基于ANSYS的QL30全回轉(zhuǎn)起重機(jī)下底盤有限元分析

劉子峰， 肖浩

（1.浙江合建重工科技股份有限公司，浙江 溫州 325401；2.安徽省中冶重工機(jī)械有限公司，安徽 蕪湖 241100）

0 引言

原QL30全回轉(zhuǎn)起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱：QL30起重機(jī)或者起重機(jī)）是為果子溝大橋?qū)ｉT設(shè)計(jì)的橋面起重設(shè)備，根據(jù)不同施工階段，主要用于安裝主桁、橋面系縱橫梁及鋼筋混凝土橋面板等構(gòu)件。該機(jī)主要由吊臂、上轉(zhuǎn)臺(tái)構(gòu)造、起升及變幅機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、下底盤構(gòu)造、步履縱移機(jī)構(gòu)、電氣及液壓系統(tǒng)等部分組成，最大起重力矩6×106N·m。為節(jié)約資源，降低成本，對(duì)設(shè)備進(jìn)行改造再利用，擬用于蘭州西固黃河大橋的架設(shè)安裝。分析蘭州西固黃河大橋的架設(shè)安裝工況，及原QL30起重機(jī)的設(shè)備性能，需改造下底盤構(gòu)造為：底盤橫向油缸支撐距離11.2 m，縱向油缸支撐距12 m，回轉(zhuǎn)中心距離前支撐線4 m，才能滿足橋梁的架設(shè)安裝要求。圖1為改造后的QL30起重機(jī)整體立面圖和底盤平面圖。

1 QL30轉(zhuǎn)起重機(jī)工作原理及分析流程

QL30起重機(jī)是一臺(tái)動(dòng)臂式變幅全回轉(zhuǎn)橋面起重設(shè)備，安裝在橋體上面，支撐和錨固在橋體橫梁上。安裝完畢后，起升機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)吊鉤滑輪組，提升重物；變幅機(jī)構(gòu)拉動(dòng)吊臂，通過(guò)吊臂仰角變化來(lái)改變吊鉤的起重幅度；回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)支撐旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)上轉(zhuǎn)臺(tái)及以上所有構(gòu)件旋轉(zhuǎn)；變幅和回轉(zhuǎn)的組合作用，使起重吊鉤到達(dá)各個(gè)工作部位，這正是此類全回轉(zhuǎn)起重機(jī)的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)。本起重機(jī)能在8～20 m幅度范圍內(nèi)起吊30t重物，20～28 m幅度范圍內(nèi)起吊重物質(zhì)量逐漸減少，至28 m起吊15t重物，超出28 m幅度，起重機(jī)安全系統(tǒng)保護(hù)，不能起重作業(yè)。

圖1 QL30起重機(jī)整體立面圖和下底盤平面圖

下底盤是QL30起重機(jī)的固定構(gòu)件。上部結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)通過(guò)回轉(zhuǎn)支撐，將自重和吊重產(chǎn)生的豎向重量和傾覆力矩，傳遞給下底盤。下底盤通過(guò)支撐油缸和錨固，將載荷傳遞給橋體，為整臺(tái)起重機(jī)提供可靠的工作基礎(chǔ)臺(tái)面。起重機(jī)在起吊重物、變幅、回轉(zhuǎn)時(shí)，下底盤的受力均在發(fā)生變化；起吊重物越大、幅度越大，下底盤各構(gòu)件所受載荷越大；上轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)時(shí)，下底盤總載荷不變，但局部載荷隨回轉(zhuǎn)角度變化，在底盤各構(gòu)件上有規(guī)律轉(zhuǎn)移。分析下底盤結(jié)構(gòu)時(shí)，建立下底盤的有限元模型，在吊重×幅度最大載荷下，對(duì)不同的上轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)角度工況，進(jìn)行有限元分析。通過(guò)后處理，提取下底盤構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度，以及支點(diǎn)的支反力。對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)，驗(yàn)證下底盤的安全性能。另外也能提取各構(gòu)件聯(lián)接處的彎矩、剪切力，為零部件設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)。圖2為QL30起重機(jī)下底盤分析流程。

圖2 QL30起重機(jī)下底盤分析流程

2 QL30起重機(jī)下底盤靜力學(xué)分析

2.1 下底盤有限元模型的建立

在對(duì)宏觀構(gòu)件進(jìn)行有限元分析研究時(shí)，如果直接按照構(gòu)件的結(jié)構(gòu)，建立真實(shí)的實(shí)體模型進(jìn)行分析，建模和分析過(guò)程復(fù)雜、工作量大，對(duì)軟硬件要求高。在對(duì)QL30起重機(jī)下底盤進(jìn)行有限元分析時(shí)，對(duì)模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化。采用有限元計(jì)算軟件ANSYS建立下底盤計(jì)算模型，用BEAM4單元模擬箱型梁構(gòu)件，單元節(jié)點(diǎn)之間直接連接，忽略法蘭接頭、螺栓孔、隔板、加勁板等細(xì)節(jié)。

底盤的支撐油缸頂頭安裝球面墊板，球面能釋放旋轉(zhuǎn)自由度（rx，ry，rz），接觸平面及靜摩擦力能限制移動(dòng)自由度（ux，uy，uz）；模型中，約束底盤前后4個(gè)節(jié)點(diǎn)（k1，k5，k101，k105）的移動(dòng)自由度（ux，uy，uz），模擬油缸支撐狀態(tài)。圖3為QL30起重機(jī)下底盤計(jì)算模型。

圖3 QL30起重機(jī)下底盤計(jì)算模型

2.2 下底盤計(jì)算載荷的施加

下底盤材料為Q345C，在有風(fēng)工況下的安全系數(shù)為1.34，材料的許用應(yīng)力［σ］=345/1.34 MPa=257 MPa。

下底盤自重以構(gòu)件質(zhì)量和重量加速度的形式模擬。底盤計(jì)算載荷是回轉(zhuǎn)支撐傳遞的上部載荷，包含上部構(gòu)件、重物的重力，和重力對(duì)回轉(zhuǎn)中心的力矩總和；其中重力以集中力的形式施加在回轉(zhuǎn)軸承安裝處的4副箱梁上，力矩轉(zhuǎn)換成橫、縱2組等效力偶以集中力的形式施加在回轉(zhuǎn)軸承安裝處的2對(duì)箱梁上；回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)上部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，重力分解的4個(gè)集中力大小和方向不發(fā)生變化，力矩等效的力偶是以關(guān)于回轉(zhuǎn)角度α（對(duì)稱結(jié)構(gòu)，僅分析 0°～180°）的三角函數(shù)變化。

等效載荷組的計(jì)算公式為：F11=-G/4-M/L·sinα；F111=-G/4+M/L·sinα；F13=-G/4-M/L·cosα；F14=-G/4+M/L·cosα。

風(fēng)載荷及其他其后影響產(chǎn)生的載荷，以上述集中力的5%施加在水平方向上。

2.3 下底盤有限元分析

回轉(zhuǎn)角度α在0°～180°變化時(shí)，分別對(duì)下底盤進(jìn)行有限元計(jì)算分析，讀取約束點(diǎn)的支反力及下底盤結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力和最大撓度。圖4為下底盤4個(gè)約束支點(diǎn)反力曲線；最大支反力 89.98×104N，最大拉錨力 4.55×104N；單處支點(diǎn)反力大小成正弦函數(shù)變化，回轉(zhuǎn)角度0°和180°時(shí)，前、后支點(diǎn)反力分別相等；在任意回轉(zhuǎn)角度時(shí)，4個(gè)支點(diǎn)反力大小總和為定值。圖5分別為下底盤最大應(yīng)力變化曲線和剛度變化曲線，最大應(yīng)力位置隨回轉(zhuǎn)角度逐漸向后方移動(dòng)，回轉(zhuǎn)約150°時(shí)，邊縱梁出現(xiàn)最大應(yīng)力246 MPa，小于材料的許用應(yīng)力257MPa；邊縱梁下?lián)献畲螅剞D(zhuǎn)角度越大，下?lián)现翟酱螅畲髶隙?4.08mm，剛度值為34.08mm/12000 mm=1/352。

圖4 下底盤4個(gè)約束支點(diǎn)反力變化曲線

圖5 下底盤最大應(yīng)力和剛度變化曲線

3 結(jié)語(yǔ)

本文利用大型有限元分析軟件ANSYS，對(duì)QL30全回轉(zhuǎn)起重機(jī)，在最大起重載荷，回轉(zhuǎn)角度0°～180°各工況時(shí)的下底盤進(jìn)行有限元分析，得出起重機(jī)工作狀態(tài)時(shí)的支反力，提供施工數(shù)據(jù)；計(jì)算出下底盤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，作為結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)改造依據(jù)。起重機(jī)經(jīng)過(guò)合理的改造，既節(jié)省成本，又能滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，在施工過(guò)程中能安全使用。這種將力矩等效為力偶，以三角函數(shù)模擬回轉(zhuǎn)的分析方法，對(duì)相似的分析計(jì)算具有一定的參考價(jià)值。

［1］ 起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB/T3811-2008［S］.

［2］ 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB/T50017-2003［S］.