一種新型臂架起重機(jī)塔架結(jié)構(gòu)分析

劉 明 姜明峰 姚 旭 胡辰辰

南通潤邦重機(jī)有限公司

1 引言

臂架起重機(jī)經(jīng)多年的發(fā)展，在傳統(tǒng)機(jī)型的設(shè)計(jì)、制造方面已形成較完善的體系，我國起重機(jī)的國際市場(chǎng)占有率也逐漸提高。隨著國家對(duì)節(jié)能減排的日益重視，以及輕量化設(shè)計(jì)理念的推行，各主機(jī)廠在降本減重上都在進(jìn)行各種嘗試。隨著行業(yè)的不斷發(fā)展，國外同行業(yè)出現(xiàn)了多種新型塔架結(jié)構(gòu)型式機(jī)型，但在國內(nèi)仍空缺。

在此行業(yè)環(huán)境基礎(chǔ)上，對(duì)該新型塔架結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究分析，以克服現(xiàn)有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)局限，在減重、增效、降本方面提供一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化、制作簡(jiǎn)單、自重小、穩(wěn)定性好的新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式。

2 起重機(jī)結(jié)構(gòu)

圖1為具有新型塔架結(jié)構(gòu)的臂架起重機(jī)整體布局，其主要結(jié)構(gòu)包括：底盤及行走機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、塔架結(jié)構(gòu)、起升及變幅機(jī)構(gòu)、配重、臂架、拉桿、滑輪組及其他機(jī)構(gòu)等。根據(jù)不同需求，變幅機(jī)構(gòu)型式分為油缸變幅和鋼絲繩變幅，本文將以鋼絲繩變幅為例進(jìn)行分析研究。

1.底盤及行走機(jī)構(gòu) 2.回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 3.塔架結(jié)構(gòu) 4.起升、變幅機(jī)構(gòu) 5.配重 6.臂架 7.拉桿 8.滑輪組

塔架結(jié)構(gòu)采用上下漸變截面筒體+橫向節(jié)點(diǎn)柱+連接板形式，與其他相連部分采用鉸接連接形式，如圖2所示。

1.滑輪鉸點(diǎn)連接板 2.拉桿連接板 3.塔架筒體 4.臂架鉸點(diǎn)連接板 5.回轉(zhuǎn)鉸點(diǎn)連接板

變截面筒體可采用分段折彎成型，再對(duì)接焊拼接，因筒體為變截面設(shè)計(jì)，對(duì)折彎精度有一定要求，需配套合理的折彎工藝。圓柱筒體具有較好的力學(xué)性能，在同等結(jié)構(gòu)自重的情況下受力更加均勻，應(yīng)力更小，從而進(jìn)一步減少內(nèi)部加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)需求。

橫向節(jié)點(diǎn)柱一般采用一體折彎成型，僅有一道對(duì)接焊縫，受力情況良好，未使用內(nèi)部橫向加強(qiáng)筋，僅在連接處內(nèi)部增加部分加強(qiáng)環(huán)。

連接板焊接于橫向節(jié)點(diǎn)柱端部與外表面，內(nèi)部未加強(qiáng)即可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。鉸軸安裝孔處采用對(duì)接厚板形式，使接觸應(yīng)力更優(yōu)。

此設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔、焊接量更少，可減少因焊接變形引起受力惡化。

3 結(jié)構(gòu)受力分析

在完成整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，根據(jù)GB/T 3811-2008及《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》等的設(shè)計(jì)要求，利用有限元分析軟件Ansys對(duì)塔架結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

3.1 塔架材料

塔架整體材料選用Q355B材質(zhì)，主結(jié)構(gòu)板材厚度為16～40 mm，材料性能參數(shù)見表1[1]。

表1 材料性能表

3.2 分析前處理

利用Ansys space clam對(duì)模型進(jìn)行抽殼并處理，設(shè)置材料屬性，并定義連接，鉸點(diǎn)處設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，在塔架與吊臂頭部間增加梁，簡(jiǎn)化替代變幅鋼絲繩。網(wǎng)格劃分平均單元長度50 mm，正交網(wǎng)格質(zhì)量0.974 3，網(wǎng)格質(zhì)量優(yōu)秀。為簡(jiǎn)化計(jì)算，在底部回轉(zhuǎn)支撐處設(shè)置固定約束。

以50 t×36 m工況為例，按照GB/T 3811-2008規(guī)定的A3組合施加外力，載荷見表2[2]。

表2 載荷表

3.3 分析后處理

圖3為塔架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖，塔架結(jié)構(gòu)應(yīng)力較均勻，高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在筒體與橫向節(jié)點(diǎn)柱連接處，未出現(xiàn)應(yīng)力集中且難以消除的情況，整體結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力225.7 MPa小于許用應(yīng)力值。

圖3 有限元應(yīng)力分析

根據(jù)特征值屈曲分析一般方程進(jìn)行實(shí)際載荷下特征值屈曲分析，分析云圖見圖4。計(jì)算得到一階屈曲載荷因子為1.835 8，故可知鋼管屈曲載荷為現(xiàn)有載荷的1.835 8倍，大于GB/T 3811-2008規(guī)定A3組合載荷的1.48倍安全系數(shù)。

圖4 有限元穩(wěn)定性分析

3.4 新舊結(jié)構(gòu)對(duì)比

新型塔架結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析見圖5，對(duì)比分析結(jié)果表明，有如下4個(gè)方面優(yōu)點(diǎn)：

圖5 某型箱型結(jié)構(gòu)塔架有限元應(yīng)力分析

(1)新型塔架受力更均勻，應(yīng)力集中現(xiàn)象更少，更容易實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

(2)新結(jié)構(gòu)加強(qiáng)筋少，降低焊接量，減少焊接變形風(fēng)險(xiǎn)。

(3)塔架與轉(zhuǎn)臺(tái)間采用鉸接，取消此處現(xiàn)場(chǎng)組裝時(shí)的焊接作業(yè)，使拆裝更加方便；但在連接部分的裝配公差、間隙處理、安裝孔壓應(yīng)力等的處理方面較為復(fù)雜，需要較多設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)輔助，否則易造成異響、躥動(dòng)、結(jié)構(gòu)磨損等問題[3-4]。

(4)新型塔架結(jié)構(gòu)自重小，減重超20%，更有利于底盤設(shè)計(jì)選型及成本控制。

4 結(jié)語

經(jīng)過系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、力學(xué)分析及制造工藝研究，此新型式塔架結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、受力均勻、結(jié)構(gòu)易優(yōu)化、焊接量少、制造工藝簡(jiǎn)單、拆裝方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的研究價(jià)值，為臂架起重機(jī)的減重、增效提供一種設(shè)計(jì)參考方案。