新型多級旋轉布料機應用研究

陶 標

(江西省水利水電建設有限公司，南昌 330025)

1 概 述

隨著水利工程建設項目逐年增多，其施工設備工作效率與適用范圍成為施工進度的制約因素。混凝土布料機作為水利工程建設中關鍵設備[1]，結構復雜，施工環境復雜，載荷情況復雜。江西省某水電站施工時，利用新型混凝土布料機，該布料機具有布料范圍大、靈活性高的特點。新型混凝土布料機與傳統布料機相比，組合工況多、荷載情況復雜。研究新型布料機在多種工況的應用狀態，利于該布料機的推廣應用。

本文以新型布料機在江西省某水利工程建設中應用為研究載體，借助ANSYS有限元分析軟件，利用APDL參數化建模方式編制程序完成布料機結構建模。探究多級旋轉布料機全工況情形下各個結構的極限應力與極限位移分布情況，尋找布料機關鍵風險部位，對其結構進行改進優化，以新型布料機在水利工程中的推廣應用為目標。

2 布料機有限元模型搭建

2.1 布料機結構介紹

布料機一般分為4個部分，依次為內臂架、外臂架、爬升平臺、立柱[2-3]。內基本臂架與外基本臂架旋轉范圍分別為270°與360°。內基本臂架與外基本臂架長度依次為22.5與15.5 m，連接兩者的伸縮臂架長度是24.8 m。整個臂架結構借助爬升平臺與立柱連接，立柱固定在地面上。立柱構成結構主要為若干300 cm高度的立柱節。除此以外，借助爬升平臺可以完成整個臂架結構高度變化。基于工程實踐應用，本文將爬升平臺離地高度設定為14.8 m。布料機基本結構布局圖見圖1。

圖1 布料機基本結構布局圖

2.2 有限元模型參數介紹

借助有限元軟件ANSYS完成新型布料機有限元模型搭建工作，模型桁架結構全部選擇beam186單元進行模擬，爬升平臺的箱型結構與桁架上的加強板選擇shell183單元，預應力鋼索選擇link182單元[4]。

因回轉支承系統與其他結構相比，剛度強度都較高，所以簡化回轉支承系統，與其它結構件固結，忽略小孔與焊縫，使模型更加簡化。

依照布料機現場安裝情形，將立柱底部4個支點采取全自由度約束的方式。基于物料運輸與減速工程中產生振動，干擾金屬結構穩定性，將除風載外的其它荷載沖擊系數設定值1.2。為了分析布料機在極端狀況下的工作，將布料機工況設定成堵料情形，同時布料機兩側懸掛的橡膠溜管堵料質量最大值設定為400 kg，并將其和椎管質量涵蓋到伸縮臂前端，風載參考相關規范完成計算[5]，將計算值整理成表1。

表1 布料機所承受載荷值匯總

風載的方向以最差工況情況下按照布料機背側指向前側的方向給定。由于臂架在轉動時極易被立柱與爬升平臺遮擋，所以設置程序代碼將指定風載施加到未被遮擋的臂架節點處，布料機受載模型見圖2。

圖2 布料機在某工況情形下受載示意圖

2.3 多種工況下有限元模型搭建

由于單一工況對布料機分析存在缺陷，所以搭建布料機全工況有限元模型，完成相應分析。因為布料機結構和布料范圍全部是以俯視平面中心線為軸成鏡像，所以本文僅以內基本臂架在軸線左側區間運行狀態為例進行研究分析，右側不做贅述。設定內基本臂架和水平方向中線夾角α的角度范圍是0°～120°之間；設定外基本臂架和水平方向中線夾角β的角度范圍是-180°～+180°，當模擬正向布料時將伸縮臂架對于外基本框架伸出長度m取值最大，當模擬反向布料時將伸縮臂架對于外基本框架伸出長度m取值最小。詳細結構示意圖見圖3。

圖3 布料機旋轉情形示意圖

充分將工程實踐情形和計算機功能限制兩個方面綜合考量，分別把α與β的可行域均分為12份與24份、每一個子區間的端點視為一個工況，當外基本臂架旋轉完一個周期后，內基本臂架工況發生一次改變。所以，布料機在正反向布料可以獲得相應的325種工況情形。

利用APDL參數化設計語言，以α、β、m為設計參數編制新型布料機各種工況情形下的參數化模型。本文設計的代碼可以完成布料機結構所有工況情形下的靜力學計算，同時可以計算值展示所映射的工況情形下布料機整體結構的應力最高數值，并且顯示應力最高值對應的結構部位編號等信息。

3 布料機全工況研究

利用布料機全工況參數化模型分析代碼的計算分析，獲得布料機在正向與反向布料情況下全工況時應力最高值具體布局位置，分別見圖4與圖5。規定布料機全工況應力最高值是其極限應力，同理位移最高值是其極限位移。正向布料的情況，極限應力值顯示306.8 MPa，對應的工況為165(圖6)，相應α、β的角度值分別是94.8°和-90.2°，極限應力位置是立柱和爬升平臺的銜接處，見圖7。極限位移值是1 648 mm，對應的工況為135(圖8)，相應α、β的角度值分別是80°和-90.1°，極限位移位置是外基本臂架配重端。反向布料情形，極限應力值是312.6 MPa，對應的工況為154，極限應力位置是立柱和爬升平臺銜接部位；極限位移值是2 060 mm，對應的工況為154，極限應力位置是外基本臂架配重端。

圖4 正向布料布料機應力值最高值分布圖

圖5 反向布料布料機應力值最高值分布圖

圖6 工況165應力分布熱力示意圖

圖7 工況165極限應力分布位置示意圖

圖8 工況135位移分布示意圖

當反向布料情形時，應力、位移極限值全部發生在工況154，并且應力、位移最高值均出現在外基本臂架配重端，即可得到工況154點與其附近區域是布料機的危險工況。在工程優化設計時，應對此區域的布料機工作情況實時監管，重點關注。

分析圖5與圖6極限應力布局圖不難得到，布料機在正反向布料時，其應力最高值的布局大致相同，除此之外因在工程實踐時正向布料應用概率遠大于反向布料，所以選擇正向布料為研究對象進行分析。

為了深度探析極限應力值與臂架轉角值之間的函數變化規律，特設定布料的α角度值保持不變情況下，布料機應力高值與β角度值兩者之間的變化趨勢圖，具體見圖9。

圖9 極限應力值與臂架轉角值之間的函數變化規律趨勢圖

分析圖9中曲線變化趨勢不難看出，當α角度值偏低時，改變β角度值，布料機應力最高值基本上以β零刻度線為中心軸線呈現對稱式，并且應力最高值變化范圍小。當相同α角度時β角度值圍繞0°與180°周圍時，布料機的應力高值較小。在相同β角度值時，應力高值與α角度值先呈現正相關關系，在94.8°附近達到最大值后與α角度值呈現負相關關系。β角度值在-90°時，布料機應力最高值增長較快，并與α角度值增幅呈正相關關系，當α角度值為94.8°時達到最高值后隨α角度增大而減小。

綜上所述，布料機的全工況極限應力、位移值和內基本臂架、外基本臂架的相對位置關系緊密相關。若內基本臂架偏轉角度α數值較低時，布料機應力最高值較小，并且基本不受外基本臂架偏轉角β角度值的影響。若內基本臂架偏轉角度α數值較大時，布料機應力最高值增加，并且影響程度加大。若α角度值為94.8°左右時，布料機應力最高值達到最大，若β角度值為-90°左右時，布料機的整機應力高值是所有工況下的最大值。

4 布料機結構分析

為了提升施工效率，對布料機結構進行調整，深入探究布料機主要結構件在所有工況時的受力狀況，見表2。

表2 布料機各個部件具體極限應力值匯總表

參考表2內應力數據，改變布料機的型狀與材質，為了提升布料機整體強度，重點加大內柱與內基本臂架結構截面面積。為了減小總體生產資金，可通過縮減外基本臂架和伸縮臂架結構截面面積的方式。考慮到內基本臂架主梁型材偏大，所以選擇在型材頂面設置槽鋼的方式來提升結構強度。詳細的優化調整方案見表3。

表3 布料機優化調整方案表

對布料機優化調整后，再次測定其全工況下極限應力值與極限位移值，并與布料機未優化調整前的各值相比較，得到結構調整優化后極限應力值從306.8 MPa減小至240.8 MPa，極限位移值從1 648 mm減小至1 360 mm。

5 結 語

本文重點研究新型布料機的應用情況，以江西省某水利工程建設為研究載體，借助ANSYS有限元分析軟件，利用APDL參數化建模方式編制程序完成布料機結構建模。對多級旋轉布料機全工況情形下各個結構的極限應力與極限位移分布情況進行分析，找到多級旋轉布料機風險控制點后對其結構進行優化改進，為新型布料機的推廣應用提供理論依據。