平頭塔機起重臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

劉晉亮，田 鵬，范立富，李碧玉

(山西省工程機械有限公司 技術(shù)中心，山西 太原 030003)

隨著我國裝配式建筑的發(fā)展，大型平頭塔式起重機的應(yīng)用日益寬廣。起重臂作為塔機最主要的部件之一，其結(jié)構(gòu)強度和剛度決定著塔機工作的安全性與可靠性。在設(shè)計平頭塔機時，通常是將塔機起重臂理想化為空間桁架，利用結(jié)構(gòu)力學桁架理論對塔機起重臂進行計算的。這種方法難以精確地計算起重臂各桿件的最大應(yīng)力，且計算量大，難以滿足實際設(shè)計的需要[1]。本文結(jié)合工程實際經(jīng)驗，應(yīng)用靜力學方法，基于Solidworks Simulation軟件對國產(chǎn)C7020P塔機起重臂進行優(yōu)化設(shè)計，以期在滿足塔機安全性的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)塔機起重臂的輕量化設(shè)計，降低其制造成本。

1 起重臂的有限元模型

按《塔式起重機設(shè)計規(guī)范》要求，塔機必須工作在其材料的彈性范圍內(nèi)[2]。因此，本文在建模、加載及求解過程中只考慮彈性情況，而不考慮材料塑性的影響[3]。起重臂彈性變形量較起重臂長度而言很小，故可對起重臂的有限元模型進行線性分析。

在有限元建模時，應(yīng)根據(jù)實際情況進行必要簡化。具體來說：起重臂附件相對起重臂整體結(jié)構(gòu)而言，幾何尺寸小、質(zhì)量分布較為集中，在整體結(jié)構(gòu)分析時可對附件進行等效處理；變幅鋼絲繩的質(zhì)量分布比較均勻，可通過改變相應(yīng)桿件的密度來添加其質(zhì)量；變幅小車、吊鉤因與吊重同步，可將它們的質(zhì)量與吊重一起作為起升載荷處理；起重臂風載及回轉(zhuǎn)慣性力實際是作用在主弦及腹桿單元上的均布載荷，為便于處理，可將其等效為節(jié)點集中力(根據(jù)圣維南原理，這種處理僅影響簡化部件作用點附近的局部應(yīng)力大小及分布，對起重臂整體應(yīng)力變化及分布不會有大的影響)。起重臂為空間鋼結(jié)構(gòu)，可選用Solidworks Simulation軟件的梁單元來模擬空間各桿件。梁單元是一種結(jié)構(gòu)化單元，其所有截面特性都可在推導單元的剛度矩陣時得到。通過梁單元，可有效簡化模型準備與分析求解的過程。

根據(jù)塔機實際工作情況，對起重臂的臂根施加位移約束，并在起重臂根部銷軸處釋放轉(zhuǎn)動方向的自由度，而對另外5個自由度全部進行約束，將起重臂變?yōu)殂q接形式。雖然起重臂各桿件節(jié)點既非剛節(jié)點又非鉸接節(jié)點，但在有限元建模時應(yīng)將其近似簡化成剛節(jié)點。

本文建立的C7020P塔機起重臂有限元模型如圖1所示。

圖1 C7020P塔機起重臂有限元模型

2 主要載荷及最危險工況

塔機在實際使用中，其起重臂受力情況復雜。起重臂承受的主要載荷包括自重、起升載荷、慣性載荷、風載等[4]。對起重臂采用許用應(yīng)力法計算時，考慮到塔機所受動力學影響，應(yīng)將載荷按照規(guī)范進行放大(即乘以相應(yīng)的系數(shù))[5]。

主弦和腹桿是平頭塔機起重臂的主要受力構(gòu)件，對起重臂結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計時，需分別選取主弦及腹桿最危險載荷的組合工況進行核算。平頭塔機起重臂的力學模型為懸臂梁，截面受力主要為彎矩和剪力。依據(jù)桁架理論，起重臂的截面彎矩全部由弦桿承受，截面剪力全部由腹桿承受。根據(jù)實際工程設(shè)計計算經(jīng)驗，起重臂各節(jié)主弦的最危險工況是按最大幅度起吊額定載荷，且回轉(zhuǎn)制動伴有風載；起重臂各節(jié)腹桿的最危險工況是在各臂節(jié)根部處起吊額定載荷后回轉(zhuǎn)制動，且回轉(zhuǎn)平面伴有風載。在起重臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，可僅驗算以上最危險工況[6]。

依據(jù)《塔式起重機設(shè)計規(guī)范》，C7020P塔機起重臂上下弦、斜腹桿最危險工況的載荷情況如下：危險工況下自重載荷為1.1G;上下弦危險工況下起升載荷為1.25Fh,且作用于臂端；斜腹桿危險工況下起升載荷為1.25Fh,且作用于各臂節(jié)根部；危險工況下回轉(zhuǎn)慣性力為1.5Fg；危險工況下風壓P=250 Pa，且風載按水平方向垂直作用于起重臂。這里：G為起重臂實際自重；Fh為實際起升載荷；Fg為實際回轉(zhuǎn)慣性力。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在優(yōu)化起重臂結(jié)構(gòu)時，可將平頭塔機起重臂視為懸臂梁，其某一臂節(jié)根部的受力狀況僅與此位置至塔機臂端的結(jié)構(gòu)自重和所承受外部載荷有關(guān)。因此，可從起重臂端部至根部逐節(jié)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。C7020P塔機的工作幅度為2.6～70 m，起重能力為2～12 t。對該塔機起重臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)工裝情況，保持現(xiàn)有起重臂截面尺寸不變，在單臂節(jié)長度和材料規(guī)格方面針對每根桿件進行優(yōu)化。

本文對塔機有限元模型逐節(jié)進行了靜力學優(yōu)化求解。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后起重臂上下弦在最危險工況下的應(yīng)力云圖分別見圖2、圖3。各臂節(jié)上下弦的最大應(yīng)力均位于各弦桿根部，各桿件材質(zhì)均為Q355B，許用應(yīng)力為265 MPa。各臂節(jié)優(yōu)化前后的應(yīng)力分布分別見表1、表2。起重臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化后各臂節(jié)參數(shù)如表3 所示。

圖2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前起重臂上下弦最危險工況下的應(yīng)力云圖

圖3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后起重臂上下弦最危險工況下的應(yīng)力云圖

表1 各臂節(jié)優(yōu)化前應(yīng)力分布MPa

表2 各臂節(jié)優(yōu)化后應(yīng)力分布 MPa

表3 起重臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化后各臂節(jié)參數(shù)

通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，起重臂的總質(zhì)量從15 210 kg下降到13 041 kg，減少了14.26%，大幅度降低了起重臂總質(zhì)量，顯著節(jié)約了成本。對起重臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計后，分析各臂節(jié)強度和穩(wěn)定性可發(fā)現(xiàn)：優(yōu)化后臂節(jié)最大應(yīng)力在臂節(jié)4處，為240 MPa，能夠滿足強度設(shè)計要求；各零部件應(yīng)力較優(yōu)化前普遍提高，少部分零部件應(yīng)力降低，應(yīng)力分布更加均勻，提高了材料的利用率和塔機的安全可靠性。

4 結(jié)束語

本文基于Solidworks Simulation軟件建立了C7020P軟件塔機起重臂的有限元模型，對平頭塔機起重臂的應(yīng)力分布進行分析，模擬了起重臂上下弦和腹桿在最危險工況下運行的受力情況，依據(jù)設(shè)計規(guī)范對起重臂各桿件規(guī)格進行優(yōu)化配置，在降低起重臂總質(zhì)量的同時，使塔機安全可靠性得到了提高。