混凝土濕噴臺(tái)車小臂系統(tǒng)的有限元分析及優(yōu)化

李 魁，于 鵬，董 恰，張曉晴

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450000)

1 問題的提出

混凝土濕噴臺(tái)車是一種利用液壓力將預(yù)拌好的混凝土混合料通過管道輸送至噴嘴，在噴嘴處接入壓縮空氣和速凝劑將混合料高速噴射到受噴面，經(jīng)快速凝結(jié)硬化形成混凝土支護(hù)層的工程機(jī)械[1]。相對(duì)于傳統(tǒng)的干、潮噴機(jī)，混凝土濕噴臺(tái)車具有噴射質(zhì)量好、粉塵污染小、回彈率低、施工效率高等優(yōu)勢(shì)，獲得了市場(chǎng)的廣泛認(rèn)可，目前已廣泛應(yīng)用于隧道、煤炭、鐵路以及水利等各個(gè)領(lǐng)域[2-3]。

濕噴臺(tái)車主要由底盤、泵送系統(tǒng)、臂架系統(tǒng)組成。其中，臂架系統(tǒng)是混凝土濕噴臺(tái)車的關(guān)鍵部件之一，臂架系統(tǒng)的可靠性及先進(jìn)性是濕噴臺(tái)車的核心技術(shù)，臂架系統(tǒng)包括噴頭、小臂系統(tǒng)、中臂系統(tǒng)及大臂系統(tǒng)，如圖1所示。在實(shí)際作業(yè)過程中，中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司濕噴臺(tái)車臂架系統(tǒng)中的小臂折彎處容易產(chǎn)生疲勞破壞的現(xiàn)象，如圖2所示為現(xiàn)場(chǎng)施工中損壞修復(fù)后的狀態(tài)。因此很有必要對(duì)該位置進(jìn)行研究分析及優(yōu)化改進(jìn)。

圖1 濕噴臺(tái)車臂架系統(tǒng)

圖2 小臂折彎處

2 濕噴臺(tái)車小臂所受載荷的確定

國內(nèi)對(duì)混凝土濕噴臺(tái)車的研究較少，泵車結(jié)構(gòu)與混凝土濕噴臺(tái)車結(jié)構(gòu)相類似，因此可參考泵車的研究方法確定最危險(xiǎn)工況。對(duì)于靜強(qiáng)度分析，傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，臂架水平全伸時(shí)為最危險(xiǎn)工況，即小臂處于完全伸長(zhǎng)狀態(tài)[4]。

本文選取其最危險(xiǎn)工況對(duì)小臂架系統(tǒng)進(jìn)行載荷的施加，即:

載荷=臂架自重×Kd+混凝土重量×K+風(fēng)載.

其中:Kd為自重動(dòng)載荷系數(shù)；K為振動(dòng)載荷系數(shù)。

在濕噴臺(tái)車作業(yè)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)、振動(dòng)電機(jī)及電控柜都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，使得小臂系統(tǒng)也產(chǎn)生振動(dòng)，從而構(gòu)成動(dòng)載荷，其值為臂架自重與自重動(dòng)載荷系數(shù)Kd相乘，Kd一般取1.2；混凝土在輸送軟管里的斷續(xù)流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生沖擊，從而產(chǎn)生振動(dòng)而構(gòu)成動(dòng)載荷，該動(dòng)載荷的值為輸送軟管中混凝土的重量與沖擊系數(shù)K的乘積，K一般取1.3[5]。

3 建立有限元模型

3.1 模型的簡(jiǎn)化

模型在三維軟件SolidWorks中建立，在仿真前應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，把模型中的間隙去除，同時(shí)去除螺栓、螺母及不受力的附件，并將去除的零件轉(zhuǎn)換成等效力施加到小臂中，這樣既能達(dá)到有限元分析的目的，又能降低計(jì)算機(jī)的工作量。小臂簡(jiǎn)化模型如圖3所示。

圖3 小臂簡(jiǎn)化模型

3.2 材料模型

小臂系統(tǒng)的板材為Q345B，根據(jù)材料定義其密度為7.85×10-6kg/mm3,彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3。

3.3 網(wǎng)格的劃分及約束的施加

在Workbench中模型的網(wǎng)格可根據(jù)設(shè)定進(jìn)行自動(dòng)劃分，在強(qiáng)度校核的重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理，零件間的連接方式采用綁定連接。

小臂的自重可根據(jù)小臂的結(jié)構(gòu)及密度來實(shí)現(xiàn)；風(fēng)載需要通過施加壓力載荷來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)文獻(xiàn)設(shè)定為250 Pa。

小臂上噴頭組件因結(jié)構(gòu)較復(fù)雜影響有限元計(jì)算，因此沒對(duì)其進(jìn)行建模，可以通過力的形式施加;小臂上輸送軟管中的混凝土也可通過力的形式施加，簡(jiǎn)化后的混凝土管路及其他簡(jiǎn)化的附件都以力的形式施加，通過SolidWorks確定這些附件的重心，確定位置和大小后通過力的形式施加在小臂上;小臂末端的兩個(gè)銷軸孔采用圓柱支撐，不約束旋轉(zhuǎn)，只約束軸向及徑向。這種工況下小臂的約束和載荷施加形式如圖4所示。

圖4 小臂的約束和載荷施加

4 小臂的有限元仿真分析

4.1 改進(jìn)前結(jié)構(gòu)的有限元分析

圖5為改進(jìn)前的小臂結(jié)構(gòu)，通過ANSYS Workbench對(duì)改進(jìn)前結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析計(jì)算，得到小臂系統(tǒng)的應(yīng)力云圖，如圖6所示。

圖5 改進(jìn)前的小臂結(jié)構(gòu)

圖6 改進(jìn)前小臂的應(yīng)力云圖

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在小臂外套和折彎部分的連接處，靠近銷軸孔位置處應(yīng)力也較大，實(shí)際情況也是此處經(jīng)常出現(xiàn)焊縫開裂和疲勞變形，因此仿真結(jié)果與實(shí)際情況一致。仿真得到的最大應(yīng)力值為337.9 MPa，Q345B的屈服極限為345 MPa，安全系數(shù)為1.02，安全系數(shù)過低，不滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

4.2 改進(jìn)后結(jié)構(gòu)的有限元分析

針對(duì)以上情況在小臂折彎處受力最大的位置增加兩塊加強(qiáng)筋，如圖7箭頭所示。

圖7 改進(jìn)后的小臂結(jié)構(gòu)

對(duì)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)施加相同的約束和載荷，并進(jìn)行有限元仿真計(jì)算，得到小臂的應(yīng)力云圖，如圖8所示。

圖8 改進(jìn)后小臂的應(yīng)力云圖

圖8顯示最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在小臂外套和折彎部分的連接處，其最大應(yīng)力值為208.3 MPa小于Q345的屈服極限，安全系數(shù)為1.65，結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

混凝土濕噴臺(tái)車臂架系統(tǒng)是濕噴臺(tái)車設(shè)計(jì)和制造的關(guān)鍵，而小臂系統(tǒng)是臂架系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，小臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理與否影響整車的工作可靠性。通過對(duì)混凝土濕噴臺(tái)車小臂系統(tǒng)的有限元分析，得出在危險(xiǎn)工況下小臂系統(tǒng)受力情況和應(yīng)力集中區(qū)域。對(duì)應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)度和可靠性評(píng)估，并根據(jù)結(jié)果給出優(yōu)化改進(jìn)方案，保證了濕噴臺(tái)車在作業(yè)工程中的安全性和可靠性， 為混凝土濕噴臺(tái)車小臂系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了參考。