履带式起重机臂架的有限元静力学分析

履带式起重机臂架的有限元静力学分析

齐晓辉  梁东明 

(辽宁科技学院 机械工程学院，辽宁 本溪，117004)

摘要：起重机臂架是起重机最重要的受力构件之一，它不仅要具有很高的强度、刚度，而且要保证用料省、重量轻[1]。为了保证结构的可靠性及系统的安全性和经济性，有必要对臂架进行强度分析。本文以某型履带起重机的21m主臂架为研究对象，应用有限元分析软件ANSYS对其进行静力学分析。据此对该履带起重机的臂架进行评定。

关键词：起重机臂架  有限元分析  ANSYS

随着现代工业的飞速发展和国内外市场竞争激烈的加剧，使得起重机械在现代化生产中的应用越来越广，作用越来越突出，并且，对起重机的性能要求也越来越高[2]。许多大型的水利工程、城市建筑、港口建设、电力工程及正在快速发展的核工程，对起重机的起升高度和起重量提出了新的要求，在设计起重机时，对于桁架结构的应用也更加的广泛。履带起重机和塔式起重机是应用桁架结构的典型例子[3]。

本文以某型160吨履带起重机的21m臂架为研究对象，应用ANSYS的参数化设计语言APDL，根据臂架的图纸建立臂架的有限元分析模型，针对该型臂架的不同工作半径的工况进行有限元分析，研究臂架中各构件的最大应力值及其位置，据此对该履带起重机的臂架进行评定。

1、起重机臂架的力学模型

文中所计算的起重机臂架的力学模型（如图1、2）所示，在臂架变幅平面内，可以看作同时受压和端部弯矩的两端简支梁，在回转平面内，可以看作是臂根固定，臂端有弹性支撑的悬臂构件[4]。

图1 臂架变幅平面受力示意图             图2 臂架回转平面受力示意图  

—额定起重量(t)；—起升动载系数；—起升钢绳与滑轮连接处距臂头的距离(mm)；—变幅拉杆与臂架连接处到臂头的距离(mm)；—变幅拉杆拉力(N)；—变幅拉杆夹角(°)；—起升绳拉力(N)；—臂架仰角；—起升绳夹角(°)；—臂架自重载荷(N)；—起升冲击系数；—臂架作业半径(mm)；—臂架铰点至回转中心的距离(mm)；—臂架长度(mm)；、—臂架铰点支反力(N)；—偏摆力(N)；—计算风压(N/m2)；

2、 起重机臂架材料的尺寸参数

本文中起重机的主要尺寸参数如表1。其中表示符列为臂架在应用APDL编程语言建立有限元模型时所用的参数符号。

表1臂架材料的主要参数

3、有限元分析模型中各单元的选取

文中建立起重机臂架模型时所使用的主要单元类型[5-6]为，BEAM188单元、LINK8单元、SHELL181单元。

4、臂架有限元模型的建立

有限元分析软件ANSYS亦提供了参数化设计语言，即APDL语言。采用APDL编程，可使得整个建模过程具有重复性、开发性、良好的修改性等优点。故本文采用APDL语言进行模型建立。21米臂架由主臂架9m下臂架，3m中间节，9m上臂架组成。如图3。

(a)下臂架                                (b)上臂架

(c)3m中间臂节

图3 臂架模型

 6、 臂架工况参数

本文中研究的臂架工况及载荷如表2与表3。

表221m主臂工况载荷表

表3 21m主臂工况载荷表续

7、臂架有限元求解结果及分析

当工作半径为5m时，臂架头部位移最大，如图4，其中位移最大值为150.053mm，下臂架加强板最大等效应力值发生在下臂架加强板与机座固定铰支撑处如图5，为470.903MPa，腹杆的最大等效应力点发生在下臂架加强板里侧处，如图6，最大应力为249.723MPa，主弦杆最大等效应力值为423.63MPa，在距臂根部4073mm处，如图7。

图4 整体臂架位移极值点                    图5 下臂架加强板最大等效应力云图

图6 腹杆最大等效应力云图                           图7 主弦杆最大等效应力云图

由于在起重机的工作过程中，四根主弦杆的受力较为复杂，并且相对于其他构件较为重要[7]，因此，下面着重研究21m臂架在不同作业半径下的主弦杆受力情况。由于篇幅所限，下面仅列出5m工作半径主弦杆等效应力云图（图8）、20m工作半径主弦杆等效应力云图（图9）及5m工作半径主弦杆单元等效应力均布图（图10）及20m工作半径主弦杆单元等效应力均布图（图11），其他工作半径下的主弦杆等效应力数值及等效应力均布情况统计在表5与表6中。 

图8  5m工作半径主弦杆等效应力云图       图9  20m工作半径主弦杆等效应力云图

图10 5m工作半径主弦杆单元等效应力均布图      图11 20m工作半径主弦杆单元等效应力均布图

表3 21m臂架各个工况分析结果列表

表421m臂架各个工况分析结果列表续

臂架在各个工况下的分析结果整理后如表3及表4所示，从表中可以看出，随着工作半径的增大，即臂架仰角的减小，主弦杆的最大应力在逐渐减小，但是在工作半径为16m（仰角47o）时，最大等效应力出现了一个局部峰值，但是该峰值仍然小于需用应力。从等效应力出现的极值点可以看出，随着臂架仰角的变小，主弦杆上的等效应力的峰值在逐渐向臂头方向移动。从等效应力最大值出现的主弦杆可以看出，总体趋势都是随着工作半径的增大，受力最大的主弦杆是从主弦杆3变化到主弦杆2。

8、总结

本文应用有限元分析软件ANSYS进行静力学分析对某型履带起重机21米臂架的不同工况进行分析，通过分析，可以看出不同的作业半径下，主弦杆的最大等效应力值、最大等效应力值在主弦杆沿臂架方向的位置、最大等效应力出现的主弦杆等三个指标均在以一定的规律在变化，该变化情况可以用文中所述的方法进行分析，故本文的结论可供起重机研究的相关人员进行一定的参考。

参考文献

[1]许格宁. 起重运输机金属结构[M]，北京：机械工业出版社，1995

[2]刘中星，卫东. 我国履带起重机行业现状和发展[J]，建设机械技术与管理，2010，(09)：58.

[3]Mike Osenga. Manitowoc's new lattice-boom crawler crane[J]，Diesel PRogress North American Edition, 1998, 64(9): 50.

[4]齐晓辉. 起重机臂架稳健可靠性优化设计研究[D]，东北大学，2012

[5] ANSYS Command Reference[M]，Tenth Edution，SAS，IP，Inc

[6]尚晓江. ANSYS结构有限元高级分析与范例应用[M]，北京：中国水利水电出版社，2008

[7]杨会鹏. 履带起重机臂架优化设计及参数化建模[D]，东北大学，2009

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