷通過回轉(zhuǎn)總成傳遞至塔身。某公司QTZ160塔機在使用過程中出現(xiàn)了因剛度不夠引起回轉(zhuǎn)不平穩(wěn)、回轉(zhuǎn)異響的現(xiàn)象。從該公司提供的計算依據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，為了簡化計算，該公司忽略了回轉(zhuǎn)支承對回轉(zhuǎn)總成的剛度影響，將回轉(zhuǎn)總成上、下支座分別單獨計算。按此計算結(jié)果，回轉(zhuǎn)總成上支座座圈無變形，下支座座圈最大變形量為1.205mm，回轉(zhuǎn)總成最大變形量在上支座耳板處，為1.569mm，在允許值范圍內(nèi)。本文將該起重機回轉(zhuǎn)總成做為一個整體構(gòu)件建立非線性有限元模型進行計算，得出塔機實際工作時結(jié)構(gòu)各處的應力應變，尤其上下支座座圈處的應力應變，從而為改進設(shè)計提供了計算依據(jù)。

1 回轉(zhuǎn)總成受力分析

回轉(zhuǎn)總成由回轉(zhuǎn)上支座、回轉(zhuǎn)支承及回轉(zhuǎn)下支座組成?；剞D(zhuǎn)總成的上、下支座均由座圈、圓形封板、圍板、筋板、支座等鋼板拼焊而成，材質(zhì)為Q345B。工作中，回轉(zhuǎn)總成主要承受塔帽、平衡臂、配重、起重臂等上裝的自重載荷，吊重載荷、風載荷、相應載荷產(chǎn)生的彎矩和因運動產(chǎn)生的慣性載荷及沖擊載荷等，如圖1所示。

圖1 回轉(zhuǎn)總成及載荷示意圖

2 回轉(zhuǎn)總成的計算工況及載荷確定

根據(jù)GB/T13752-2017《塔式起重機設(shè)計規(guī)范》，考慮塔機的安裝及工作情況，回轉(zhuǎn)總成的載荷組合，通常選用有風工作工況載荷組合B進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，按暴風侵襲的非工作工況載荷組合C進行結(jié)構(gòu)校核。

根據(jù)QTZ160塔機各部件的實際結(jié)構(gòu)，按照GB/T13752-2017《塔式起重機設(shè)計規(guī)范》求出各部件風載，并對各部件自重載荷以及工況吊重載荷進行組合。通過各工況進行對比得出兩種危險工況，其對應載荷如表1所示。

表1 各工況載荷

3 回轉(zhuǎn)總成的有限元計算

在ProE中建立三維模型后導入Workbench進行計算，采用Solid185實體單元建模。計算前對模型進行簡化，剔除平臺、平臺連接板、限位器連接板、線座等非主要受力構(gòu)件，結(jié)構(gòu)焊接部位按焊腳高填滿焊縫處理。結(jié)構(gòu)件主要材料為Q345B，材料密度為7.85×10-6kg/mm3，彈性模量E=2.1×105MPa，泊松比為0.3。根據(jù)GB/T13752-2017《塔式起重機設(shè)計規(guī)范》載荷組合B選擇安全系數(shù)為1.34。

3.1 網(wǎng)格劃分

采用六面體對模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小為20mm，局部如耳板、上下支座座圈等加密，網(wǎng)格模型如圖2所示。節(jié)點689157個，單元174566個。

圖2 回轉(zhuǎn)總成網(wǎng)格模型

3.2 邊界條件及接觸類型的確定

上下支座與回轉(zhuǎn)支承之間采用M24高強度螺栓組進行連接，通過螺栓組預緊力矩產(chǎn)生的摩擦力來克服回轉(zhuǎn)總成承受的水平力，防止出現(xiàn)水平移動。螺栓連接簡化后設(shè)定為綁定接觸對，將上下支座與回轉(zhuǎn)支承之間的接觸類型設(shè)置為摩擦接觸。上下支座與回轉(zhuǎn)支承接觸面表面粗糙度一般要求達到3.2，根據(jù)機械設(shè)計手冊中常用材料摩擦因數(shù)表選擇摩擦接觸的摩擦系數(shù)為0.15。

回轉(zhuǎn)支承由內(nèi)外圈及滾動體組成，承受軸向力、水平力及傾覆力矩。因回轉(zhuǎn)支承剛性遠大于上下支座，故將回轉(zhuǎn)支承簡化為繞軸線轉(zhuǎn)動的內(nèi)外圈。設(shè)置內(nèi)外圈之間的接觸類型為摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.15?；剞D(zhuǎn)總成下支座采用銷軸與塔身相連，因此在下支座8個銷軸孔中施加圓柱支撐并釋放切向約束。各載荷施加在上支座連接耳板孔內(nèi)，施加遠程載荷。

4 結(jié)果分析

通過設(shè)置接觸對對回轉(zhuǎn)總成整體進行分析，計算起重臂與塔身夾角0°及45°兩種危險工況。兩種工況下的應變和應力云圖如圖3、圖4所示。

可以發(fā)現(xiàn)，模型最大變形量發(fā)生在起重臂與塔身夾角0°時，上支座受載耳板處變形量為3.896mm，上支座座圈處變形量為1.89mm，下支座座圈處變形量為0.875mm，見表2。

圖3 0°工況應變和應力云圖

圖4 45°工況應變和應力云圖

表2 整體模型計算結(jié)果

對比簡化計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，將回轉(zhuǎn)總成按照整體構(gòu)件計算，上支座受載耳板處變形量為3.896mm，大于簡化計算的1.569mm。座圈的變形量會影響回轉(zhuǎn)總成的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，也是回轉(zhuǎn)作業(yè)時產(chǎn)生異響的主要原因。根據(jù)計算結(jié)果，對上支座座圈處材料和尺寸進行更改和優(yōu)化，可以提高回轉(zhuǎn)總成的穩(wěn)定性，消除回轉(zhuǎn)異響。本例中將原上支座座圈厚度16mm更改為20mm。經(jīng)計算，得出如圖5所示的應力和應變云圖，此時上支座座圈處最大變形量為0.82mm，滿足要求。經(jīng)現(xiàn)場使用，未再出現(xiàn)回轉(zhuǎn)抖動和回轉(zhuǎn)異響現(xiàn)象。

圖5 優(yōu)化后應變和應力云圖

5 結(jié)束語

在塔機回轉(zhuǎn)總成校核計算時，對回轉(zhuǎn)總成建立非線性有限元模型，比對上、下支座單獨分開進行線性分析得到的結(jié)果與塔機實際工作情況更相符，因此該計算方法在塔機結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中具有參考價值。