喷浆车转台结构全工况有限元分析

张淑君 孙武和 张卫国

本文首先应用ANSYS软件的APDL语言，对变幅臂的转角及伸缩臂的伸缩长度等参数进行编程，整理得到臂架结构的全工况类型，基于此对上车结构进行全工况模拟分析，获得转台结构的位移、应力分布规律及转台结构刚度、强度最大值及最危险工况。以此保证结构可靠性，并为系列转台产品的优化和改形设计提供理论支持，在提升设计效率的基础上，为下一步结构轻量化设计打下基础。

喷浆车;转台结构;全工况;强度分析

0前言

喷浆车作为一种用于混凝土湿喷工艺施工的主要设备，其通过泵送系统将成品混凝土输送到喷射系统端部，并利用高压风将含有速凝剂的混凝土喷射到施工面上，以完成混凝土喷浆支护施工。目前，喷浆车主要用于铁路、隧道，水利、水电的隧洞和涵洞、矿山巷道、地铁等工程领域。喷浆车主要由臂架、转台、回转底座、前后支腿、副车架、底盘、泵送系统、空气系统和速凝剂系统等组成。转台结构上部与臂架连接，下部通过回转机构与回转底座连接，起着连接上下车的作用。

传统转台结构有限元计算方法，多是计算一个工况或者几个典型工况，而且是不加臂架的计算分析，因此其计算精度难保证。由于臂架对转台的载荷很难准确提取，且仅仅是算了几种工况，因此不能够完整地体现臂架在全工作范围内对转台结构的受力作用。本文应用ANSYS软件的APDL语言以及批处理命令，对臂架进行全工况编程，并对转台和臂架组装一起进行计算，自动提取全工况计算结果，通过对各部件结果的整理，得到转台结构刚度、强度最大值及最危险工况，充分了解和掌握结构的受力情况，保证结构可靠性。

1有限元模型

本文以我公司生产的某型号混凝土喷浆车为研究对象进行分析计算。在Pro/E中将转台结构及其后相连接臂架组装成几何模型（图1），再对三维模型进行几何处理，单元选取：板件采用SHELL181壳单元，连接销轴采用BEAM188梁单元，油缸类采用LINK180杆单元，在销轴连接及臂架伸缩接触处设置摩擦接触约束，建立上车结构有限元模型，如图2所示。

2计算工况

计算工况指的就是臂架的工作姿态，每一种工作姿态就是一个工况，理论上臂架有无数种工作姿态，臂架工作姿态如图3-4所示。

3.2载荷

本文是对整个上装结构进行全工况计算，结构所受载荷组合，如下（图6）：

载荷组合=1.2*结构重量+1.3*混凝土重量+1.1*喷射反力+回转惯性力

1.2：结构动载系数;

1.3：混凝土动载系数;

喷射反力：其方向始终在竖直面内垂直于臂架长度。

3.3材料及性能（表2）

4计算结果

经过结构全工况自动计算，得出包括各部件最大位移、最大应力、油缸力、各板件应力、对接焊缝应力等结果。对各列计算结果进行排序，得到各列数据的最大值，其中，转台结构最大应力出现在第163个工况，最大应力工况及数值，如图7所示。

第163工况为大臂变幅70度，基本臂相对于大臂向下变幅60度，一伸臂和二伸臂全部伸出，摆臂处于中间位置。

4.1计算结果列表

全工况计算由于数据较多，仅列出所关注参数，如表3所示。

4.2计算结果

由计算结果可知，转台结构最大位移出现在侧面的围板邊缘处，主要是结构整体受力变形导致，位移量为0.32mm，刚度满足设计要求;转台结构最大应力为355MPa，出现在尖点处，为应力集中，去除该尖点应力集中后，最大应力出现在轴套焊缝处，应力值234MPa，远小于结构屈服极限，强度满足要求，而且结构仍有进一步优化空间。

5结论

首先，对上装各部件进行细化建模、组装，确定175个计算工况，通过APDL语言程序施加约束载荷，进行结构全工况自动计算，并对计算结果进行排序，得到转台结构最大应力工况，并充分掌握转台结构应力场的分布情况;转台结构的最大位移值0.32mm，转台刚度大;转台结构最大应力值355MPa，出现在结构后下端尖点处，属于应力集中，去除该处应力集中后，最大应力为234MPa，该应力远小于材料屈服极限，因此强度也满足要求;通过全工况计算可知，该转台结构位移及应力较小，说明该结构初步设计保守，结构还有一定优化空间，下一步，将对该转台结构进行优化，达到提升材料利用率以及结构轻量化目的。

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ZHANG Shujun，SUN Wuhe，ZHANG Weiguo

This article first uses the APDL language of ANSYS software to program the parameters such as the angle of the luffing arm and the telescopic length of the telescopic arm， and sort out the full working condition type of the boom structure. Analyze and obtain the displacement and stress distribution rules of the turntable structure and the stiffness， maximum strength and the most dangerous working conditions of the turntable structure. In order to ensure the structural reliability， and provide theoretical support for the optimization and modification design of the series of turntable products， on the basis of improving the design efficiency， it lays the foundation for the next step of lightweight design.

shotcrete truck; turntable structure; full working condition; strength analysis