伸縮臂履帶起重機轉臺的有限元分析★

權哲奎，何喜東，蔣 佩，趙瑞恒，李 兵

（1.浙江三一裝備有限公司，浙江 湖州 313000；2.湖州師范學院 工學院，浙江 湖州 313000）

引言

SCC250TB起重機最大起質量25 t，最大起重力矩110 t·m，作業高效，復雜路面適應性好。它不僅可以滿足旋挖鉆鋼筋籠吊裝，還可以應用于狹小空間廠房的鋼結構安裝和野外高壓輸電線塔施工。轉臺是起重機的主要受力部件，也是起重機的三大構件之一，分析轉臺的應力和位移在不同工況下的強度和變形十分重要[1]。

轉臺主要用于安裝起重臂、起升機構等部件，也是連接地盤和起重臂的關鍵結構件[2]。由于轉臺結構和受力情況比較復雜，使用傳統方法很難準確計算其受力情況，本文通過ANSYS軟件建立該起重機轉臺的有限元模型，對上車0°和45°回轉時整車在最大力矩和最大載荷的超載和額載+側載等不同工況下的應力進行分析。

1 有限元分析

1.1 計算模型

通過Creo建立起重機轉臺的三維模型，為了在有限元分析時方便網格的劃分和節省時間，在建模時可以忽略對計算結果影響較小的特征，例如：倒角、小孔、螺紋孔以及加強筋等。并填補焊縫坡口，形成焊接體有限元實體模型[3]。本文中整車焊接體采用的是solid185實體單元，單元大小為8～15 mm。在轉臺和回轉支撐、回轉支撐和底座之間建立接觸單元。將各個工況不同載荷分別施加在相應模型受力點處的mass21質量單元上，通過耦合約束連接到計算模型上[4]。其中最大力矩超載上車0°回轉時有限元模型如圖1所示。

圖1 整車有限元模型

1.2 最大起重力矩工況

本文對起重機在最大起重力矩時，載荷為29.375 t工況下轉臺的應力分布情況，按照三個子工況進行有限元分析，結果如下：

1）最大起重力矩工況：工作半徑5 m，上車回轉0°。在最大起重力矩，載荷29.375 t，上車回轉0°的工況下，轉臺應力分布圖如圖2所示，轉臺應力集中區域如圖3所示，最大應力發生在轉臺底板和臂架接觸的圓弧處，應力值為379 MPa，小于許用應力652 MPa（即材料的HG785的屈服強度685 MPa除以許用安全系數1.05），滿足整體設計的要求。

圖2 載荷29.375 t、上車回轉0°時轉臺應力（Pa）分布

圖3 轉臺應力集中區域

2）最大起重力矩、29.375 t超載工況：工作半徑5 m，上車回轉45°。在最大起重力矩，29.375 t超載，上車回轉45°工況下，圖4所示為轉臺應力分布圖，轉臺應力集中所處的位置如圖5所示，最大應力發生在側板上方孔口處，最大應力為299 MPa，小于許用應力652 MPa，整體應力滿足設計要求。

圖4 載荷29.375 t、上車回轉45°時轉臺應力（Pa）分布

圖5 轉臺應力集中區域

3）最大起重力矩，23.5 t額載+3%側載工況，工作半徑5 m，上車回轉0°。在最大起重力矩，23.5 t額載+3%側載，上車回轉0°工況下，應力分布圖如圖6所示，轉臺應力集中區域如圖7所示，最大應力發生在轉臺底板和臂架接觸的圓弧處，最大應力值為301 MPa，小于許用應力623 MPa（即材料HG785的屈服強度685 MPa除以許用安全系數1.1），滿足應力設計要求。

圖6 載荷23.5 t額載+3%側載、上車回轉0°時轉臺應力（Pa）分布

圖7 轉臺應力集中區域

1.3 最大載荷工況

本文根據起重機在最大載荷為31.25 t工況下轉臺的應力分布情況，按照三個子工況進行有限元分析，結果如下所示：

1）最大載荷31.25 t超載工況，工作半徑3 m，上車回轉0°。在最大載荷31.25 t超載，上車回轉0°工況下，轉臺的應力分布圖如圖8所示，轉臺應力集中區域如圖9所示，回轉螺栓處側板尖角處為應力最大值，最大應力為181 MPa，小于許用應力652 MPa，滿足設計要求。

圖8 載荷31.25 t、上車回轉0°時轉臺應力（Pa）分布

圖9 轉臺應力集中區域

2）最大載荷31.25 t超載工況，工作半徑3 m，上車回轉45°。在最大載荷31.25 t超載，上車回轉45°工況下，轉臺應力分布如下頁圖10所示，轉臺應力集中發生在如下頁圖11所示位置，后方卷揚螺栓孔處應力值最大，最大應力為161 MPa，小于許用應力329 MPa（即材料Q345的屈服強度234 MPa除以許用安全系數1.05），整體應力滿足設計要求。

圖10 載荷31.25 t、上車回轉45°時轉臺應力（Pa）分布

圖11 轉臺應力集中區域

3）最大載荷25 t額載+3%側載工況，工作半徑3 m，上車回轉0°。在最大載荷25 t額載+3%側載上車回轉0°工況下，轉臺應力分布圖如圖12所示，轉臺應力集中區域如圖13所示，最大應力發生在后配重安裝耳板處，最大應力為164 MPa，小于許用應力（623 MPa），整體應力滿足設計要求。

圖12 載荷25 t額載+3%側載上車、回轉0°時轉臺應力（Pa）分布

圖13 轉臺應力集中區域

經過對履帶起重機的轉臺建立有限元模型，對各種工況下的應力分布進行分析、校驗強度，結果表明250TB轉臺應力滿足材料強度要求。不同工況下各構件的應力如表1所示。

2 結論

表1 各工況下轉臺的應力匯總

本文對履帶起重機轉臺在各工況下的應力進行了分析，分析結果表明轉臺各位置的應力小于許用應力，符合設計要求。有限元分析有助于提升產品設計效率，為產品的結構優化設計提供了依據。