某吊运机起重臂的强度分析

王亚男

摘要：吊运机应用于港口和码头的关键设备，主要用于集装箱装卸、堆码和水平转运作业。起重臂是吊运机的关键零部件，其强度的高低决定整机的安全性与经济性，因此其强度计算至关重要。臂架的结构与载荷都十分复杂，采用传统的计算方法来对其进行强度分析非常困难。因此文章采用有限元分析方法对臂架的应力状态进行了计算，计算结果表明，该臂架的等效应力远小于材料的许用应力，材料浪费严重，建议对其进行优化设计。

关键词：吊运机，起重臂，结构强度，有限元分析

吊运机是矿山、码头与港口等货运集散地必备的关键设备之一。该设备由意大利企业Belotti20于上世纪七十年代末发明并推广，其设计灵感来自轮式起重机，是一款轮式起重机的衍生和改良产品。该设备随着科技的发展而不断的改进，到目前位置出现了三代重大改进产品，第一代是以B75吊运机为主要代表的发展初期，这一阶段吊运机诞生不久性能还比较单一，技术也比较粗糙，在于传统的集装箱吊装机械的竞争中处于劣势地位，未能得到广泛的使用;第二个阶段为技术成熟期，这一时期的跨度为20世纪80年代中至90年代末，该设备的技术不断的发展与成熟，得到客户的认可度越来越高，使用范围也越来越广泛，其优越性在于传统设备的对比中也显得愈发明显;第三阶段为吊运机的发展的辉煌时期，时期为90年代末至今，设备向着超大型化、只能化以及多功能化的方向发展，这一阶段的产品功能非常强大，而操作更加简单。随着科技的发展，竞争的日益激烈，吊运机的起重和运载能力越来越强，这也就对吊运机的起重臂提出了更加严苛的要求。在吊运机的使用过程中，起重臂的断裂与屈曲变形时有发生，造成了严重的经济损失和人员伤亡事故，同时也严重的影响了企业的品牌形象[1-2]。因此，开在吊运机的起重臂的受力分析显得尤为重要。

1起重臂的工作原理

起重臂结构主要由伸缩油缸，伸缩臂、基本臂以及俯仰油缸等零部件组成。其功能是采用俯仰油缸来改变臂架的仰角，同时采用伸缩油缸改变臂架的长度，两者相互配合完成臂架的变幅与伸缩，实现集装箱的举升动作。

2起重臂的有限元模型的建立

本文首先采用UG软件建立臂架的三维几何模型，然后再采用ANSYS软件对结构进行有限元分析。ANSYS是融结构、电磁场和耦合场分析等线性与非线性分析于一体的通用商业有限元分析软件。文章运用ANSYS软件对起重臂结构进行有限元分析，为了确保计算结果的可靠与安全，特意选择起重臂最危险的工作状态进行计算，计算内容为臂架应力与应变，以便于准确把握臂架结构的力学性能，为该型号的臂架设计提供理论指导。

2.1起重臂材料模型

在进行结构的有限元分析之前必须了解材料的力学性能特点，建立结构件的材料模型。本文中所研究的吊运机主体结构的材料为低碳高强钢，采用HG785板拼焊成形，该材料的力学性能为屈服强度σs为685MPa，抗拉强度σb为785为MPa，弹性模量E为2.1×105MPa，泊松比μ为0.3，密度ρ为7.85×10-6kg/mm3。根据起重机设计规范建议取结构安全系数为1.33，根据许用应力计算公式计算得[σ]=464.1MPa。

2.2臂架模型网格划分与载荷约束

吊运机臂架上为了安装其它附属结构，比如高压油管道保持架、电缆线槽、油缸安装支座等细小结构特征，此外还有一些螺栓以及螺纹等紧固件的安装孔。这些细节结构特征可能对局部结构应力状态产生一定的影响，但对臂架结构的静强度计算影响非常小，基本可以忽略不计。因此，在建模时为了减小网格数量和计算量，对臂架三维模型进行了简化处理，忽略了一些无关紧要的附件和一些小的安装孔与倒角等细节结构特征。网格划分时根据起重臂是采用钢板组件焊接而成，符合板壳单元的结构特点，因此选用板壳单元shell63来对模型进行网格划分[3-4]。

起重臂的负载包括臂架自身的重量、风载荷、吊具重量、伸缩油缸重量以及额定载荷。根据设计规范，吊具及负载重心允许偏移±800mm，因此有限元计算时集装箱负载将作为远程载荷进行处理。伸缩臂以及基本臂自身的重量，采用材料密度、结构的体积以及重力加速度进行表示，并取重力加速度为10000mm/s2;吊具自重作为负载添加，风载荷根据起重机设计规范选取250N/m2。在起重臂与车架相连的铰接處以及基本臂与俯仰油缸的连接处施加支撑约束，对Ux、Uoty、Uy、Uotz以及Uz，并将连接容差设置为1mm;由于伸缩臂同基本臂依靠滑块来进行载荷传递和导向，需考虑滑块同伸缩臂间的接触问题，文章运用节点自由度耦合技术来解决这一问题，释放节向自由度，耦合其他全部自由度[5]。

3起重臂的有限元计算结果分析

在ANSYS有限元分析中通常运用迭代求解器以及直接求解器这两个求解器进行计算。具体的求解器的选择可以是软件自动选择，也可以由设计人员预先设定求解模式。在这两种求解器中，直接求解器主要使用与含薄壁构建或者细长的体积比较小的模型，迭代求解器通常用来计算大型的复杂的模型。起重臂由基本臂与伸缩臂等结构件组成，结构复杂体积大模，因此文章采用迭代求解器进行计算。

根据第四强度理论，当臂架上的外加载荷大于材料极限强度时，结构将发生断裂破坏，一般在进行结构设计时，都需要结构要有一定的安全裕度，保证臂架结构的强度要求，确保臂架结构件在最危险的工作条件下，起重臂的最大工作应力必须小于其许用应力。第四强度理论采用VonMises应力σr来对结构强度进行评价，强度条件σr≤[σ]，σr为等效应力，[σ]为材料需用应力，运用ANASYS有限元计算软件计算得到起重臂在最危险的工况下的应力云图。

表明，该吊运机起重臂臂架的总体应力水平还比较低而且分布也比较均匀，绝大部分的应力值都低于250MPa，只有一小部分位置的等效应力超过了250MPa，其中最大等效应力发生在伸缩臂连接处，其值为337.778MPa。然而，该材料的许用应力[σ]=464.1MPa，其值远远大于构件上的最大等效应力337.778MPa，这说明结构的强度不但满足强度要求而且存在着很大的强度富余。强度富余越多，说明结构的安全系数越高，材料的利用率越低，因此建议对该起重臂进行轻量化设计降低设备成本。

4结论

文章建立了吊运机起重臂臂架的有限元模型，计算了臂架的许用应力以及臂架结构的VonMises等效应力。计算结果表明，臂架的最大等效应力远远小于其许用应力，拥有较大的安全裕度，建议对臂架进行优化设计减轻臂架的质量，降低设备的制造成本。

参考文献：

[1]任光合.某集装箱正面吊大臂举升关键技术研究[D].燕山：燕山大学，2012.

[2]苏国萃，刘晋川，李海波.集装箱正面吊运机现状与发展研究[J].港口装卸，2005，（5）：37-39.