大型履帶起重機(jī)路基箱的設(shè)計(jì)與計(jì)算

馬 文，連晉華，李亞忱

（太原重工股份有限公司 技術(shù)中心，山西 太原 030024）

1 概述

近年來，隨著電力、石油、化工行業(yè)的不斷發(fā)展，裝置的規(guī)模不斷加大，外形尺寸、重量等都隨之加大，為了能夠滿足大型設(shè)備的安裝要求，對大型履帶起重機(jī)吊載能力的要求也不斷加大，但近年來大型履帶起重機(jī)由于地基的承載不足，傾翻事故時(shí)有發(fā)生。國外同行廠家大多采用路基箱進(jìn)行載荷分配，以此來降低起重機(jī)對地面的壓力。本文以太原重工TZC660履帶起重機(jī)為例，通過ANSYS軟件建立有限元模型，最終設(shè)計(jì)了最大能夠承載2MPa的履帶起重機(jī)專用路基箱。

2 地基的受力分析

履帶起重機(jī)主機(jī)旋轉(zhuǎn)一周，在不同的角度上對地壓力都是不同的，履帶起重機(jī)對地壓力的校核主要包括臂架與履帶軸線平行（正）、臂架與履帶軸線垂直（側(cè)）、臂架與履帶軸線存在一定夾角（斜）三種情況，履帶不同受載情況下的地基壓力分布如圖1所示。

圖1 履帶不同受載情況下的地基壓力分布圖

本文主要考慮TZC660吊車基本主臂滿載時(shí)的接地比壓，文獻(xiàn)［1］經(jīng)計(jì)算得出，履帶對地的最小接地比壓pmin＝0，最大接地比壓pmax＝1．37MPa。

3 地基的處理

地基處理的目的是增加單位面積的承載能力，主要通過夯實(shí)、鋪墊、增加吊車受力面積來增加單位面積的承載能力。普通地基的承載能力見表1。從表1中可以看到，非常松的沙土、濕土、黏土的許用壓力為0．2MPa～0．3MPa，經(jīng)過夯實(shí)后的沙土和黏土的許用壓力可以達(dá)到0．8MPa～1．2MPa。從吊車現(xiàn)場使用情況來看，有些單位通過鋪墊強(qiáng)度較高的材料來增加地基的承載能力。對于大型吊車，國外同行大都采用增加受力面積來降低壓強(qiáng)，即鋪設(shè)專用的路基箱以降低對地基的壓強(qiáng)。

表1 普通地基的承載能力

4 路基箱的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了TZC660履帶起重機(jī)專用路基箱模型。TZC660履帶的寬度為1 500mm，路基箱橫向鋪設(shè)，長、寬為5 000mm×3 000mm，如圖2所示。路基箱工作中的受力狀態(tài)為：上表面承受履帶載荷，最大受力面積為1 500mm×3 000mm，下表面與地基接觸，路基箱采用Q345鋼材。路基箱的參數(shù)見表2。

5 路基箱的有限元計(jì)算

考慮吊車、路基箱和地基三者共同作用，把吊車履帶與地基土的影響加到路基箱的剛度矩陣上，根據(jù)路基箱與地基接觸點(diǎn)的靜力平衡條件和變形協(xié)調(diào)條件，建立求解方程，這種方法假定在不同介質(zhì)物體相互接觸的界面之間采用接觸單元，地基為彈塑性地基。

5．1 單元選擇

本文路基箱鋼板采用Shell181殼單元，該單元適合模擬線性、彎曲及適當(dāng)厚度的殼體結(jié)構(gòu)。地基采用Solid45單元，該單元具有塑性、蠕變、膨脹、應(yīng)力強(qiáng)化、大變形、大應(yīng)變能力，接觸單元使用Targe170和Conta173來定義三維接觸對。

圖2 路基箱的結(jié)構(gòu)圖

表2 路基箱的參數(shù) mm

5．2 材料屈服準(zhǔn)則

對鋼材來說，一般采用von Mises屈服準(zhǔn)則，其表達(dá)式為：

其中：σ1、σ2、σ3為材料受到的三向應(yīng)力；σs為材料的屈服應(yīng)力。

土體地基的參數(shù)有專門的測試參數(shù)方法，地基參數(shù)選擇參見文獻(xiàn)［2］，在巖石、土壤的有限元分析中，一般采用Drucker Prager屈服準(zhǔn)則，DP屈服準(zhǔn)則表示為：

其中：C為黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角。

5．3 地基的有限元模型

在不同介質(zhì)物體相互接觸的界面之間采用接觸單元，地基為彈塑性地基，選用基于DP屈服準(zhǔn)則的彈塑性本構(gòu)模型，建立的地基模型見圖3。圖4為仿真得到的地基剖面應(yīng)力云圖，圖5為履帶板和路基箱接觸模型的應(yīng)力云圖。

采用接觸模型在ANSYS里建模進(jìn)行計(jì)算，按照載荷加載等級分別施加500kN、1 500kN、2 000kN、2 500kN、3 500kN、4 500kN、5 500kN、6 000kN 的載荷進(jìn)行仿真。表3為得到的接觸模型應(yīng)力和變形的最大值。

5．4 模擬吊車移動計(jì)算

履帶吊在工作時(shí)會在路基箱上有短距離的行走，路基箱的受壓面積也隨之不斷變化，本文用ANSYS軟件對吊車的行走過程進(jìn)行了研究，參考文獻(xiàn)［3］在此模型的基礎(chǔ)上通過逐步增大路基箱受力面積來模擬履帶吊車行走的工況，受壓面積從零增加到1 500mm×3 000mm，分3步完成。圖6給出了載荷為最大接地比壓1．37MPa、吊車移動時(shí)路基箱的應(yīng)力云圖。從計(jì)算結(jié)果來看，接觸模型中的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在第2步，即受壓面積為路基箱設(shè)計(jì)受壓面積的1／2時(shí)（1 500 mm×1 500mm）應(yīng)力達(dá)到最大，應(yīng)力最大值為156．99MPa，在第3步，即受壓面積最大時(shí)（1 500mm×3 000mm），應(yīng)力最大值為138．66MPa。

圖3 地基模型

圖4 地基的剖面應(yīng)力云圖

圖5 接觸模型的應(yīng)力云圖

表3 不同載荷下接觸模型的最大變形和應(yīng)力值

由此可見，最大應(yīng)力遠(yuǎn)低于Q345的屈服強(qiáng)度，故所設(shè)計(jì)的路基箱是安全可靠的。

6 結(jié)論

在大型的吊裝過程中，帶載行走是履帶起重機(jī)的一大優(yōu)點(diǎn)，它對地基的要求非常高，對地基的處理成本相對路基箱的使用要高。本文通過收集國內(nèi)外相關(guān)廠家大型履帶吊在現(xiàn)場的使用情況，結(jié)合TZC660的使用，經(jīng)過ANSYS計(jì)算，設(shè)計(jì)了專用的路基箱，來降低 地基的承壓，以此確保吊車的安全使用。

圖6 模擬吊車移動時(shí)路基箱的應(yīng)力云圖

［1］ 楊紅旗．工程機(jī)械履帶—地面附著力矩理論基礎(chǔ)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990．

［2］ 長沙建設(shè)機(jī)械研究院．JG 5055－94履帶起重機(jī)安全規(guī)程［S］．北京：中華人民共和國建設(shè)部，1995：1－6．

［3］ 王新敏．ANASY工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析［M］．北京：人民交通出版社，2007．