起重机人字架拉杆应力分析及校核

2021-11-25王升科曲应恺李晓琪

现代制造技术与装备 2021年10期

王升科曲应恺李晓琪

（1.烟台东德实业有限公司，烟台 264000；2.东方电子股份有限公司，烟台 264000；3.烟台大学，烟台 264005）

1 900 t/200 t 起重机是一种臂架式起重机，其变幅机构及其对重杠杆等都与人字架相连。所有吊重、臂架系统等所产生的载荷都将作用在人字架上[1]，因此人字架的结构型式和承载能力与起重机的基本参数、所采用的臂架及变幅机构的型式紧密相关。它的安全稳定直接关系到起重机的安全。人字架拉杆作为人字架中的主要受力部件，其结构和承载能力直接影响起重机的基本参数，所以对人字架拉杆的有限元分析显得非常重要。1 900 t/200 t 起重机臂架主要包括主臂、主臂变幅、副臂、人字架和副臂拉杆等结构[2]，如图1 所示。为满足副臂的使用要求，提出新的方案图并对其进行有限元分析。

图1 臂架系统组成

1 建立人字架拉杆有限元模型

1.1 载荷计算

载荷状态是设计和改造起重机的基本参数。通过它可以确定起重机的工作级别，指导起重机结构和重要零部件的选择[3]。由于实际情况下载荷复杂多变，因此只能通过理论计算加仿真以及试验的方法来确定。对于人字架拉杆而言，起升载荷、自重载荷、回转惯性载荷以及风载荷会对人字架拉杆的设计起到指导性作用[4]。

起升载荷P'Q：

式中：φ2为起升动载系数；Q1为起升载荷，Q2为钢丝绳载荷，Q3为吊钩载荷。

式中：φ1为自重冲击系数；G1为副臂自重；G2为副臂拉杆重量；G3为副臂人字架自重。

回转惯性载荷包括自重回转惯性载荷PHG和起重量回转惯性载荷PHQ：

式中：φ5为载荷系数；a1为臂架重心处回转加速度；a2为吊载重物回转加速度。

工作状态下，取计算风速v=13.8 m·s-1。在臂架计算过程中，考虑风载均布作用于臂架上，侧向吹向臂架。它的充实率应按实际面积除以轮廓面积得之。风载荷包括起重量风载PWQ和臂架风载PWB：

式中：C为起重量或臂架的风力系数，臂架的风力系数取值1.2；p为计算风压；A为起重量或臂架的迎风面积；η为挡风折减系数。

1.2 材料属性

①纵向参与拉伸应力与自重载荷引起的纵向拉伸应力的联合作用，有：

式中：σG为结构构件纵向拉伸应力，在有限元中计算副臂系统仅自重作用下的结构应力，提取板材上最大应力代入计算得σG=81 N·mm-2-2；σS为板材屈服应力；σb为板材抗拉应力。

②构件材料厚度的影响为：

式中：t为板材厚度。为保守考虑，以板材最大厚度代入计算。

③工作环境温度的影响为：

式中：T为工作环境温度。根据本机技术规格，取T=-10 ℃。

④综合评价系数为：

总综合评价系数大于4，应选取钢材质量组别为3或以上的材料，故本机人字架拉杆材料选取Q500C。结合实际工况，取强度安全系数为1.34，拉杆板厚取16 mm 以下，以满足规范要求[3]，以此得到拉杆钢材的许用应力为346 MPa。

有限元计算时使用的材料属性见表1。

表1 材料属性表

1.3 单元信息

结构方案图如图2 所示，在ANSYS 软件中进行静力分析。按照设计结构形式等效分析，有限元模型中采用下列单元类型Mass 21 和Shell 63。其中，每个Mass 21 单元都有6 个自由度，可以沿着X、Y、Z 方向上移动和绕X、Y、Z 方向转动，且任何方向上都有不同的质量和转动惯量，故Mass 21 单元可以作为连接的点。例如，销孔中心点与销孔的连接，将Mass 21 点与板采用刚性连接。Shell 63 单元可以承受平面载荷和法向载荷，同时具有抗弯能力和膜力。每个节点同样具有6 个自由度，所以拉杆板材采用Shell 63 单元建立。单元网格尺寸划分为100～150 mm，如图2 所示。

图2 拉杆结构方案图

1.4 作业工况

本次计算结合实际情况考虑以下副臂吊载工况，结果如表2 所示。

表2 副臂吊载计算工况表

1.5 边界条件

在副臂作业工况下，模拟销轴连接的形式，对人字架拉杆和压杆的根部铰点、副臂根部铰点均进行UX、UY、UZ 的位移约束及RX、RY 方向的旋转约束。主臂变幅绳后绞点处施加UX、UY、UZ 的位移约束。载荷方面，施加方法与副臂的相同。对副臂所承受的起升载荷、起升绳载荷以集中力的形式施加在相应位置。对副臂以及人字架所承受的风载荷、回转惯性载荷以加速度形式施加在人字架和副臂上。

计算中，载荷施加的方向均按照图3 中的坐标系统方向施加。