大型履带起重机路基箱的设计与计算

2013-09-04连晋华李亚忱

机械工程与自动化 2013年5期

马文，连晋华，李亚忱

（太原重工股份有限公司技术中心，山西太原 030024）

1 概述

近年来，随着电力、石油、化工行业的不断发展，装置的规模不断加大，外形尺寸、重量等都随之加大，为了能够满足大型设备的安装要求，对大型履带起重机吊载能力的要求也不断加大，但近年来大型履带起重机由于地基的承载不足，倾翻事故时有发生。国外同行厂家大多采用路基箱进行载荷分配，以此来降低起重机对地面的压力。本文以太原重工TZC660履带起重机为例，通过ANSYS软件建立有限元模型，最终设计了最大能够承载2MPa的履带起重机专用路基箱。

2 地基的受力分析

履带起重机主机旋转一周，在不同的角度上对地压力都是不同的，履带起重机对地压力的校核主要包括臂架与履带轴线平行（正）、臂架与履带轴线垂直（侧）、臂架与履带轴线存在一定夹角（斜）三种情况，履带不同受载情况下的地基压力分布如图1所示。

图1 履带不同受载情况下的地基压力分布图

本文主要考虑TZC660吊车基本主臂满载时的接地比压，文献［1］经计算得出，履带对地的最小接地比压pmin＝0，最大接地比压pmax＝1．37MPa。

3 地基的处理

地基处理的目的是增加单位面积的承载能力，主要通过夯实、铺垫、增加吊车受力面积来增加单位面积的承载能力。普通地基的承载能力见表1。从表1中可以看到，非常松的沙土、湿土、黏土的许用压力为0．2MPa～0．3MPa，经过夯实后的沙土和黏土的许用压力可以达到0．8MPa～1．2MPa。从吊车现场使用情况来看，有些单位通过铺垫强度较高的材料来增加地基的承载能力。对于大型吊车，国外同行大都采用增加受力面积来降低压强，即铺设专用的路基箱以降低对地基的压强。

表1 普通地基的承载能力

4 路基箱的设计

本文设计了TZC660履带起重机专用路基箱模型。TZC660履带的宽度为1 500mm，路基箱横向铺设，长、宽为5 000mm×3 000mm，如图2所示。路基箱工作中的受力状态为：上表面承受履带载荷，最大受力面积为1 500mm×3 000mm，下表面与地基接触，路基箱采用Q345钢材。路基箱的参数见表2。

5 路基箱的有限元计算

考虑吊车、路基箱和地基三者共同作用，把吊车履带与地基土的影响加到路基箱的刚度矩阵上，根据路基箱与地基接触点的静力平衡条件和变形协调条件，建立求解方程，这种方法假定在不同介质物体相互接触的界面之间采用接触单元，地基为弹塑性地基。

5．1 单元选择

本文路基箱钢板采用Shell181壳单元，该单元适合模拟线性、弯曲及适当厚度的壳体结构。地基采用Solid45单元，该单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化、大变形、大应变能力，接触单元使用Targe170和Conta173来定义三维接触对。

图2 路基箱的结构图

表2 路基箱的参数 mm

5．2 材料屈服准则

对钢材来说，一般采用von Mises屈服准则，其表达式为：

其中：σ1、σ2、σ3为材料受到的三向应力；σs为材料的屈服应力。

土体地基的参数有专门的测试参数方法，地基参数选择参见文献［2］，在岩石、土壤的有限元分析中，一般采用Drucker Prager屈服准则，DP屈服准则表示为：

其中：C为黏聚力；φ为内摩擦角。

5．3 地基的有限元模型

在不同介质物体相互接触的界面之间采用接触单元，地基为弹塑性地基，选用基于DP屈服准则的弹塑性本构模型，建立的地基模型见图3。图4为仿真得到的地基剖面应力云图，图5为履带板和路基箱接触模型的应力云图。

采用接触模型在ANSYS里建模进行计算，按照载荷加载等级分别施加500kN、1 500kN、2 000kN、2 500kN、3 500kN、4 500kN、5 500kN、6 000kN 的载荷进行仿真。表3为得到的接触模型应力和变形的最大值。

5．4 模拟吊车移动计算

履带吊在工作时会在路基箱上有短距离的行走，路基箱的受压面积也随之不断变化，本文用ANSYS软件对吊车的行走过程进行了研究，参考文献［3］在此模型的基础上通过逐步增大路基箱受力面积来模拟履带吊车行走的工况，受压面积从零增加到1 500mm×3 000mm，分3步完成。图6给出了载荷为最大接地比压1．37MPa、吊车移动时路基箱的应力云图。从计算结果来看，接触模型中的最大应力值出现在第2步，即受压面积为路基箱设计受压面积的1／2时（1 500 mm×1 500mm）应力达到最大，应力最大值为156．99MPa，在第3步，即受压面积最大时（1 500mm×3 000mm），应力最大值为138．66MPa。