双轮铣绞盘支架的有限元分析和优化

贺 雷 孙 余 倪 坤 王淑婧

（1.江苏徐工工程机械研究院有限公司，徐州 221004；2.徐州徐工基础工程机械有限公司，徐州 221004）

双轮铣槽机（以下简称双轮铣）作为专用的地下连续墙施工设备，具有成槽施工效率高、孔型规则、墙体垂直度高以及安全环保等特点，广泛应用于地铁站、高建基坑、大桥锚碇以及深排隧道等大型基础工程。

绞盘是双轮铣的核心构件之一，主要由绞盘支架、回转支承、卷筒以及减速机等组成。因此，以某型号双轮铣的绞盘支架为研究对象，通过有限元分析和拓扑优化，对绞盘支架结构进行优化，使其在满足力学性能的前提下，减轻重量，节约原材料。

1 绞盘支架的工况分析

卷筒通过回转支承悬臂安装在绞盘支架上，因此绞盘支架受到卷筒和软管的自重产生倾覆力。尤其在转场运输时，它上缠绕的软管长度最长，此时倾覆力最大。在双轮铣施工时，卷筒释放软管随铣刀架同步下放。绞盘支架在受到倾覆力的同时，还受到释放的悬吊软管的重力和铣刀架对软管的预紧拉力作用。因此，文章先在转场运输和施工两个工况下对绞盘支架进行有限元分析。

图1 转场运输工况应力云图

2 各工况下绞盘支架受力分析

在转场运输工况下，卷筒及软管自重约14.4t（考虑软管中充满油液）。在施工工况，考虑施工到最大深度，此时倾覆力最小（约30kN），悬吊的软管重力最大，软管受到的总拉力约140kN（为增大安全系数，不考虑泥浆浮力）。在转场运输和施工时，绞盘支架会受到各种冲击的影响，故计算载荷需乘以动载系数。参照《起重机设计规范》并结合实际经验，此处动载系数取2。

在Pro/E中绘制绞盘支架三维模型，并导入ANSYS中进行网格划分，分别利用上述载荷加载计算，则两个工况下绞盘支架的应力云图如图1和图2所示。

图2 施工工况应力云图

通过分析计算结果发现，最大应力发生在转场运输工况，最大应力为116.2MPa，且绞盘支架绝大部分区域的应力均较小，因此有必要对绞盘支架进行拓扑优化以改善其材料使用率。

3 绞盘支架拓扑优化

在ANSYS Workbench中调用Shape Optimization。由于最大应力发生在转场运输工况，因此只在该工况进行拓扑优化。设计的优化目标为总重量的30%，拓扑优化的结果如图3所示，颜色较深的区域是软件建议可以做减重处理的区域。综合考虑生产的方便性和要为其他附属件提供安装位置，在Pro/E中修改模型并在ANSYS中加载计算，结果如图4所示。

图3 拓扑优化结果图

图4 优化后绞盘支架应力云图

拓扑优化前后的分析结果对比如表1所示。虽然经过优化后的绞盘支架的最大应力较优化前有了一定的增加，但远小于Q345低合金结构钢的屈服极限，仍然在安全范围内，且绞盘支架质量比原来减少了251kg。

表1 优化结果对比

4 结语

通过使用ANSYS Workbench软件对绞盘支架进行静力分析可知，原绞盘支架结构设计满足强度要求，但同时也有较大的优化空间。通过ANSYS的Shape Optimization模块对绞盘支架进行拓扑优化，得到了更合理的结构，避免了材料浪费（减重251kg）。目前，优化后的绞盘支架结构已成功在双轮铣上应用，具有良好的指导意义。