履帶起重機臂架壓彎穩定性探討

吳鵬　張彬彬

摘 要：起重機的臂架在以往的分析計算中都是利用經驗公式進行，這種方法精確性不高，隨著有限元法的出現，提高了計算結果的準確性。本文就是利用有限元法對起重機臂架進行分析，建立了兩種不同的模型，以此來分析長度系數μ3帶來的影響，主要體現在臂架拉板的影響上，通過對計算結果的對比，來分析長度系數μ3帶來的影響。

關鍵詞：履帶起重機；臂架；壓彎穩定性；有限元；拉板

起重機的臂架一般采用格構式的構件，由很多的桿件組成，結構的復雜程度較高，在對結構的穩定性進行判定時，往往由于影響因素的不確定而導致判斷的準確性下降，人工計算更無從談及。因此，要對起重機的臂架穩定性進行分析，沒有可靠的模型，很難進行有效的分析。隨著有限元法的出現和發展，在對這種復雜結構進行分析時，可以有效地解決以往碰到的問題，在建模的時候也不必進行過多的簡化，可以進行一些精確的計算，這樣就能夠分析其穩定性。

臂架作為履帶起重機的主要部件，承載著大部分的載荷，臂架系統一般由主臂、副臂、撐桿、拉板等構成，它的下端與轉臺相鉸接連接，頂部用變幅鋼絲繩滑輪組懸掛支撐。為了使起重機發揮出最大的工作高度和幅度，一般采用主臂和副臂相結合的方法來提高其工作性能。

1.問題的提出

在以往的履帶起重機臂架穩定性計算時，一般采用的是經驗公式，但是這種方法的適用范圍并不是那么的廣泛，計算的精確度也不高，因此，有限元法出現后就使用這種方法進行計算。在計算臂架的穩定性時，可以有兩種計算方式，一種是臂架受到軸向力，以此計算；另一種是按照實際的情況在臂架上加上拉桿，然后在施加載荷。這兩種計算結果有一定的差異，因為一個有拉板一個沒有。我們利用有限元分析軟件ANSYS來進行分析。我們假設拉桿帶來的影響是μ3.

2.利用規范公式求解μ3

公式μ3 = 1 - A /（ 2B），其中，A是臂架鉸A 為臂架鉸點與臂架頭部除拉臂鋼絲繩力或起升鋼絲繩力外的合力方向的垂直距離，B 為拉臂鋼絲繩鉸點與臂架頭部除拉臂鋼絲繩力或起升鋼絲繩力外的合力方向的垂直距離。

其中，α為臂架與水平方向的夾角，β為拉板與臂架之間的夾角，L是臂架本身的長度，l是拉板的長度。

3.利用有限元方法求解μ3

μ3是一個影響臂架穩定性的系數，主要是拉板帶來的影響，在建模的時候，一種是沒有拉板的情況，另一種是有拉板的情況，二者之間的差別就是拉板的影響，及長度系數μ3.

3.1利用Ansys 計算不考慮拉板時結構的臨界力

（1）在建模的時候，對模型要進行合理的簡化，但是簡化的前提是計算的精度不受到影響，因此，模型簡化之后，應該保證足夠的精確度，有良好的經濟性，并且在準確性和精確性之間找到一種平衡，我們建立的簡化模型如下，

（2）施加約束： 在1 點處施加3 個方向的平動約束和X、Y 軸向轉動約束，在11 點處施加Y 方向的平動約束。施加載荷： 在11 點處施加X 負方向1 t 的力。

（3）進行靜力計算，提取軸向力F = 9 800 N。進行2 階屈曲計算，得1 階放大系數為118. 23，2階放大系數為476. 21。故此工況的臨界力計算結果是118.23t。

3.2利用Ansys 計算考慮拉板時結構的臨界力

（1）建立如下的模型

（2）施加約束： 在1 點處施加3 個方向的平動約束和X、Y 軸向轉動約束，在101 點處施加3 個方向的平動約束。施加載荷： 在11 點處沿Y 軸負方向施加1 t 的力。

（3）進行靜力計算，提取軸向力F = 16 974. 1 N。進行2 階屈曲計算，得1 階放大系數為173. 45，2階放大系數為274. 94。故此時臂架臨界力為

利用兩種不同的方法對μ3進行計算，并對結果進行相應的對比，總結其中的規律，我們發現，通過對比兩種情況下計算得出的μ3值，這兩種方法計算的差值并不是很大，我們前面的假設可以說成立，在利用有限元法對起重機臂架的臨界力進行計算時，也受到μ3的影響。

4.結論

綜上，本文利用有限單元法對履帶起重機臂架進行壓彎穩定性分析，并驗證長度系數μ3的影響作用。長度系數μ3對履帶起重機的作用主要體現在對臂架拉板的影響，為此，采用無臂架拉板和有臂架拉板2 種形式建立有限元模型，進行屈曲分析，結合起重機規范中的經驗公式計算臂架的壓彎穩定性，通過2 種方法的結果對比來說明長度系數μ3的影響。

在通過有限單元法計算履帶起重機臂架壓彎穩定性時，同樣存在長度系數的影響，主要體現在臂架拉板的影響。所以，在利用有限單元法計算起重機臂架的穩定性時，例如履帶起重機的臂架、桅桿、人字架和超起桅桿等，應按實際情況作出拉板等影響長度系數的部件，這樣算出的臨界力接近實際。這樣，在對臂架等受壓構件進行優化時，在穩定性方面有足夠的優化空間。

參考文獻：

[1]王耿華，常大帥，羅國富，李客.履帶起重機臂架穩定性分析[J].鄭州輕工業學院學報（自然科學版），2014，03：72-77.