新型多级旋转布料机应用研究

陶 标

(江西省水利水电建设有限公司，南昌 330025)

1 概 述

随着水利工程建设项目逐年增多，其施工设备工作效率与适用范围成为施工进度的制约因素。混凝土布料机作为水利工程建设中关键设备[1]，结构复杂，施工环境复杂，载荷情况复杂。江西省某水电站施工时，利用新型混凝土布料机，该布料机具有布料范围大、灵活性高的特点。新型混凝土布料机与传统布料机相比，组合工况多、荷载情况复杂。研究新型布料机在多种工况的应用状态，利于该布料机的推广应用。

本文以新型布料机在江西省某水利工程建设中应用为研究载体，借助ANSYS有限元分析软件，利用APDL参数化建模方式编制程序完成布料机结构建模。探究多级旋转布料机全工况情形下各个结构的极限应力与极限位移分布情况，寻找布料机关键风险部位，对其结构进行改进优化，以新型布料机在水利工程中的推广应用为目标。

2 布料机有限元模型搭建

2.1 布料机结构介绍

布料机一般分为4个部分，依次为內臂架、外臂架、爬升平台、立柱[2-3]。内基本臂架与外基本臂架旋转范围分别为270°与360°。内基本臂架与外基本臂架长度依次为22.5与15.5 m，连接两者的伸缩臂架长度是24.8 m。整个臂架结构借助爬升平台与立柱连接，立柱固定在地面上。立柱构成结构主要为若干300 cm高度的立柱节。除此以外，借助爬升平台可以完成整个臂架结构高度变化。基于工程实践应用，本文将爬升平台离地高度设定为14.8 m。布料机基本结构布局图见图1。

图1 布料机基本结构布局图

2.2 有限元模型参数介绍

借助有限元软件ANSYS完成新型布料机有限元模型搭建工作，模型桁架结构全部选择beam186单元进行模拟，爬升平台的箱型结构与桁架上的加强板选择shell183单元，预应力钢索选择link182单元[4]。

因回转支承系统与其他结构相比，刚度强度都较高，所以简化回转支承系统，与其它结构件固结，忽略小孔与焊缝，使模型更加简化。

依照布料机现场安装情形，将立柱底部4个支点采取全自由度约束的方式。基于物料运输与减速工程中产生振动，干扰金属结构稳定性，将除风载外的其它荷载冲击系数设定值1.2。为了分析布料机在极端状况下的工作，将布料机工况设定成堵料情形，同时布料机两侧悬挂的橡胶溜管堵料质量最大值设定为400 kg，并将其和椎管质量涵盖到伸缩臂前端，风载参考相关规范完成计算[5]，将计算值整理成表1。

表1 布料机所承受载荷值汇总

风载的方向以最差工况情况下按照布料机背侧指向前侧的方向给定。由于臂架在转动时极易被立柱与爬升平台遮挡，所以设置程序代码将指定风载施加到未被遮挡的臂架节点处，布料机受载模型见图2。

图2 布料机在某工况情形下受载示意图

2.3 多种工况下有限元模型搭建

由于单一工况对布料机分析存在缺陷，所以搭建布料机全工况有限元模型，完成相应分析。因为布料机结构和布料范围全部是以俯视平面中心线为轴成镜像，所以本文仅以内基本臂架在轴线左侧区间运行状态为例进行研究分析，右侧不做赘述。设定内基本臂架和水平方向中线夹角α的角度范围是0°～120°之间；设定外基本臂架和水平方向中线夹角β的角度范围是-180°～+180°，当模拟正向布料时将伸缩臂架对于外基本框架伸出长度m取值最大，当模拟反向布料时将伸缩臂架对于外基本框架伸出长度m取值最小。详细结构示意图见图3。

图3 布料机旋转情形示意图

充分将工程实践情形和计算机功能限制两个方面综合考量，分别把α与β的可行域均分为12份与24份、每一个子区间的端点视为一个工况，当外基本臂架旋转完一个周期后，内基本臂架工况发生一次改变。所以，布料机在正反向布料可以获得相应的325种工况情形。

利用APDL参数化设计语言，以α、β、m为设计参数编制新型布料机各种工况情形下的参数化模型。本文设计的代码可以完成布料机结构所有工况情形下的静力学计算，同时可以计算值展示所映射的工况情形下布料机整体结构的应力最高数值，并且显示应力最高值对应的结构部位编号等信息。

3 布料机全工况研究

利用布料机全工况参数化模型分析代码的计算分析，获得布料机在正向与反向布料情况下全工况时应力最高值具体布局位置，分别见图4与图5。规定布料机全工况应力最高值是其极限应力，同理位移最高值是其极限位移。正向布料的情况，极限应力值显示306.8 MPa，对应的工况为165(图6)，相应α、β的角度值分别是94.8°和-90.2°，极限应力位置是立柱和爬升平台的衔接处，见图7。极限位移值是1 648 mm，对应的工况为135(图8)，相应α、β的角度值分别是80°和-90.1°，极限位移位置是外基本臂架配重端。反向布料情形，极限应力值是312.6 MPa，对应的工况为154，极限应力位置是立柱和爬升平台衔接部位；极限位移值是2 060 mm，对应的工况为154，极限应力位置是外基本臂架配重端。

图4 正向布料布料机应力值最高值分布图

图5 反向布料布料机应力值最高值分布图

图6 工况165应力分布热力示意图

图7 工况165极限应力分布位置示意图

图8 工况135位移分布示意图

当反向布料情形时，应力、位移极限值全部发生在工况154，并且应力、位移最高值均出现在外基本臂架配重端，即可得到工况154点与其附近区域是布料机的危险工况。在工程优化设计时，应对此区域的布料机工作情况实时监管，重点关注。

分析图5与图6极限应力布局图不难得到，布料机在正反向布料时，其应力最高值的布局大致相同，除此之外因在工程实践时正向布料应用概率远大于反向布料，所以选择正向布料为研究对象进行分析。

为了深度探析极限应力值与臂架转角值之间的函数变化规律，特设定布料的α角度值保持不变情况下，布料机应力高值与β角度值两者之间的变化趋势图，具体见图9。

图9 极限应力值与臂架转角值之间的函数变化规律趋势图

分析图9中曲线变化趋势不难看出，当α角度值偏低时，改变β角度值，布料机应力最高值基本上以β零刻度线为中心轴线呈现对称式，并且应力最高值变化范围小。当相同α角度时β角度值围绕0°与180°周围时，布料机的应力高值较小。在相同β角度值时，应力高值与α角度值先呈现正相关关系，在94.8°附近达到最大值后与α角度值呈现负相关关系。β角度值在-90°时，布料机应力最高值增长较快，并与α角度值增幅呈正相关关系，当α角度值为94.8°时达到最高值后随α角度增大而减小。

综上所述，布料机的全工况极限应力、位移值和内基本臂架、外基本臂架的相对位置关系紧密相关。若内基本臂架偏转角度α数值较低时，布料机应力最高值较小，并且基本不受外基本臂架偏转角β角度值的影响。若内基本臂架偏转角度α数值较大时，布料机应力最高值增加，并且影响程度加大。若α角度值为94.8°左右时，布料机应力最高值达到最大，若β角度值为-90°左右时，布料机的整机应力高值是所有工况下的最大值。

4 布料机结构分析

为了提升施工效率，对布料机结构进行调整，深入探究布料机主要结构件在所有工况时的受力状况，见表2。

表2 布料机各个部件具体极限应力值汇总表

参考表2内应力数据，改变布料机的型状与材质，为了提升布料机整体强度，重点加大内柱与内基本臂架结构截面面积。为了减小总体生产资金，可通过缩减外基本臂架和伸缩臂架结构截面面积的方式。考虑到内基本臂架主梁型材偏大，所以选择在型材顶面设置槽钢的方式来提升结构强度。详细的优化调整方案见表3。

表3 布料机优化调整方案表

对布料机优化调整后，再次测定其全工况下极限应力值与极限位移值，并与布料机未优化调整前的各值相比较，得到结构调整优化后极限应力值从306.8 MPa减小至240.8 MPa，极限位移值从1 648 mm减小至1 360 mm。

5 结 语

本文重点研究新型布料机的应用情况，以江西省某水利工程建设为研究载体，借助ANSYS有限元分析软件，利用APDL参数化建模方式编制程序完成布料机结构建模。对多级旋转布料机全工况情形下各个结构的极限应力与极限位移分布情况进行分析，找到多级旋转布料机风险控制点后对其结构进行优化改进，为新型布料机的推广应用提供理论依据。