起重機人字架拉桿應力分析及校核

王升科 曲應愷 李曉琪

（1.煙臺東德實業有限公司，煙臺 264000；2.東方電子股份有限公司，煙臺 264000；3.煙臺大學，煙臺 264005）

1 900 t/200 t 起重機是一種臂架式起重機，其變幅機構及其對重杠桿等都與人字架相連。所有吊重、臂架系統等所產生的載荷都將作用在人字架上[1]，因此人字架的結構型式和承載能力與起重機的基本參數、所采用的臂架及變幅機構的型式緊密相關。它的安全穩定直接關系到起重機的安全。人字架拉桿作為人字架中的主要受力部件，其結構和承載能力直接影響起重機的基本參數，所以對人字架拉桿的有限元分析顯得非常重要。1 900 t/200 t 起重機臂架主要包括主臂、主臂變幅、副臂、人字架和副臂拉桿等結構[2]，如圖1 所示。為滿足副臂的使用要求，提出新的方案圖并對其進行有限元分析。

圖1 臂架系統組成

1 建立人字架拉桿有限元模型

1.1 載荷計算

載荷狀態是設計和改造起重機的基本參數。通過它可以確定起重機的工作級別，指導起重機結構和重要零部件的選擇[3]。由于實際情況下載荷復雜多變，因此只能通過理論計算加仿真以及試驗的方法來確定。對于人字架拉桿而言，起升載荷、自重載荷、回轉慣性載荷以及風載荷會對人字架拉桿的設計起到指導性作用[4]。

起升載荷P'Q：

式中：φ2為起升動載系數；Q1為起升載荷，Q2為鋼絲繩載荷，Q3為吊鉤載荷。

式中：φ1為自重沖擊系數；G1為副臂自重；G2為副臂拉桿重量；G3為副臂人字架自重。

回轉慣性載荷包括自重回轉慣性載荷PHG和起重量回轉慣性載荷PHQ：

式中：φ5為載荷系數；a1為臂架重心處回轉加速度；a2為吊載重物回轉加速度。

工作狀態下，取計算風速v=13.8 m·s-1。在臂架計算過程中，考慮風載均布作用于臂架上，側向吹向臂架。它的充實率應按實際面積除以輪廓面積得之。風載荷包括起重量風載PWQ和臂架風載PWB：

式中：C為起重量或臂架的風力系數，臂架的風力系數取值1.2；p為計算風壓；A為起重量或臂架的迎風面積；η為擋風折減系數。

1.2 材料屬性

①縱向參與拉伸應力與自重載荷引起的縱向拉伸應力的聯合作用，有：

式中：σG為結構構件縱向拉伸應力，在有限元中計算副臂系統僅自重作用下的結構應力，提取板材上最大應力代入計算得σG=81 N·mm-2-2；σS為板材屈服應力；σb為板材抗拉應力。

②構件材料厚度的影響為：

式中：t為板材厚度。為保守考慮，以板材最大厚度代入計算。

③工作環境溫度的影響為：

式中：T為工作環境溫度。根據本機技術規格，取T=-10 ℃。

④綜合評價系數為：

總綜合評價系數大于4，應選取鋼材質量組別為3或以上的材料，故本機人字架拉桿材料選取Q500C。結合實際工況，取強度安全系數為1.34，拉桿板厚取16 mm 以下，以滿足規范要求[3]，以此得到拉桿鋼材的許用應力為346 MPa。

有限元計算時使用的材料屬性見表1。

表1 材料屬性表

1.3 單元信息

結構方案圖如圖2 所示，在ANSYS 軟件中進行靜力分析。按照設計結構形式等效分析，有限元模型中采用下列單元類型Mass 21 和Shell 63。其中，每個Mass 21 單元都有6 個自由度，可以沿著X、Y、Z 方向上移動和繞X、Y、Z 方向轉動，且任何方向上都有不同的質量和轉動慣量，故Mass 21 單元可以作為連接的點。例如，銷孔中心點與銷孔的連接，將Mass 21 點與板采用剛性連接。Shell 63 單元可以承受平面載荷和法向載荷，同時具有抗彎能力和膜力。每個節點同樣具有6 個自由度，所以拉桿板材采用Shell 63 單元建立。單元網格尺寸劃分為100～150 mm，如圖2 所示。

圖2 拉桿結構方案圖

1.4 作業工況

本次計算結合實際情況考慮以下副臂吊載工況，結果如表2 所示。

表2 副臂吊載計算工況表

1.5 邊界條件

在副臂作業工況下，模擬銷軸連接的形式，對人字架拉桿和壓桿的根部鉸點、副臂根部鉸點均進行UX、UY、UZ 的位移約束及RX、RY 方向的旋轉約束。主臂變幅繩后絞點處施加UX、UY、UZ 的位移約束。載荷方面，施加方法與副臂的相同。對副臂所承受的起升載荷、起升繩載荷以集中力的形式施加在相應位置。對副臂以及人字架所承受的風載荷、回轉慣性載荷以加速度形式施加在人字架和副臂上。

計算中，載荷施加的方向均按照圖3 中的坐標系統方向施加。

圖3 坐標示意圖

全局坐標系X 方向為臂架平面與水平面的交線指向吊重，Y 方向為水平面的垂線指向吊重，Z 方向為臂架平面的垂線指向起重機。按照以上所述，對起重機的臂架系統進行邊界約束后，得到的模型如圖4所示。

圖4 約束后模型

2 副臂作業工況下的人字架拉桿應力分析

參考李聰、張亞鵬等人對起重機立柱分析對起重機人字架拉桿進行有限元分析，得出結論[5]。

2.1 工況1 計算結果分析

工況1 條件下，起重機副臂起質量為265 t，是6個工況中的最大值，此時的主臂仰角約為79.87°，同樣是6 個工況中的最大仰角，是最危險工況。臂架整體有限元分析應力云圖，如圖5 所示。

圖5 整體應力云圖

人字架拉桿及箱型結構應力如圖6 所示。由圖6可知，人字架結構板材的應力普遍小于64 MPa，遠小于鋼材的許用應力，滿足要求。

圖6 人字架拉桿及箱型結構應力云圖

2.2 工況3 計算結果分析

工況3 條件下，副臂起重力矩和起重量均達到最大值，同樣是最危險的工況。臂架整體有限云分析應力云圖，如圖7 所示。

圖7 整體應力云圖

在工況3 情況下，人字架結構板材的普遍應力為107 MPa 以下，如圖8 所示，滿足板材的許用要求。

圖8 人字架拉桿及箱型結構應力云圖

2.3 工況5 計算結果分析

工況5 是拉桿受力的最大工況，是最危險的工況之一。分析提取各個工況副臂拉桿受力，得到最大拉桿力為6 105.4 kN，由此對拉桿結構進行有限元分析。

拉桿整體分3 節。雖然3 節之間為銷軸連接，但考慮到實際結構中可能出現的不利情況，有限元分析中對3 節之間的連接作剛性連接處理。拉桿一段模擬銷軸連接的形式施加相應的約束，另一端施加拉桿力。拉桿的整體應力云圖如圖9 所示，豎直方向變形云圖如圖10 所示，中間箱體局部應力云圖如圖11所示。

圖9 拉桿整體應力云圖

圖10 豎直方向變形云圖

圖11 中間箱體局部應力云圖

可見，拉桿中間箱體在拉桿力和自重載荷作用下，上蓋板應力為105.4 MPa，下蓋板應力為154.8 MPa，均小于拉桿箱體板材許用應力346.0 MPa，滿足要求。

2.4 其他工況結果匯總分析

從表3 可以看出，各工況下人字架拉桿的應力均小于許用應力，滿足結構的使用要求。

3 結語

本文通過對人字架拉桿進行危險工況下的有限元分析校核，得出此種人字架拉桿滿足1 900 t/200 t 起重機的使用要求，且整體穩定性和局部穩定性均滿足使用要求。