伸縮臂履帶起重機轉(zhuǎn)臺的有限元分析★

權(quán)哲奎，何喜東，蔣 佩，趙瑞恒，李 兵

（1.浙江三一裝備有限公司，浙江 湖州 313000；2.湖州師范學院 工學院，浙江 湖州 313000）

引言

SCC250TB起重機最大起質(zhì)量25 t，最大起重力矩110 t·m，作業(yè)高效，復(fù)雜路面適應(yīng)性好。它不僅可以滿足旋挖鉆鋼筋籠吊裝，還可以應(yīng)用于狹小空間廠房的鋼結(jié)構(gòu)安裝和野外高壓輸電線塔施工。轉(zhuǎn)臺是起重機的主要受力部件，也是起重機的三大構(gòu)件之一，分析轉(zhuǎn)臺的應(yīng)力和位移在不同工況下的強度和變形十分重要[1]。

轉(zhuǎn)臺主要用于安裝起重臂、起升機構(gòu)等部件，也是連接地盤和起重臂的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件[2]。由于轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)和受力情況比較復(fù)雜，使用傳統(tǒng)方法很難準確計算其受力情況，本文通過ANSYS軟件建立該起重機轉(zhuǎn)臺的有限元模型，對上車0°和45°回轉(zhuǎn)時整車在最大力矩和最大載荷的超載和額載+側(cè)載等不同工況下的應(yīng)力進行分析。

1 有限元分析

1.1 計算模型

通過Creo建立起重機轉(zhuǎn)臺的三維模型，為了在有限元分析時方便網(wǎng)格的劃分和節(jié)省時間，在建模時可以忽略對計算結(jié)果影響較小的特征，例如：倒角、小孔、螺紋孔以及加強筋等。并填補焊縫坡口，形成焊接體有限元實體模型[3]。本文中整車焊接體采用的是solid185實體單元，單元大小為8～15 mm。在轉(zhuǎn)臺和回轉(zhuǎn)支撐、回轉(zhuǎn)支撐和底座之間建立接觸單元。將各個工況不同載荷分別施加在相應(yīng)模型受力點處的mass21質(zhì)量單元上，通過耦合約束連接到計算模型上[4]。其中最大力矩超載上車0°回轉(zhuǎn)時有限元模型如圖1所示。

圖1 整車有限元模型

1.2 最大起重力矩工況

本文對起重機在最大起重力矩時，載荷為29.375 t工況下轉(zhuǎn)臺的應(yīng)力分布情況，按照三個子工況進行有限元分析，結(jié)果如下：

1）最大起重力矩工況：工作半徑5 m，上車回轉(zhuǎn)0°。在最大起重力矩，載荷29.375 t，上車回轉(zhuǎn)0°的工況下，轉(zhuǎn)臺應(yīng)力分布圖如圖2所示，轉(zhuǎn)臺應(yīng)力集中區(qū)域如圖3所示，最大應(yīng)力發(fā)生在轉(zhuǎn)臺底板和臂架接觸的圓弧處，應(yīng)力值為379 MPa，小于許用應(yīng)力652 MPa（即材料的HG785的屈服強度685 MPa除以許用安全系數(shù)1.05），滿足整體設(shè)計的要求。

圖2 載荷29.375 t、上車回轉(zhuǎn)0°時轉(zhuǎn)臺應(yīng)力（Pa）分布

圖3 轉(zhuǎn)臺應(yīng)力集中區(qū)域

2）最大起重力矩、29.375 t超載工況：工作半徑5 m，上車回轉(zhuǎn)45°。在最大起重力矩，29.375 t超載，上車回轉(zhuǎn)45°工況下，圖4所示為轉(zhuǎn)臺應(yīng)力分布圖，轉(zhuǎn)臺應(yīng)力集中所處的位置如圖5所示，最大應(yīng)力發(fā)生在側(cè)板上方孔口處，最大應(yīng)力為299 MPa，小于許用應(yīng)力652 MPa，整體應(yīng)力滿足設(shè)計要求。

圖4 載荷29.375 t、上車回轉(zhuǎn)45°時轉(zhuǎn)臺應(yīng)力（Pa）分布

圖5 轉(zhuǎn)臺應(yīng)力集中區(qū)域

3）最大起重力矩，23.5 t額載+3%側(cè)載工況，工作半徑5 m，上車回轉(zhuǎn)0°。在最大起重力矩，23.5 t額載+3%側(cè)載，上車回轉(zhuǎn)0°工況下，應(yīng)力分布圖如圖6所示，轉(zhuǎn)臺應(yīng)力集中區(qū)域如圖7所示，最大應(yīng)力發(fā)生在轉(zhuǎn)臺底板和臂架接觸的圓弧處，最大應(yīng)力值為301 MPa，小于許用應(yīng)力623 MPa（即材料HG785的屈服強度685 MPa除以許用安全系數(shù)1.1），滿足應(yīng)力設(shè)計要求。

圖6 載荷23.5 t額載+3%側(cè)載、上車回轉(zhuǎn)0°時轉(zhuǎn)臺應(yīng)力（Pa）分布

圖7 轉(zhuǎn)臺應(yīng)力集中區(qū)域

1.3 最大載荷工況

本文根據(jù)起重機在最大載荷為31.25 t工況下轉(zhuǎn)臺的應(yīng)力分布情況，按照三個子工況進行有限元分析，結(jié)果如下所示：

1）最大載荷31.25 t超載工況，工作半徑3 m，上車回轉(zhuǎn)0°。在最大載荷31.25 t超載，上車回轉(zhuǎn)0°工況下，轉(zhuǎn)臺的應(yīng)力分布圖如圖8所示，轉(zhuǎn)臺應(yīng)力集中區(qū)域如圖9所示，回轉(zhuǎn)螺栓處側(cè)板尖角處為應(yīng)力最大值，最大應(yīng)力為181 MPa，小于許用應(yīng)力652 MPa，滿足設(shè)計要求。

圖8 載荷31.25 t、上車回轉(zhuǎn)0°時轉(zhuǎn)臺應(yīng)力（Pa）分布

圖9 轉(zhuǎn)臺應(yīng)力集中區(qū)域

2）最大載荷31.25 t超載工況，工作半徑3 m，上車回轉(zhuǎn)45°。在最大載荷31.25 t超載，上車回轉(zhuǎn)45°工況下，轉(zhuǎn)臺應(yīng)力分布如下頁圖10所示，轉(zhuǎn)臺應(yīng)力集中發(fā)生在如下頁圖11所示位置，后方卷揚螺栓孔處應(yīng)力值最大，最大應(yīng)力為161 MPa，小于許用應(yīng)力329 MPa（即材料Q345的屈服強度234 MPa除以許用安全系數(shù)1.05），整體應(yīng)力滿足設(shè)計要求。

圖10 載荷31.25 t、上車回轉(zhuǎn)45°時轉(zhuǎn)臺應(yīng)力（Pa）分布

圖11 轉(zhuǎn)臺應(yīng)力集中區(qū)域

3）最大載荷25 t額載+3%側(cè)載工況，工作半徑3 m，上車回轉(zhuǎn)0°。在最大載荷25 t額載+3%側(cè)載上車回轉(zhuǎn)0°工況下，轉(zhuǎn)臺應(yīng)力分布圖如圖12所示，轉(zhuǎn)臺應(yīng)力集中區(qū)域如圖13所示，最大應(yīng)力發(fā)生在后配重安裝耳板處，最大應(yīng)力為164 MPa，小于許用應(yīng)力（623 MPa），整體應(yīng)力滿足設(shè)計要求。

圖12 載荷25 t額載+3%側(cè)載上車、回轉(zhuǎn)0°時轉(zhuǎn)臺應(yīng)力（Pa）分布

圖13 轉(zhuǎn)臺應(yīng)力集中區(qū)域

經(jīng)過對履帶起重機的轉(zhuǎn)臺建立有限元模型，對各種工況下的應(yīng)力分布進行分析、校驗強度，結(jié)果表明250TB轉(zhuǎn)臺應(yīng)力滿足材料強度要求。不同工況下各構(gòu)件的應(yīng)力如表1所示。

2 結(jié)論

表1 各工況下轉(zhuǎn)臺的應(yīng)力匯總

本文對履帶起重機轉(zhuǎn)臺在各工況下的應(yīng)力進行了分析，分析結(jié)果表明轉(zhuǎn)臺各位置的應(yīng)力小于許用應(yīng)力，符合設(shè)計要求。有限元分析有助于提升產(chǎn)品設(shè)計效率，為產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。