噴漿車轉臺結構全工況有限元分析

張淑君 孫武和 張衛(wèi)國

本文首先應用ANSYS軟件的APDL語言，對變幅臂的轉角及伸縮臂的伸縮長度等參數(shù)進行編程，整理得到臂架結構的全工況類型，基于此對上車結構進行全工況模擬分析，獲得轉臺結構的位移、應力分布規(guī)律及轉臺結構剛度、強度最大值及最危險工況。以此保證結構可靠性，并為系列轉臺產(chǎn)品的優(yōu)化和改形設計提供理論支持，在提升設計效率的基礎上，為下一步結構輕量化設計打下基礎。

噴漿車;轉臺結構;全工況;強度分析

0前言

噴漿車作為一種用于混凝土濕噴工藝施工的主要設備，其通過泵送系統(tǒng)將成品混凝土輸送到噴射系統(tǒng)端部，并利用高壓風將含有速凝劑的混凝土噴射到施工面上，以完成混凝土噴漿支護施工。目前，噴漿車主要用于鐵路、隧道，水利、水電的隧洞和涵洞、礦山巷道、地鐵等工程領域。噴漿車主要由臂架、轉臺、回轉底座、前后支腿、副車架、底盤、泵送系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)和速凝劑系統(tǒng)等組成。轉臺結構上部與臂架連接，下部通過回轉機構與回轉底座連接，起著連接上下車的作用。

傳統(tǒng)轉臺結構有限元計算方法，多是計算一個工況或者幾個典型工況，而且是不加臂架的計算分析，因此其計算精度難保證。由于臂架對轉臺的載荷很難準確提取，且僅僅是算了幾種工況，因此不能夠完整地體現(xiàn)臂架在全工作范圍內(nèi)對轉臺結構的受力作用。本文應用ANSYS軟件的APDL語言以及批處理命令，對臂架進行全工況編程，并對轉臺和臂架組裝一起進行計算，自動提取全工況計算結果，通過對各部件結果的整理，得到轉臺結構剛度、強度最大值及最危險工況，充分了解和掌握結構的受力情況，保證結構可靠性。

1有限元模型

本文以我公司生產(chǎn)的某型號混凝土噴漿車為研究對象進行分析計算。在Pro/E中將轉臺結構及其后相連接臂架組裝成幾何模型（圖1），再對三維模型進行幾何處理，單元選取：板件采用SHELL181殼單元，連接銷軸采用BEAM188梁單元，油缸類采用LINK180桿單元，在銷軸連接及臂架伸縮接觸處設置摩擦接觸約束，建立上車結構有限元模型，如圖2所示。

2計算工況

計算工況指的就是臂架的工作姿態(tài)，每一種工作姿態(tài)就是一個工況，理論上臂架有無數(shù)種工作姿態(tài)，臂架工作姿態(tài)如圖3-4所示。

3.2載荷

本文是對整個上裝結構進行全工況計算，結構所受載荷組合，如下（圖6）：

載荷組合=1.2*結構重量+1.3*混凝土重量+1.1*噴射反力+回轉慣性力

1.2：結構動載系數(shù);

1.3：混凝土動載系數(shù);

噴射反力：其方向始終在豎直面內(nèi)垂直于臂架長度。

3.3材料及性能（表2）

4計算結果

經(jīng)過結構全工況自動計算，得出包括各部件最大位移、最大應力、油缸力、各板件應力、對接焊縫應力等結果。對各列計算結果進行排序，得到各列數(shù)據(jù)的最大值，其中，轉臺結構最大應力出現(xiàn)在第163個工況，最大應力工況及數(shù)值，如圖7所示。

第163工況為大臂變幅70度，基本臂相對于大臂向下變幅60度，一伸臂和二伸臂全部伸出，擺臂處于中間位置。

4.1計算結果列表

全工況計算由于數(shù)據(jù)較多，僅列出所關注參數(shù)，如表3所示。

4.2計算結果

由計算結果可知，轉臺結構最大位移出現(xiàn)在側面的圍板邊緣處，主要是結構整體受力變形導致，位移量為0.32mm，剛度滿足設計要求;轉臺結構最大應力為355MPa，出現(xiàn)在尖點處，為應力集中，去除該尖點應力集中后，最大應力出現(xiàn)在軸套焊縫處，應力值234MPa，遠小于結構屈服極限，強度滿足要求，而且結構仍有進一步優(yōu)化空間。

5結論

首先，對上裝各部件進行細化建模、組裝，確定175個計算工況，通過APDL語言程序施加約束載荷，進行結構全工況自動計算，并對計算結果進行排序，得到轉臺結構最大應力工況，并充分掌握轉臺結構應力場的分布情況;轉臺結構的最大位移值0.32mm，轉臺剛度大;轉臺結構最大應力值355MPa，出現(xiàn)在結構后下端尖點處，屬于應力集中，去除該處應力集中后，最大應力為234MPa，該應力遠小于材料屈服極限，因此強度也滿足要求;通過全工況計算可知，該轉臺結構位移及應力較小，說明該結構初步設計保守，結構還有一定優(yōu)化空間，下一步，將對該轉臺結構進行優(yōu)化，達到提升材料利用率以及結構輕量化目的。

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ZHANG Shujun，SUN Wuhe，ZHANG Weiguo

This article first uses the APDL language of ANSYS software to program the parameters such as the angle of the luffing arm and the telescopic length of the telescopic arm， and sort out the full working condition type of the boom structure. Analyze and obtain the displacement and stress distribution rules of the turntable structure and the stiffness， maximum strength and the most dangerous working conditions of the turntable structure. In order to ensure the structural reliability， and provide theoretical support for the optimization and modification design of the series of turntable products， on the basis of improving the design efficiency， it lays the foundation for the next step of lightweight design.

shotcrete truck; turntable structure; full working condition; strength analysis