交通基础设施建设用塔式起重机销轴联接接头结构有限元分析

2018-05-08 02:08李红昌

小型内燃机与车辆技术 2018年2期

李红昌

（西安特种设备检验检测院陕西西安 710065）

引言

交通基础设施包括一般公路交通设施、高速公路交通设施，市政道路交通设施，轨道交通设施、停车场设施等。塔式起重机因操作简便，工作效率高，广泛应用于交通基础设施建设中。起重臂是塔式起重机的重要组成部分，也是其主要的受力部件之一。作为塔式起重机起重臂的重要组成部分，销轴连接接头的设计对于起重臂的工装、制作工艺、材料成本、工时损耗、安全性和起重性能等都有不同程度的影响。因此，对销轴连接接头的设计进行探讨很有必要[1]。传统的销轴连接结构主要有耳板开槽和钢管开槽，但这2种结构各有利弊。胡婷等人[2]设计了一种新型连接接头，即耳板和钢管同时开槽，然后通过焊接联接。分析指出，该新型结构优于传统的2种结构，但开槽截面所在的位置与该新型结构应力之间的关系并没有说明。本文针对该新型结构，通过有限元分析，找出开槽截面的位置对该新型结构受力的影响，从而对该新型结构进行优化。

1 销轴连接接头受力分析

图1为某型号塔式起重机结构。在进行受力分析之前，需先给定一些假设条件：

1）忽略风载、偏载、温度等对塔机的影响；

2）组成起重臂的各段结构相同，且每段连接处的销轴结构相同；

3）当塔机达到最大起重量时，离塔基最近段销轴结构所受拉力最大，假设销轴处的受力为一水平的集中力F[3-4]。

图1 塔式起重机结构图

为了方便地计算起重臂上销轴连接接头受到的最大拉力，对起重臂结构进行简化，简化后的结构如图2所示。

图2 起重臂结构简化图

设起重机起重臂的自重为G，N；重心位置距O点的距离为Lg，m；最大起重量为H，N；最大起重时吊钩位置距O点的距离为Lh，m；销轴处受到的力为F，N；起重臂高度为Lf，m。在塔机的中性平面内，将受力情况进行简化，以求取塔机销轴连接接头的受力大小。可根据桁架和回转平台连接处O点的力矩平衡方程进行求解：

将起重机的参数代入力矩方程式（1），可计算出销轴联接接头处所受的最大拉力[5]。

2 有限元模型

2.1 结构分析

图1所示的塔式起重机的销轴连接头结构如图3所示。该结构是在耳板处开一个矩形槽，矩形槽长度至A-A截面处。同时，钢管与耳板连接的一端也开槽至A-A截面。A-A截面是耳板矩形槽的底面与钢管矩形槽底面相接触的位置，通过焊接将两者联接成一体。选择A-A截面作为研究对象，是因为对于联接接头这一整体，A-A截面所处位置是应力集中最大的位置，也是该结构中最薄弱的位置，A-A截面的可靠性代表了塔机联接接头的可靠性，只要保证了A-A截面这一最危险位置的可靠性，也就保证了该结构其他位置的可靠性。

图3 销轴接头结构

本文主要研究A-A截面的相对位置对构件受力的影响，故将A-A截面距耳板末端的距离分别设为 40、120、200、280、360mm，具体尺寸如图 4 所示。

图4 A-A截面相对位置示意图

为了便于区分，将A-A截面不同相对位置的结构依次命名为A、B、C、D、E结构。这5种结构除A-A截面的相对位置不同外，其余结构尺寸相同。

2.2 有限元模型建立

塔式起重机起重臂销轴连接接头的材料为Q690高强度焊接结构钢，该材料的力学性能见表1。

钢管与耳板处为焊接结构，在实际建模中，焊缝处均按连续处理，其材料特性与母材一致。同时，为了减少有限元计算量，在不影响计算结果的情况下，对模型进行必要的简化，如去掉倒角、相切形成的小角等。焊缝处通过填补材料的方法进行模拟。为了便于后续网格的划分，在建模过程中，将耳板和钢管进行必要的切分，然后通过glue的方法进行粘贴。耳板和钢管均采用solid186单元模拟。为了便于后面读取特定点的应力，网格划分采取sweep划分法，尺寸控制在10mm。在一些可能出现较大应力的位置，对网格进行细化处理[6]。其中C结构的有限元模型如图5所示。

在求解时，为保证计算结果的可靠性，载荷F以集中力的形式加载在销孔的同一位置，其值为7680 kN，并对钢管底端进行全约束后再求解。

图6 C结构应力云图

图7 钢管应力云图

图8 耳板应力云图

图9 耳板取点示意图

3 结果分析

图6为C结构应力云图、图7为钢管应力云图、图8为耳板应力云图。从图6、图7、图8可以观察到，忽略应力集中的影响，在钢管与耳板焊接处应力较大。

为了研究A-A截面对耳板和钢管焊接结构的影响，在有限元模型中选取A-A截面所在处的3、4、5、6、7等5个节点，同时选取钢管与耳板焊接前端的2个节点1、2，如图9所示。为了减小应力集中对结果的影响，这7个点都是距焊缝位置10mm内的点。

同时，为了研究A-A截面对钢管的影响，在钢管A-A截面处避开应力集中的位置选取8号点，如图10所示。

在有限元模型中，分别对 A、B、C、D、E 等 5种结构相同位置读取耳板上7个节点和钢管A-A截面上1个节点的应力，结果如图11~图13所示。

1）对耳板进行分析。从图 11 可以看出，1、5、7 等3点处的应力随着耳板A-A截面相对位置的增大呈增加的趋势；从图12可以看出，在A-A截面的相对位置大于200mm时，2、3、4、6等4点处的应力呈明显增加的趋势；在A-A截面的相对位置小于200mm时，这4点处的应力呈先下降后增加的趋势。因此，当A-A截面的相对位置在40~200mm之间时，这种结构形式的耳板既可减轻起重臂的质量，又可减小制造成本，同时还可补偿钢管最危险截面的缺陷，充分发挥钢管的承载能力，提高整机性能。

2）对钢管大应力点进行分析。8号点的应力结果如图13所示，从图13可以看出，随着A-A截面相对位置的增大，钢管上8号点处的应力呈先减小后增大的趋势，且在A-A截面的相对位置为120~200mm范围内达到最小值。

综上所述，当A-A截面的相对位置为120~200mm时，各点的应力都相对较小，结构受力比较均匀，销轴联接接头结构更加合理。