履带起重机臂架压弯稳定性探讨

吴鹏　张彬彬

摘 要：起重机的臂架在以往的分析计算中都是利用经验公式进行，这种方法精确性不高，随着有限元法的出现，提高了计算结果的准确性。本文就是利用有限元法对起重机臂架进行分析，建立了两种不同的模型，以此来分析长度系数μ3带来的影响，主要体现在臂架拉板的影响上，通过对计算结果的对比，来分析长度系数μ3带来的影响。

关键词：履带起重机；臂架；压弯稳定性；有限元；拉板

起重机的臂架一般采用格构式的构件，由很多的杆件组成，结构的复杂程度较高，在对结构的稳定性进行判定时，往往由于影响因素的不确定而导致判断的准确性下降，人工计算更无从谈及。因此，要对起重机的臂架稳定性进行分析，没有可靠的模型，很难进行有效的分析。随着有限元法的出现和发展，在对这种复杂结构进行分析时，可以有效地解决以往碰到的问题，在建模的时候也不必进行过多的简化，可以进行一些精确的计算，这样就能够分析其稳定性。

臂架作为履带起重机的主要部件，承载着大部分的载荷，臂架系统一般由主臂、副臂、撑杆、拉板等构成，它的下端与转台相铰接连接，顶部用变幅钢丝绳滑轮组悬挂支撑。为了使起重机发挥出最大的工作高度和幅度，一般采用主臂和副臂相结合的方法来提高其工作性能。

1.问题的提出

在以往的履带起重机臂架稳定性计算时，一般采用的是经验公式，但是这种方法的适用范围并不是那么的广泛，计算的精确度也不高，因此，有限元法出现后就使用这种方法进行计算。在计算臂架的稳定性时，可以有两种计算方式，一种是臂架受到轴向力，以此计算；另一种是按照实际的情况在臂架上加上拉杆，然后在施加载荷。这两种计算结果有一定的差异，因为一个有拉板一个没有。我们利用有限元分析软件ANSYS来进行分析。我们假设拉杆带来的影响是μ3.

2.利用规范公式求解μ3

公式μ3 = 1 - A /（ 2B），其中，A是臂架铰A 为臂架铰点与臂架头部除拉臂钢丝绳力或起升钢丝绳力外的合力方向的垂直距离，B 为拉臂钢丝绳铰点与臂架头部除拉臂钢丝绳力或起升钢丝绳力外的合力方向的垂直距离。

其中，α为臂架与水平方向的夹角，β为拉板与臂架之间的夹角，L是臂架本身的长度，l是拉板的长度。

3.利用有限元方法求解μ3

μ3是一个影响臂架稳定性的系数，主要是拉板带来的影响，在建模的时候，一种是没有拉板的情况，另一种是有拉板的情况，二者之间的差别就是拉板的影响，及长度系数μ3.

3.1利用Ansys 计算不考虑拉板时结构的临界力

（1）在建模的时候，对模型要进行合理的简化，但是简化的前提是计算的精度不受到影响，因此，模型简化之后，应该保证足够的精确度，有良好的经济性，并且在准确性和精确性之间找到一种平衡，我们建立的简化模型如下，

（2）施加约束： 在1 点处施加3 个方向的平动约束和X、Y 轴向转动约束，在11 点处施加Y 方向的平动约束。施加载荷： 在11 点处施加X 负方向1 t 的力。

（3）进行静力计算，提取轴向力F = 9 800 N。进行2 阶屈曲计算，得1 阶放大系数为118. 23，2阶放大系数为476. 21。故此工况的临界力计算结果是118.23t。

3.2利用Ansys 计算考虑拉板时结构的临界力

（1）建立如下的模型

（2）施加约束： 在1 点处施加3 个方向的平动约束和X、Y 轴向转动约束，在101 点处施加3 个方向的平动约束。施加载荷： 在11 点处沿Y 轴负方向施加1 t 的力。

（3）进行静力计算，提取轴向力F = 16 974. 1 N。进行2 阶屈曲计算，得1 阶放大系数为173. 45，2阶放大系数为274. 94。故此时臂架临界力为

利用两种不同的方法对μ3进行计算，并对结果进行相应的对比，总结其中的规律，我们发现，通过对比两种情况下计算得出的μ3值，这两种方法计算的差值并不是很大，我们前面的假设可以说成立，在利用有限元法对起重机臂架的临界力進行计算时，也受到μ3的影响。

4.结论

综上，本文利用有限单元法对履带起重机臂架进行压弯稳定性分析，并验证长度系数μ3的影响作用。长度系数μ3对履带起重机的作用主要体现在对臂架拉板的影响，为此，采用无臂架拉板和有臂架拉板2 种形式建立有限元模型，进行屈曲分析，结合起重机规范中的经验公式计算臂架的压弯稳定性，通过2 种方法的结果对比来说明长度系数μ3的影响。

在通过有限单元法计算履带起重机臂架压弯稳定性时，同样存在长度系数的影响，主要体现在臂架拉板的影响。所以，在利用有限单元法计算起重机臂架的稳定性时，例如履带起重机的臂架、桅杆、人字架和超起桅杆等，应按实际情况作出拉板等影响长度系数的部件，这样算出的临界力接近实际。这样，在对臂架等受压构件进行优化时，在稳定性方面有足够的优化空间。

参考文献：

[1]王耿华，常大帅，罗国富，李客.履带起重机臂架稳定性分析[J].郑州轻工业学院学报（自然科学版），2014，03：72-77.