某吊運機起重臂的強度分析

李彬

【摘 要】吊運機應用于港口和碼頭的關鍵設備，主要用于集裝箱裝卸、堆碼和水平轉運作業。起重臂是吊運機的關鍵零部件，其強度的高低決定整機的安全性與經濟性，因此其強度計算至關重要。臂架的結構與載荷都十分復雜，采用傳統的計算方法來對其進行強度分析非常困難。因此文章采用有限元分析方法對臂架的應力狀態進行了計算，計算結果表明，該臂架的等效應力遠小于材料的許用應力，材料浪費嚴重，建議對其進行優化設計。

【關鍵詞】吊運機；起重臂；結構強度；有限元分析

吊運機是礦山、碼頭與港口等貨運集散地必備的關鍵設備之一。該設備由意大利企業Belotti20于上世紀七十年代末發明并推廣，其設計靈感來自輪式起重機，是一款輪式起重機的衍生和改良產品。該設備隨著科技的發展而不斷的改進，到目前位置出現了三代重大改進產品，第一代是以B75吊運機為主要代表的發展初期，這一階段吊運機誕生不久性能還比較單一，技術也比較粗糙，在于傳統的集裝箱吊裝機械的競爭中處于劣勢地位，未能得到廣泛的使用；第二個階段為技術成熟期，這一時期的跨度為20世紀80年代中至90年代末，該設備的技術不斷的發展與成熟，得到客戶的認可度越來越高，使用范圍也越來越廣泛，其優越性在于傳統設備的對比中也顯得愈發明顯；第三階段為吊運機的發展的輝煌時期，時期為90年代末至今，設備向著超大型化、只能化以及多功能化的方向發展，這一階段的產品功能非常強大，而操作更加簡單。隨著科技的發展，競爭的日益激烈，吊運機的起重和運載能力越來越強，這也就對吊運機的起重臂提出了更加嚴苛的要求。在吊運機的使用過程中，起重臂的斷裂與屈曲變形時有發生，造成了嚴重的經濟損失和人員傷亡事故，同時也嚴重的影響了企業的品牌形象[1-2]。因此，開在吊運機的起重臂的受力分析顯得尤為重要。

1 起重臂的工作原理

起重臂結構主要由伸縮油缸，伸縮臂、基本臂以及俯仰油缸等零部件組成。其功能是采用俯仰油缸來改變臂架的仰角，同時采用伸縮油缸改變臂架的長度，兩者相互配合完成臂架的變幅與伸縮，實現集裝箱的舉升動作。

2 起重臂的有限元模型的建立

本文首先采用UG軟件建立臂架的三維幾何模型，然后再采用ANSYS軟件對結構進行有限元分析。ANSYS是融結構、電磁場和耦合場分析等線性與非線性分析于一體的通用商業有限元分析軟件。文章運用ANSYS軟件對起重臂結構進行有限元分析，為了確保計算結果的可靠與安全，特意選擇起重臂最危險的工作狀態進行計算，計算內容為臂架應力與應變，以便于準確把握臂架結構的力學性能，為該型號的臂架設計提供理論指導。

2.1 起重臂材料模型

在進行結構的有限元分析之前必須了解材料的力學性能特點，建立結構件的材料模型。本文中所研究的吊運機主體結構的材料為低碳高強鋼，采用HG785板拼焊成形，該材料的力學性能為屈服強度σs為685MPa，抗拉強度σb為785為MPa，彈性模量E為2.1×105MPa，泊松比μ為0.3，密度ρ為7.85×10-6kg/mm3。根據起重機設計規范建議取結構安全系數為1.33，根據許用應力計算公式計算得[σ]=464.1MPa。

2.2 臂架模型網格劃分與載荷約束

吊運機臂架上為了安裝其它附屬結構，比如高壓油管道保持架、電纜線槽、油缸安裝支座等細小結構特征，此外還有一些螺栓以及螺紋等緊固件的安裝孔。這些細節結構特征可能對局部結構應力狀態產生一定的影響，但對臂架結構的靜強度計算影響非常小，基本可以忽略不計。因此，在建模時為了減小網格數量和計算量，對臂架三維模型進行了簡化處理，忽略了一些無關緊要的附件和一些小的安裝孔與倒角等細節結構特征。網格劃分時根據起重臂是采用鋼板組件焊接而成，符合板殼單元的結構特點，因此選用板殼單元shell63來對模型進行網格劃分[3-4]。

起重臂的負載包括臂架自身的重量、風載荷、吊具重量、伸縮油缸重量以及額定載荷。根據設計規范，吊具及負載重心允許偏移±800mm，因此有限元計算時集裝箱負載將作為遠程載荷進行處理。伸縮臂以及基本臂自身的重量，采用材料密度、結構的體積以及重力加速度進行表示，并取重力加速度為10000mm/s2；吊具自重作為負載添加，風載荷根據起重機設計規范選取250N/m2。在起重臂與車架相連的鉸接處以及基本臂與俯仰油缸的連接處施加支撐約束，對Ux、Uoty、Uy、Uotz以及Uz，并將連接容差設置為1mm；由于伸縮臂同基本臂依靠滑塊來進行載荷傳遞和導向，需考慮滑塊同伸縮臂間的接觸問題，文章運用節點自由度耦合技術來解決這一問題，釋放節向自由度，耦合其他全部自由度[5]。

3 起重臂的有限元計算結果分析

在ANSYS有限元分析中通常運用迭代求解器以及直接求解器這兩個求解器進行計算。具體的求解器的選擇可以是軟件自動選擇，也可以由設計人員預先設定求解模式。在這兩種求解器中，直接求解器主要使用與含薄壁構建或者細長的體積比較小的模型，迭代求解器通常用來計算大型的復雜的模型。起重臂由基本臂與伸縮臂等結構件組成，結構復雜體積大模，因此文章采用迭代求解器進行計算。

根據第四強度理論，當臂架上的外加載荷大于材料極限強度時，結構將發生斷裂破壞，一般在進行結構設計時，都需要結構要有一定的安全裕度，保證臂架結構的強度要求，確保臂架結構件在最危險的工作條件下，起重臂的最大工作應力必須小于其許用應力。第四強度理論采用Von Mises應力σr來對結構強度進行評價，強度條件σr≤[σ]，σr為等效應力，[σ]為材料需用應力，運用ANASYS有限元計算軟件計算得到起重臂在最危險的工況下的應力云圖如圖1～圖2所示。

計算結果圖1～圖2表明，該吊運機起重臂臂架的總體應力水平還比較低而且分布也比較均勻，絕大部分的應力值都低于250MPa，只有一小部分位置的等效應力超過了250MPa，其中最大等效應力發生在伸縮臂連接處，其值為337.778MPa。然而，該材料的許用應力[σ]=464.1MPa，其值遠遠大于構件上的最大等效應力337.778MPa，這說明結構的強度不但滿足強度要求而且存在著很大的強度富余。強度富余越多，說明結構的安全系數越高，材料的利用率越低，因此建議對該起重臂進行輕量化設計降低設備成本。

4 結論

文章建立了吊運機起重臂臂架的有限元模型，計算了臂架的許用應力以及臂架結構的Von Mises等效應力。計算結果表明，臂架的最大等效應力遠遠小于其許用應力，擁有較大的安全裕度，建議對臂架進行優化設計減輕臂架的質量，降低設備的制造成本。

【參考文獻】

[1]任光合.某集裝箱正面吊大臂舉升關鍵技術研究[D].燕山：燕山大學，2012.

[2]蘇國萃，劉晉川，李海波.集裝箱正面吊運機現狀與發展研究[J]. 港口裝卸，2005，（5）：37-39.

[3]王津.自行式高空作業車作業臂有限元分析與優化設計[D].長安：長安大學，2009.

[4]宋興龍.基于ANSYS的高空作業平臺的有限元分析[D].南京：南京林業大學，2009.

[5]曾成奇.起重機伸縮臂結構優化設計及有限元分析[D].太原：太原科技大學，2010.

[責任編輯：張濤]