履帶起重機(jī)桅桿結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析

陳宇，鄧子龍，鄭世博

（1.遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧撫順113001;2.遼河裝備集團(tuán)有限公司鉆機(jī)成套中心，遼寧盤錦 134020）

隨著吊裝行業(yè)的不斷發(fā)展，履帶式起重機(jī)向大型化、復(fù)雜化發(fā)展，要求強(qiáng)度越來越高，對設(shè)計的方法和手段提出了更高的要求［1］。履帶式起重機(jī)桅桿是臂架拉板和變幅卷揚(yáng)鋼繩之間的支撐聯(lián)接部件。起重機(jī)作業(yè)前，臂架需要在地面組裝好，然后通過變幅系統(tǒng)將臂架起臂到工作角度。目前，在我國履帶起重機(jī)桅桿設(shè)計中只對正常作業(yè)工況下的桅桿結(jié)構(gòu)做了受力分析，忽略了非作業(yè)工況下桅桿的設(shè)計要求。由于桅桿結(jié)構(gòu)起升的特殊性，使得桅桿結(jié)構(gòu)往往因局部受力強(qiáng)度過大而出現(xiàn)彎曲或損壞的現(xiàn)象［2-3］。對于履帶起重機(jī)桅桿設(shè)計問題的分析尚缺少有效的方法，很少有文獻(xiàn)發(fā)表。

本文針對桅桿起升機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，不僅可以得到在作業(yè)工況和非作業(yè)工況下其結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分布規(guī)律和變形情況，找出結(jié)構(gòu)中應(yīng)力值較大的關(guān)鍵點(diǎn)，檢驗結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，還能進(jìn)一步了解各種載荷對桅桿結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的影響，為桅桿起升機(jī)構(gòu)的設(shè)計提供依據(jù)。

1 履帶起重機(jī)桅桿結(jié)構(gòu)的建模

運(yùn)用Solidworks軟件對履帶起重機(jī)桅桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維實體建模，運(yùn)用ANSYS與Solidworks的專用接口將桅桿的三維實體模型導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS中形成履帶起重機(jī)桅桿的有限元模型［4］。

1.1 履帶起重機(jī)桅桿結(jié)構(gòu)的三維實體建模

應(yīng)用Solidworks軟件將桅桿結(jié)構(gòu)的二維圖形轉(zhuǎn)化為三維實體模型是本課題的第一步工作。根據(jù)現(xiàn)有的某型號履帶起重機(jī)桅桿的二維圖樣、圖片和相關(guān)技術(shù)資料，首先確定了桅桿各個部分的結(jié)構(gòu)尺寸，然后在Solidworks中應(yīng)用曲面建模的方式建立桅桿的三維實體模型，生成在Solidworks軟件下的Part文件［5-6］。論文所研究的履帶起重機(jī)桅桿結(jié)構(gòu)主要是由薄壁板焊接而成的箱型門字形框架結(jié)構(gòu)。

1.2 履帶起重機(jī)桅桿結(jié)構(gòu)的有限元模型建模

ANSYS與Solidworks有專用接口，先將Solidworks的Part文件儲存為 *.x_t的格式，然后在ANSYS內(nèi)，應(yīng)用Import命令，即可導(dǎo)入桅桿的Solidworks模型。由于桅桿焊縫的強(qiáng)度與桅桿鋼板鋼材基本一致，將鋼板與鋼板之間的焊縫看成是一體，選取相同的材料屬性。建立桅桿結(jié)構(gòu)的有限元模型關(guān)鍵是選擇合適的單元。本文選用主要材料參數(shù)如表1所示。網(wǎng)格劃分采用總體單元尺寸控制，桅桿約劃分為15 669個單元。根據(jù)板的不同厚度尺寸，桅桿結(jié)構(gòu)的殼單元共有5種厚度，如圖1所示為桅桿有限元模型［7-8］。

表1 主要材料參數(shù)

圖1 桅桿有限元模型

2 桅桿的性能特性及結(jié)果分析

運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對桅桿進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，主要進(jìn)行最大吊重作業(yè)工況、起臂非作業(yè)工況和桅桿自起非作業(yè)工況分析。強(qiáng)度是金屬材料在外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力，是評價履帶起重機(jī)桅桿結(jié)構(gòu)性能的重要指標(biāo)之一。滿足強(qiáng)度要求是履帶起重機(jī)桅桿結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要目標(biāo)之一。本文將計算分析以上幾種工況下的桅桿整體彎曲強(qiáng)度，并通過計算結(jié)果來分析桅桿結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。

2.1 邊界約束及載荷處理

在最大吊重作業(yè)工況和起臂非作業(yè)工況下的邊界約束相同，都為桅桿轉(zhuǎn)動軸位置的節(jié)點(diǎn)位移為零。分別計算了在以上兩種工況下的桅桿彎曲應(yīng)力分布，由于桅桿自身重力相對鋼絲繩拉力較小，所以在此情況下計算將重力忽略。在變幅滑輪組14個滑輪中心位置處取14個力的作用點(diǎn)，如圖2所示，觀察桅桿結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況;然后通過ANSYS軟件計算整體彎曲情況。

圖2 最大吊重和起臂工況約束點(diǎn)位置圖

在桅桿自起非作業(yè)工況下，桅桿受力最大情況發(fā)生在桅桿旋轉(zhuǎn)到45°時，本文對這種情況進(jìn)行了分析。在桅桿受力最大時由于油缸處于溢流狀態(tài)，所以邊界約束為桅桿轉(zhuǎn)動軸軸心位置和滑輪組中心的節(jié)點(diǎn)位移為零。加載點(diǎn)有以下幾個:桅桿的重心點(diǎn)、與油缸連接處和托架與桅桿的接觸面。觀察桅桿結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況;然后通過ANSYS軟件計算整體彎曲情況，如圖3所示。

圖3 自起工況約束點(diǎn)位置圖

2.2 應(yīng)力計算結(jié)果及分析

最大吊重作業(yè)工況和起臂非作業(yè)工況下，均布載荷的應(yīng)力分布如圖4（a）、圖4（b）所示。從圖4（a）、圖4（b）中可以看出在這兩種工況下應(yīng)力的分布基本一致，這說明雖然工況不同并沒有改變桅桿的整體應(yīng)力分布。圖4（a）中桅桿所受到的最大應(yīng)力值為174 MPa，出現(xiàn)在桅桿根部;最大位移出現(xiàn)在格架橫梁處，位移值為2.002 mm;桅桿上端滑輪組受到的應(yīng)力較小。圖4（b）中桅桿所受到的最大應(yīng)力值為469 MPa，最大位移值為5.403 mm，上端滑輪組受到的應(yīng)力較小。縱觀最大吊重作業(yè)工況下桅桿的應(yīng)力云圖，最小安全系數(shù)達(dá)到了1.46，桅桿強(qiáng)度足夠，有較大的余量。

如圖5所示為履帶起重機(jī)桅桿自起非作業(yè)工況下的等效應(yīng)力云圖。從圖5中可以看出，桅桿結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力大部分在123 MPa以下，其最大值為368 MPa，在桅桿材料的屈服極限應(yīng)力值（σ=567 MPa）以下;應(yīng)力值相對較大的危險點(diǎn)處于托架處，最大位移值為0.44 98 m，主要原因是由于變幅鋼絲繩拉力增大而使油缸頂升力瞬間增大。縱觀桅桿自起非作業(yè)工況下桅桿的應(yīng)力云圖，與設(shè)計準(zhǔn)則中的桅桿結(jié)構(gòu)自起非作業(yè)工況位移的參考值（YL≤L2c×10－5=0.1 m）相比［9］，均處于合格范圍內(nèi)，并且具有較大的裕量，可供優(yōu)化設(shè)計時降低制造成本使用。

圖5 自起工況應(yīng)力分布圖

3 結(jié)論

通過以上計算與分析，可以得到以下結(jié)論:

1）在保證安全條件的前提下，桅桿根部梯形面可以改成矩形面從而增加抗彎模量。

2）桅桿與油缸連接處可以選用球鉸接結(jié)構(gòu)，球鉸接結(jié)構(gòu)可以減小偏載。

3）桅桿結(jié)構(gòu)的整體彎曲強(qiáng)度、局部彎曲強(qiáng)度均符合要求，可以通過合理的改進(jìn)措施將其結(jié)構(gòu)和選材確定在合理的范圍內(nèi)。

4）桅桿結(jié)構(gòu)有限元模型建立、分析方法能使設(shè)計者在產(chǎn)品的設(shè)計階段就可以評估未來系統(tǒng)的性能特性，從而為履帶式起重機(jī)桅桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計及優(yōu)化提供了一個理論分析依據(jù)。

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