雙輪銑絞盤(pán)支架的有限元分析和優(yōu)化

賀 雷 孫 余 倪 坤 王淑婧

（1.江蘇徐工工程機(jī)械研究院有限公司，徐州 221004；2.徐州徐工基礎(chǔ)工程機(jī)械有限公司，徐州 221004）

雙輪銑槽機(jī)（以下簡(jiǎn)稱雙輪銑）作為專(zhuān)用的地下連續(xù)墻施工設(shè)備，具有成槽施工效率高、孔型規(guī)則、墻體垂直度高以及安全環(huán)保等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于地鐵站、高建基坑、大橋錨碇以及深排隧道等大型基礎(chǔ)工程。

絞盤(pán)是雙輪銑的核心構(gòu)件之一，主要由絞盤(pán)支架、回轉(zhuǎn)支承、卷筒以及減速機(jī)等組成。因此，以某型號(hào)雙輪銑的絞盤(pán)支架為研究對(duì)象，通過(guò)有限元分析和拓?fù)鋬?yōu)化，對(duì)絞盤(pán)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使其在滿足力學(xué)性能的前提下，減輕重量，節(jié)約原材料。

1 絞盤(pán)支架的工況分析

卷筒通過(guò)回轉(zhuǎn)支承懸臂安裝在絞盤(pán)支架上，因此絞盤(pán)支架受到卷筒和軟管的自重產(chǎn)生傾覆力。尤其在轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)輸時(shí)，它上纏繞的軟管長(zhǎng)度最長(zhǎng)，此時(shí)傾覆力最大。在雙輪銑施工時(shí)，卷筒釋放軟管隨銑刀架同步下放。絞盤(pán)支架在受到傾覆力的同時(shí)，還受到釋放的懸吊軟管的重力和銑刀架對(duì)軟管的預(yù)緊拉力作用。因此，文章先在轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)輸和施工兩個(gè)工況下對(duì)絞盤(pán)支架進(jìn)行有限元分析。

圖1 轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)輸工況應(yīng)力云圖

2 各工況下絞盤(pán)支架受力分析

在轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)輸工況下，卷筒及軟管自重約14.4t（考慮軟管中充滿油液）。在施工工況，考慮施工到最大深度，此時(shí)傾覆力最小（約30kN），懸吊的軟管重力最大，軟管受到的總拉力約140kN（為增大安全系數(shù)，不考慮泥漿浮力）。在轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)輸和施工時(shí)，絞盤(pán)支架會(huì)受到各種沖擊的影響，故計(jì)算載荷需乘以動(dòng)載系數(shù)。參照《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，此處動(dòng)載系數(shù)取2。

在Pro/E中繪制絞盤(pán)支架三維模型，并導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，分別利用上述載荷加載計(jì)算，則兩個(gè)工況下絞盤(pán)支架的應(yīng)力云圖如圖1和圖2所示。

圖2 施工工況應(yīng)力云圖

通過(guò)分析計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，最大應(yīng)力發(fā)生在轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)輸工況，最大應(yīng)力為116.2MPa，且絞盤(pán)支架絕大部分區(qū)域的應(yīng)力均較小，因此有必要對(duì)絞盤(pán)支架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化以改善其材料使用率。

3 絞盤(pán)支架拓?fù)鋬?yōu)化

在ANSYS Workbench中調(diào)用Shape Optimization。由于最大應(yīng)力發(fā)生在轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)輸工況，因此只在該工況進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。設(shè)計(jì)的優(yōu)化目標(biāo)為總重量的30%，拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果如圖3所示，顏色較深的區(qū)域是軟件建議可以做減重處理的區(qū)域。綜合考慮生產(chǎn)的方便性和要為其他附屬件提供安裝位置，在Pro/E中修改模型并在ANSYS中加載計(jì)算，結(jié)果如圖4所示。

圖3 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果圖

圖4 優(yōu)化后絞盤(pán)支架應(yīng)力云圖

拓?fù)鋬?yōu)化前后的分析結(jié)果對(duì)比如表1所示。雖然經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的絞盤(pán)支架的最大應(yīng)力較優(yōu)化前有了一定的增加，但遠(yuǎn)小于Q345低合金結(jié)構(gòu)鋼的屈服極限，仍然在安全范圍內(nèi)，且絞盤(pán)支架質(zhì)量比原來(lái)減少了251kg。

表1 優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)使用ANSYS Workbench軟件對(duì)絞盤(pán)支架進(jìn)行靜力分析可知，原絞盤(pán)支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求，但同時(shí)也有較大的優(yōu)化空間。通過(guò)ANSYS的Shape Optimization模塊對(duì)絞盤(pán)支架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，得到了更合理的結(jié)構(gòu)，避免了材料浪費(fèi)（減重251kg）。目前，優(yōu)化后的絞盤(pán)支架結(jié)構(gòu)已成功在雙輪銑上應(yīng)用，具有良好的指導(dǎo)意義。