履帶起重機臂架金屬結構應力仿真與試驗研究

王小燕

南京市特種設備安全監督檢驗研究院 南京 210019

0 引言

履帶起重機是一種廣泛應用于施工現場的動臂式起重機，具有通過性好、適應性強等特性，包括行走機構、回轉機構、變幅機構、起升機構和臂架結構等部分[1]。其中，臂架結構能同時起到變幅和承載的作用，是履帶起重機的關鍵部件。在長時間使用后，臂架金屬結構可能會出現磨損、腐蝕、裂紋、變形等現象，對履帶起重機的安全性能造成一定影響。因此，對老舊履帶起重機進行安全性能評估時，其臂架金屬結構的分析顯得尤為重要。

本文以P＆H7150型履帶起重機臂架金屬結構為研究對象，通過Abaqus軟件進行仿真分析，并通過現場應力測試對其應力進行分析，驗證其結構強度是否滿足使用要求，為該類型起重機的設計、制造、應力測試和檢驗等提供參考依據。

1 起重機基本參數

P&H 7150型履帶起重機于1987年制造，其臂架金屬結構如圖1所示，由臂架前節、中間節和臂架尾節等3部分組成。臂架長度通過增減不同數量的中間節進行改變，臂架長度最短為18.29 m，最長為82.3 m，工作幅度為5～62 m，最大起重量為150 t。臂架金屬結構由3種不同尺寸的無縫鋼管焊接而成，主弦桿直徑為114 mm，厚度為7.4 mm；第一類腹桿直徑為76 mm，厚度為2.8 mm；第二類腹桿直徑為65 mm，厚度為2.8 mm。本次軟件仿真和現場實測的履帶起重機臂架，如圖2所示，全長為57.91 m，包括臂架前節、6節中間節和臂架尾節。

圖1 履帶起重機實物圖

圖2 臂架結構示意圖

由隨機資料可知，該起重機主臂材料為STK490ME。查閱日本工業標準JⅠS G3444—2015《一般結構用碳素鋼管》，屈服強度σs≥315 MPa，抗拉強度σb≥490 MPa，泊松比V為0.274[2]。

2 建模仿真及分析

2.1 有限元模型建立

應用有限元軟件Abaqus對履帶起重機臂架金屬結構進行建立三維模型。該臂架金屬結構是由無縫鋼管焊接而成的空間桁架結構，且實際工程問題比較復雜，支承邊界形式多樣、載荷變化多端。因此，在建立計算模型過程中要作合理的簡化：由于桁架之間的連接方式均為焊接，在分析整個臂架時不考慮焊縫的影響，弦桿上相鄰各腹桿端點合為一點；各臂節連接銷處為一個整體，無繞銷軸的相對轉動；鋼結構在彈性范圍內工作，彈性模量為常數[3]。

臂架結構簡化為不同尺寸的3種桿件。主臂弦桿截面為環形，第一類、第二類腹桿為環形截面，尺寸設定為實測值，這3類梁截面分別賦予模型的不同位置。臂架底部加固鋼板選用殼單元模擬，根據相關技術文件設置殼的厚度為50 mm。

采用Abaqus中裝配功能，將鋼板裝配到桁架結構上，即可得到臂架的整體模型。再利用裝配中旋轉功能對整體結構對應的2種工況進行角度的旋轉；利用網格模塊，將模型進行網格劃分。整體模型共有5 815個單元，其中梁單元有5 725個，殼單元有90個。完成建模和網格劃分后的臂架結構，如圖3所示。

圖3 臂架結構網格圖

2.2 邊界條件及加載

載荷以集中力均勻施加到臂架前端4個節點上，每個節點的力為300 000r4＝75 000 N，受力方向垂直向下，如圖4所示。

圖4 載荷受力分向

計算自重載荷時，模擬結構自身重力載荷下對整體結構產生的應力。結構自重載荷以重力加速度的方式施加，重力加速度g＝9 800 mm/s2，如圖5所示。

圖5 結構自重載荷受力分析

根據本次仿真計算的臂架長度和作業幅度，可算得2個工況下的臂架角度，2個計算工況的參數，見表1。

表1 仿真計算工況參數

臂架與車身相連接，在正常作業時，臂架與車身固定在一起，可認為臂架底部約束形式為完全固定約束，即UX＝0，UY＝0，UZ＝0，URX＝0，URY＝0，URZ＝0。底部施加的約束，如圖6所示。

圖6 邊界約束

2.3 仿真結果及應力計算

通過仿真計算，得出圖7、圖8所示工況Ⅰ、工況Ⅱ整體應力分布情況。由圖7可知，工況Ⅰ的情況下，臂架的最大應力值為203 MPa；由圖8可知，工況Ⅱ的情況下，臂架的最大應力值為195 MPa。

圖7 工況Ⅰ整體應力分布

圖8 工況Ⅱ整體應力分布

3 現場應力測試

3.1 現場測點和測試工況

履帶起重機的臂架結構為桁架結構，主應力受力方向明確，根據軟件仿真分析結果，結合現場實際情況，在結構受力分析的基礎上確定危險應力區，本次現場測試共布置測點22個，涵蓋主弦桿和腹桿。

動態數據采集選用DH5908型無線動態數據采集儀，設置設備采樣頻率為100 Hz，應變片接線采用半橋方式，每個測點采取1個工作片和1個補償片的連接方式。

靜態數據采集選用TDS-530 型高速靜態數據采集儀，設置采樣頻率為1 Hz，應變片接線采用半橋方式，使用有線傳輸，共用補償片方式，記錄各測點的靜態應力數據。

測點分布及數據傳輸方式如表2所示。查閱履帶起重機特性曲線圖和特性曲線表及測試現場情況，確定2種測試工況，如表3所示。

表2 測點分布

表3 測試工況

3.2 應力測試及數據分析

在完成各項測試準備工作后，按照操作程序進行現場試驗。在試驗中每個測試工況均應平穩加載，動態應力數據穩定后記錄，每個工況至少重復3次，比較每次測試結果的差別。如果出現試驗后數據無法歸零，或2次試驗的結果超過10個微應變的情況，則要對應變片或數據采集儀器進行重新調整[4]。

1）靜態應力測試

部分測點靜態應力測試結果，如表4所示。

表4 部分測點靜態應力測試結果 MPa

2）動態應力測試

工況Ⅰ、Ⅱ各測點動態應力曲線，如圖9、圖10所示。

圖9 工況Ⅰ各測點動態應力曲線

圖10 工況Ⅱ各測點動態應力曲線

部分測點的動態應力峰值、動態應力穩定值及對比，如表5所示。

表5 部分測點動態應力峰值、穩定值 MPa

3.3 測試數據分析

根據測試結果，工況Ⅰ時主弦桿整體受壓應力，尾節根部壓力值較小，靜態應力最大值（即動態應力穩定值）為-135.509 MPa，出現在測點13，即中間節2弦桿（距臂架根部35.2 m，上部臂架）處，此時動態應力峰值為-144.385 MPa。

工況Ⅱ時主弦桿整體受壓應力，靜態應力最大值（即動態應力穩定值）同樣出現在測點13，此時應力最大值為-115.213 MPa，動態應力峰值為-124.013 MPa。

根據理論計算，工況Ⅰ時測點13的自重應力（含吊具自重2.5 t）為壓應力，約57 MPa。根據GB/T 14560—2016《履帶起重機》附錄D1.4.3.1項要求作業狀態工況下，均勻高應力區安全系數最小值為1.48[5]。該履帶起重機臂架結構的安全系數n為

由此可知，在2種測試工況下，主弦桿上各測點的安全系數均大于最小安全系數1.48，符合GB/T 14560—2016結構強度的安全要求。

4 比較分析和總結

履帶起重機臂架結構軟件仿真分析和現場實測結果如表6所示，本文采用有限元仿真和現場實測2種方式對履帶起重機臂架金屬結構強度進行了分析和研究。由表6數據分析可知，仿真分析與現場實測結果的整體趨勢具有較好的一致性，現場實測結果驗證了軟件仿真結果的可靠性。綜合分析表明該起重機金屬結構強度符合國家標準和相關安全技術規范的要求。

表6 仿真分析和實測數值對比 MPa

金屬結構強度分析是履帶起重機安全性能評估的一個重要項目。仿真分析法和現場實測法有各自的優勢，通過仿真分析法可獲得結構連續應力分布情況，通過現場實測法可獲得結構應力準確數值。但同時2種方法有其局限性，如仿真分析法的約束施加、模型簡化，現場實測法測點選擇等，都會對分析結果造成影響[6]。因此，將2種方法結合，通過綜合判定的方法，更全面地對履帶起重機金屬結構受力狀況做出綜合評估。