某型起重機底架有限元分析

陳建1 鄔煥欣2 彭建軍1

1.四川長江工程起重機有限責任公司 四川瀘州 406000

2.四川大學 四川成都 610065

1 前言

汽車起重機的移動靈活性使得其在工程行業中得到了廣泛應用。汽車起重機主要由底架、旋轉支撐裝置、起重臂等組成。起重機工作時，底架上的載荷來自轉臺回轉支承約束反作用力。轉臺約束反作用力通過連接螺栓作用于回轉支承上架，經回轉支承傳遞到回轉支承下架，再由回轉支承下架通過連接螺栓作用于底架。起重機底架關乎起重機的運行穩定性，分析底架在特定工況下所受載荷，可以判定底架工作載荷是否超出材料許用應力，避免工程事故發生[1-2]。

有限元法在求解問題上不受幾何外形的約束，求解的精度和速度可根據需要不受限制。郭建生、孫秋香等人使用有限元方法對起重機底架進行分析得到較為理想的結果[3-4]。本文使用Ansys Workbench有限元軟件對起重機的靜強度進行求解分析。

2 底架分析概況

2.1 底架結構特點

如圖1所示，起重機底架前段安裝有駕駛室、離合器、發動機等，在起重機作業時底架前段不承受來自吊重的載荷。整個底架的中間部位為轉臺，承受回轉支承約束反力。底架的兩端為支腿結構，支腿有固定與活動支腿兩種，固定支腿與底架結構焊接為一體。

圖1 底架模型及附著物位置分布

2.2 底架材料參數

底架材料為HG785D，其機械性能為：抗拉強度σb=785 MPa，屈服點σs=685 MPa，許用應力[σ]=417 MPa，安全系數為1.48。

底架材料力學參數為：彈性模量E=2.1×105N/mm2；泊松比μ=0.27；比重ρ=7.85×10-6kg/mm3；重力加速度g =9.8 m/s2。

2.3 底架載荷

底架上的載荷來自轉臺支承約束反力。轉臺約束反力通過螺栓作用于支承上架，經回轉支承傳遞到支承下架，再由回轉支承下架通過螺栓作用于底架。求解底架載荷時，按螺栓分布位置添加載荷作用于轉臺，所得回轉支承約束反力作為底架載荷，但吊臂計算位置不同，受力最大螺栓位置相應變化。

2.4 工況條件

筆者就實際工作中常使用到的小幅度重載(工況1)、常規使用情況（工況2）、大幅度輕載（工況3）這3種工況對起重機工作載荷進行分析，如表1所示。其他工況由于應用較少，本文暫不討論。合力作用于轉臺回轉中心，合力矩作用于起重機起升平面內，繞過回轉中心水平軸，旋向為使吊臂下傾方向。吊臂位于底架不同方位時，對底架作用不同。

表1 底架的計算工況和載荷

本文就上述3種工況，分別對吊臂處于6個方位的底架靜強度進行分析，6個方位分布情況如圖2所示，每個方位相隔45°，又由于底架結構對稱，所以6個方位的選取涵蓋實際使用的吊臂位置。以汽車起重機整車前進方向為底架前方，直角坐標系以沿底架縱向指向后部為X軸正向，垂直底架平面指向上方為Y軸正向，Z軸正向按右手螺旋法則確定。

圖2 底架在ANSYS中的殼體模型及吊臂方位位置分布

3 模型建立

3.1 模型簡化

為保證結構分析準確，對主體結構不做簡化，結構細節不予考慮。為了更準確地求得底架工作載荷和變形，在底架模型中增加了油缸結構，模擬活動支腿支撐液壓缸對底架的作用及其變形。

3.2 單元選擇

底架基本構件為典型薄殼結構，故殼體SHELL93單元能很好地模擬其幾何和載荷特征。劃分單元后，有限元模型含58 894個殼單元，174 542個節點。

3.3 載荷與約束處理

3.3.1 等效載荷

底架載荷為作用于螺栓位置的集中力和繞過轉臺圓心的集中力矩。集中力平均分布于轉臺 7 2個安裝螺栓圓孔位置，垂直向下，即 -Y方向。集中力矩則處理為使吊臂向前傾覆的力偶，力偶的一對力作用于沿吊臂軸向方向在轉臺安裝圓心前、后端分別選出的 9個安裝螺栓圓孔處。前方力偶力向下，與集中力分量疊加；后方力偶力向上，與集中力相互抵消[5-7]。這種方式較好地等效了回轉支承下架對底架的作用，如圖3所示。

圖3 底架回轉支撐處載荷的施加

為確保仿真結果準確性，計算考慮了車橋自重載荷、發動機質量、液壓油缸質量以及底架自身的重力。

3.3.2 約束條件

滑動支腿與底架連接采取節點耦合的方式，模擬滑動支腿與底架可以相對滑動并傳遞垂直載荷。在4個支撐液壓缸與地面接觸節點上添加X、Y、Z方向位移約束。

4 底架靜強度分析與結果

本文對3種計算工況6個方位組合情況的底架靜強度進行分析，底架最大應力結果如表2所示。從18種工況方位組合的分析比較得出，底架整體應力較低，但吊臂位于方位2、方位3時應力值較其他方位大，工況1下方位2、方位3和工況2下方位2、方位3、方位4以及工況3下方位3底架下底板尾部應力值已超過底架材料許用應力；工況2方位3時是底架最危險工況方位組合，此時下吊臂位于正側方。

表2 三種工況6個方位底架最大應力表 單位：MPa

圖4為工況2方位3時底架Y方向變形。Y向最大形變位于吊臂起吊正側方，此時轉臺安裝面Y向最大變形量為45.66 mm。

圖4 工況2方位3底架整體Y方向位移云圖

圖5為工況2方位3工作時底架應力云圖，圖6為應力最大位置底架下底板尾部局部應力云圖，最大應力值為460 MPa ， 此處應力值已超過底架材料許用應力417 MPa。經分析得知，造成此處局部應力較大的主要原因是底架下底板平面尺寸較大，且該板位于底架后固定支腿連接處，需承擔底架側向扭轉和彎曲載荷。

5 結語

起重機底架是起重機關鍵部件，有承擔負荷和運輸的要求。底架質量和性能直接影響起重機的工作性能，通過有限元分析得到：

a. 底架在不同工況不同方位的應力和變形情況中，有6種危險工況方位組合，應力值超過底架材料許用應力。由于底架結構對稱，3種工況和6個方位的組合基本可以覆蓋起重機實際使用全部情況。

圖5 工況2方位3底架整體應力云圖

圖6 工況2方位3底架下底板尾部局部應力云圖

b. 吊臂在方位1和方位5時應力值較小，建議起重機駕駛員在實際起吊時最好選擇吊臂位于正前方和正后方，盡量避免吊臂位于正側方。

c. 分析表明，吊臂位于方位2、方位3時底架應力值較其他方位大，底架承受縱向載荷的能力強于承受橫向載荷。后續改進設計中，增強底架承受橫向載荷的能力是需要重點考慮的。建議后期優化時采用加大底架下底板板厚或針對應力最大位置處結構進行調整，設置加強筋，并調整部分板厚，到達減重目的。