基于有限元的混凝土泵車轉臺結構研究與應用

摘 要：應用有限元分析方法，采用三維實體模型，詳細分析了混凝土泵車轉臺結構。通過有限元計算結果，得到各因素對應力分布的影響規律，并對轉臺結構進行優化，對轉臺結構設計具有指導意義。

關鍵詞：轉臺 結構 因素 優化

中圖分類號：TU646文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2013）04（c）-0010-04

混凝土泵車轉臺是由高強度鋼板焊接而成的結構件。作為臂架的基座，轉臺上部用臂架連接套與臂架鉸接，下部用高強度螺栓與回轉支承相連。轉臺工作時主要承受臂架載荷，同時可隨臂架一起在水平面內旋轉。因此轉臺不僅結構復雜，而且工況繁多，如果轉臺結構設計不合理，不僅會出現開裂等故障，還會導致與回轉支承連接的螺栓故障。

通過有限元分析，該文對目前主流生產的單立板結構轉臺進行了系統的研究，找出了影響轉臺結構應力分布的規律，同時對某車型轉臺進行了改進優化以降低重量，滿足企業生產需要。

1 轉臺結構各因素有限元分析

1.1 有限元計算模型

由于混凝土泵車工作時工況繁多，如果分析所有泵車運行工況，不僅不經濟，而且也沒有必要。因此本文只取轉臺工作最惡劣工況，即臂架全部水平展開狀態，考慮臂架振動系數1.3。根據力學知識及分析經驗，整個分析模型中固定轉塔、回轉支承取簡易模型，臂架載荷用遠程質量載荷代替，螺栓用虛擬螺栓連接。轉臺為焊接件，考慮到焊材與母材力學性能相近且焊透，故焊縫均不特別建模，整個分析采用實體高階單元進行。

1.2 載荷及邊界條件

為了保證結果的可比較性，在所有分析中確定：臂架載荷保證一致，10×14=140t·m；螺栓大小一致，M27螺栓；螺栓預緊力矩一致，1000N·m；轉臺與臂架、回轉支承接口尺寸保持一致；單元網格尺寸保持一致（圖1）。

1.3 分析工況說明

為了深入研究轉臺各因素對結構應力分布的影響，需要較詳細的討論各相關因素。本文分析中保持轉臺各接口尺寸不變，依次改變表1中各參數。

2 轉臺各工況應力結果

工況一、改變前、后仰角（α）結果分析

由于目前轉臺有偏心與不偏心結構，為了探討偏心結構對轉臺應力的影響，本文首先按表1中各角度進行了分析，得到5種不同角度下轉臺應力及螺栓軸心力最大值，見表2。

轉臺拉、壓應力分布示意圖見下圖3（后同）。通過分析可以發現，在此5種不同角度中，轉臺后封板焊縫上最大拉應力以垂直（90°）為好（應力分布云圖見圖4），而后仰（大偏心）結構為最差，且隨仰角（偏心量）增大，受力也隨之更惡劣，但螺栓力以前傾結構為最好。為了避免轉臺后封板處開裂，因此在設計時應盡量避免將轉臺設計為此類大偏心結構。本文后續分析中采用90 °結構進行。

由于整個轉臺是以底板為基座焊接而成的盒狀結構，且回轉支承安裝對轉臺底板也有一定的剛度要求，因此本文工況二探討了底板不同厚度對起結構受力的影響。分析按照表1中5種不同厚度進行，得到各應力最大值見表3。

由分析結果可見：當底板厚度（δ）增大時，轉臺各應力整體隨底板厚度的增加呈下降趨勢，即理論上轉臺底板越厚越好。但底板厚度增加，轉臺重量隨之增加，不利于制造成本控制，因此底板厚度可根據實際需要取一合適值即可，故本文后續分析中采用30 mm底板結構（應力分布云圖見圖5），此外還可以只對底板部分區域進行加厚。

工況三、改立板厚度（t1）結果分析

因混凝土泵車臂架通過軸套與轉臺立板鉸接，臂架的傾覆力矩等載荷通過立板傳遞至底板上，因此本工況研究了不同立板厚度下轉臺結構的應力分布。分析按照表1中5種不同厚度進行，得到各應力最大值見表4。

由分析結果可以發現：隨著此結構轉臺立板厚度（t1）的增加，轉臺各應力大體上呈下降趨勢，尤其是油缸座附近的壓應力下降較明顯，但對于改善后封板焊縫上的拉應力效果卻不是很明顯，因此本文后續分析采用15mm厚立板（應力云圖見圖6）進行。此結果表明：通過增厚立板來改善轉臺拉應力是不可取的，但可在油缸座局部增厚來降低壓應力。

工況四、改后封板厚度（t2）結果分析

目前轉臺后封板主流結構為大圓弧，從左、右兩邊向前延伸以改善轉臺后部拉應力。在此，本文研究了不同板厚情況下轉臺結構的應力分布。分析按照表1中5種不同板厚進行，得到轉臺各最大應力值見表5。

計算發現當后封板厚度增加時，轉臺拉應力及螺栓軸心力隨之改善，但壓應力有可能反而增大，這是因為后封板厚度增加到一定時，轉臺后部剛性相對增強，前部剛性相對減弱所致。通過對比分析可知：板厚由6 mm增厚到15 mm，增加150%，而拉應力只改善29%，故后封板增加到一定程度即可，否則導致重量、成本增加太多。因此本文后續分析采用8 mm厚后封板（應力云圖見圖7）進行工況五、改左、右封板高度（h1）結果分析作為轉臺的輔助結構，左、右封板主要用來支撐立板，避免立板側向剛度不足。但有時候如果此類封板布置過高，當臂架收攏后有可能會發生干涉現象，因此本文研究了不同封板高度下轉臺結構的受力狀態。分析按照表1中5種不同高度進行，得到轉臺各最大應力值見表6。

通過對比發現：當轉臺左、右封板高度由300 mm增加至500 mm時，轉臺各最大應力、螺栓最大軸心力等等變化很小。可見轉臺左、右封板結構的主要作用并不是用于改善轉臺的應力，而是用來提高轉臺的剛度。因此本文后續分析采用350 mm高度左、右封板（應力云圖見圖8）進行工況六、改左、右封板厚度（t3）結果分析由工況5的分析結果可知左、右封板結構主要用于改善轉臺剛度，故出于可靠性考慮一般情況下還是要保留此結構，同時為了減重需要，板厚需要控制的在一定厚度。因此本工況主要探討了一下不同厚度下轉臺應力分布情況。分析按照表1中的5種情況進行，得到轉臺各最大應力值如表7。

對不同厚度下的結果分析可見：隨轉臺左、右封板厚度增加，轉臺結構應力改善非常小，即同工況5結果類似。如此，可以取較薄板結構（如6 mm厚板，應力云圖見圖9）以降低轉臺重量。

4 轉臺分析結果應用

利用前面分析得到的結果，該文就某款具體車型轉臺進行了結構優化。具體優化參數見表8，結構圖見圖10。

根據表8及圖10對該轉臺進行結構優化后，兩種方案都可以減重約130 kg左右。更改前、后轉臺應力對比見圖11。

通過應力對比發現該轉臺減重130 kg以后，轉臺最大拉應力及螺栓力反而均得到改善，油缸座附近壓應力也可以得到改善，說明效果還是非常理想。

5 結語

利用有限元分析手段，對目前主流生產的單立板結構轉臺進行詳細分析，可以節省實際試驗資源與時間，通過對各相關因素進行研究后可以得到如下結論。

（1）改善轉臺受力最有效的方法是增厚轉臺底板，但需要考慮生產成本。

（2）后封板厚度的增加，在一定程度上能改善轉臺應力。

（3）轉臺立板厚度增加，對拉應力改善效果不大。

（4）轉臺左、右封板高度和厚度增加，對轉臺應力改善不大，但可改善剛度。

（5）仰角及后封板厚度對螺栓軸心力影響較大。仰角越小，后封板越厚，則螺栓受力越好。

參考文獻

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