某吊運(yùn)機(jī)起重臂的強(qiáng)度分析

李彬

【摘 要】吊運(yùn)機(jī)應(yīng)用于港口和碼頭的關(guān)鍵設(shè)備，主要用于集裝箱裝卸、堆碼和水平轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)。起重臂是吊運(yùn)機(jī)的關(guān)鍵零部件，其強(qiáng)度的高低決定整機(jī)的安全性與經(jīng)濟(jì)性，因此其強(qiáng)度計(jì)算至關(guān)重要。臂架的結(jié)構(gòu)與載荷都十分復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的計(jì)算方法來(lái)對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度分析非常困難。因此文章采用有限元分析方法對(duì)臂架的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，該臂架的等效應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，材料浪費(fèi)嚴(yán)重，建議對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】吊運(yùn)機(jī)；起重臂；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；有限元分析

吊運(yùn)機(jī)是礦山、碼頭與港口等貨運(yùn)集散地必備的關(guān)鍵設(shè)備之一。該設(shè)備由意大利企業(yè)Belotti20于上世紀(jì)七十年代末發(fā)明并推廣，其設(shè)計(jì)靈感來(lái)自輪式起重機(jī)，是一款輪式起重機(jī)的衍生和改良產(chǎn)品。該設(shè)備隨著科技的發(fā)展而不斷的改進(jìn)，到目前位置出現(xiàn)了三代重大改進(jìn)產(chǎn)品，第一代是以B75吊運(yùn)機(jī)為主要代表的發(fā)展初期，這一階段吊運(yùn)機(jī)誕生不久性能還比較單一，技術(shù)也比較粗糙，在于傳統(tǒng)的集裝箱吊裝機(jī)械的競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)地位，未能得到廣泛的使用；第二個(gè)階段為技術(shù)成熟期，這一時(shí)期的跨度為20世紀(jì)80年代中至90年代末，該設(shè)備的技術(shù)不斷的發(fā)展與成熟，得到客戶的認(rèn)可度越來(lái)越高，使用范圍也越來(lái)越廣泛，其優(yōu)越性在于傳統(tǒng)設(shè)備的對(duì)比中也顯得愈發(fā)明顯；第三階段為吊運(yùn)機(jī)的發(fā)展的輝煌時(shí)期，時(shí)期為90年代末至今，設(shè)備向著超大型化、只能化以及多功能化的方向發(fā)展，這一階段的產(chǎn)品功能非常強(qiáng)大，而操作更加簡(jiǎn)單。隨著科技的發(fā)展，競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，吊運(yùn)機(jī)的起重和運(yùn)載能力越來(lái)越強(qiáng)，這也就對(duì)吊運(yùn)機(jī)的起重臂提出了更加嚴(yán)苛的要求。在吊運(yùn)機(jī)的使用過(guò)程中，起重臂的斷裂與屈曲變形時(shí)有發(fā)生，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡事故，同時(shí)也嚴(yán)重的影響了企業(yè)的品牌形象[1-2]。因此，開(kāi)在吊運(yùn)機(jī)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(jié)構(gòu)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(lái)改變臂架的仰角，同時(shí)采用伸縮油缸改變臂架的長(zhǎng)度，兩者相互配合完成臂架的變幅與伸縮，實(shí)現(xiàn)集裝箱的舉升動(dòng)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(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。ANSYS是融結(jié)構(gòu)、電磁場(chǎng)和耦合場(chǎng)分析等線性與非線性分析于一體的通用商業(yè)有限元分析軟件。文章運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)起重臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，為了確保計(jì)算結(jié)果的可靠與安全，特意選擇起重臂最危險(xiǎn)的工作狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算內(nèi)容為臂架應(yīng)力與應(yīng)變，以便于準(zhǔn)確把握臂架結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，為該型號(hào)的臂架設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

2.1 起重臂材料模型

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)的有限元分析之前必須了解材料的力學(xué)性能特點(diǎn)，建立結(jié)構(gòu)件的材料模型。本文中所研究的吊運(yùn)機(jī)主體結(jié)構(gòu)的材料為低碳高強(qiáng)鋼，采用HG785板拼焊成形，該材料的力學(xué)性能為屈服強(qiáng)度σs為685MPa，抗拉強(qiáng)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(jù)起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范建議取結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為1.33，根據(jù)許用應(yīng)力計(jì)算公式計(jì)算得[σ]=464.1MPa。

2.2 臂架模型網(wǎng)格劃分與載荷約束

吊運(yùn)機(jī)臂架上為了安裝其它附屬結(jié)構(gòu)，比如高壓油管道保持架、電纜線槽、油缸安裝支座等細(xì)小結(jié)構(gòu)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(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)特征可能對(duì)局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生一定的影響，但對(duì)臂架結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度計(jì)算影響非常小，基本可以忽略不計(jì)。因此，在建模時(shí)為了減小網(wǎng)格數(shù)量和計(jì)算量，對(duì)臂架三維模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，忽略了一些無(wú)關(guān)緊要的附件和一些小的安裝孔與倒角等細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)特征。網(wǎng)格劃分時(shí)根據(jù)起重臂是采用鋼板組件焊接而成，符合板殼單元的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，因此選用板殼單元shell63來(lái)對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分[3-4]。

起重臂的負(fù)載包括臂架自身的重量、風(fēng)載荷、吊具重量、伸縮油缸重量以及額定載荷。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，吊具及負(fù)載重心允許偏移±800mm，因此有限元計(jì)算時(shí)集裝箱負(fù)載將作為遠(yuǎn)程載荷進(jìn)行處理。伸縮臂以及基本臂自身的重量，采用材料密度、結(jié)構(gòu)的體積以及重力加速度進(jìn)行表示，并取重力加速度為10000mm/s2；吊具自重作為負(fù)載添加，風(fēng)載荷根據(jù)起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)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(duì)Ux、Uoty、Uy、Uotz以及Uz，并將連接容差設(shè)置為1mm；由于伸縮臂同基本臂依靠滑塊來(lái)進(jìn)行載荷傳遞和導(dǎo)向，需考慮滑塊同伸縮臂間的接觸問(wèn)題，文章運(yùn)用節(jié)點(diǎn)自由度耦合技術(shù)來(lái)解決這一問(wèn)題，釋放節(jié)向自由度，耦合其他全部自由度[5]。

3 起重臂的有限元計(jì)算結(jié)果分析

在ANSYS有限元分析中通常運(yùn)用迭代求解器以及直接求解器這兩個(gè)求解器進(jìn)行計(jì)算。具體的求解器的選擇可以是軟件自動(dòng)選擇，也可以由設(shè)計(jì)人員預(yù)先設(shè)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(gòu)建或者細(xì)長(zhǎng)的體積比較小的模型，迭代求解器通常用來(lái)計(jì)算大型的復(fù)雜的模型。起重臂由基本臂與伸縮臂等結(jié)構(gòu)件組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜體積大模，因此文章采用迭代求解器進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)第四強(qiáng)度理論，當(dāng)臂架上的外加載荷大于材料極限強(qiáng)度時(shí)，結(jié)構(gòu)將發(fā)生斷裂破壞，一般在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，都需要結(jié)構(gòu)要有一定的安全裕度，保證臂架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求，確保臂架結(jié)構(gòu)件在最危險(xiǎn)的工作條件下，起重臂的最大工作應(yīng)力必須小于其許用應(yīng)力。第四強(qiáng)度理論采用Von Mises應(yīng)力σr來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)，強(qiáng)度條件σr≤[σ]，σr為等效應(yīng)力，[σ]為材料需用應(yīng)力，運(yùn)用ANASYS有限元計(jì)算軟件計(jì)算得到起重臂在最危險(xiǎn)的工況下的應(yīng)力云圖如圖1～圖2所示。

計(jì)算結(jié)果圖1～圖2表明，該吊運(yùn)機(jī)起重臂臂架的總體應(yīng)力水平還比較低而且分布也比較均勻，絕大部分的應(yīng)力值都低于250MPa，只有一小部分位置的等效應(yīng)力超過(guò)了250MPa，其中最大等效應(yīng)力發(fā)生在伸縮臂連接處，其值為337.778MPa。然而，該材料的許用應(yīng)力[σ]=464.1MPa，其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于構(gòu)件上的最大等效應(yīng)力337.778MPa，這說(shuō)明結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不但滿足強(qiáng)度要求而且存在著很大的強(qiáng)度富余。強(qiáng)度富余越多，說(shuō)明結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)越高，材料的利用率越低，因此建議對(duì)該起重臂進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)降低設(shè)備成本。

4 結(jié)論

文章建立了吊運(yùn)機(jī)起重臂臂架的有限元模型，計(jì)算了臂架的許用應(yīng)力以及臂架結(jié)構(gòu)的Von Mises等效應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果表明，臂架的最大等效應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其許用應(yīng)力，擁有較大的安全裕度，建議對(duì)臂架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)減輕臂架的質(zhì)量，降低設(shè)備的制造成本。

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[責(zé)任編輯：張濤]