起重机人字架拉杆应力分析及校核

王升科 曲应恺 李晓琪

（1.烟台东德实业有限公司，烟台 264000；2.东方电子股份有限公司，烟台 264000；3.烟台大学，烟台 264005）

1 900 t/200 t 起重机是一种臂架式起重机，其变幅机构及其对重杠杆等都与人字架相连。所有吊重、臂架系统等所产生的载荷都将作用在人字架上[1]，因此人字架的结构型式和承载能力与起重机的基本参数、所采用的臂架及变幅机构的型式紧密相关。它的安全稳定直接关系到起重机的安全。人字架拉杆作为人字架中的主要受力部件，其结构和承载能力直接影响起重机的基本参数，所以对人字架拉杆的有限元分析显得非常重要。1 900 t/200 t 起重机臂架主要包括主臂、主臂变幅、副臂、人字架和副臂拉杆等结构[2]，如图1 所示。为满足副臂的使用要求，提出新的方案图并对其进行有限元分析。

图1 臂架系统组成

1 建立人字架拉杆有限元模型

1.1 载荷计算

载荷状态是设计和改造起重机的基本参数。通过它可以确定起重机的工作级别，指导起重机结构和重要零部件的选择[3]。由于实际情况下载荷复杂多变，因此只能通过理论计算加仿真以及试验的方法来确定。对于人字架拉杆而言，起升载荷、自重载荷、回转惯性载荷以及风载荷会对人字架拉杆的设计起到指导性作用[4]。

起升载荷P'Q：

式中：φ2为起升动载系数；Q1为起升载荷，Q2为钢丝绳载荷，Q3为吊钩载荷。

式中：φ1为自重冲击系数；G1为副臂自重；G2为副臂拉杆重量；G3为副臂人字架自重。

回转惯性载荷包括自重回转惯性载荷PHG和起重量回转惯性载荷PHQ：

式中：φ5为载荷系数；a1为臂架重心处回转加速度；a2为吊载重物回转加速度。

工作状态下，取计算风速v=13.8 m·s-1。在臂架计算过程中，考虑风载均布作用于臂架上，侧向吹向臂架。它的充实率应按实际面积除以轮廓面积得之。风载荷包括起重量风载PWQ和臂架风载PWB：

式中：C为起重量或臂架的风力系数，臂架的风力系数取值1.2；p为计算风压；A为起重量或臂架的迎风面积；η为挡风折减系数。

1.2 材料属性

①纵向参与拉伸应力与自重载荷引起的纵向拉伸应力的联合作用，有：

式中：σG为结构构件纵向拉伸应力，在有限元中计算副臂系统仅自重作用下的结构应力，提取板材上最大应力代入计算得σG=81 N·mm-2-2；σS为板材屈服应力；σb为板材抗拉应力。

②构件材料厚度的影响为：

式中：t为板材厚度。为保守考虑，以板材最大厚度代入计算。

③工作环境温度的影响为：

式中：T为工作环境温度。根据本机技术规格，取T=-10 ℃。

④综合评价系数为：

总综合评价系数大于4，应选取钢材质量组别为3或以上的材料，故本机人字架拉杆材料选取Q500C。结合实际工况，取强度安全系数为1.34，拉杆板厚取16 mm 以下，以满足规范要求[3]，以此得到拉杆钢材的许用应力为346 MPa。

有限元计算时使用的材料属性见表1。

表1 材料属性表

1.3 单元信息

结构方案图如图2 所示，在ANSYS 软件中进行静力分析。按照设计结构形式等效分析，有限元模型中采用下列单元类型Mass 21 和Shell 63。其中，每个Mass 21 单元都有6 个自由度，可以沿着X、Y、Z 方向上移动和绕X、Y、Z 方向转动，且任何方向上都有不同的质量和转动惯量，故Mass 21 单元可以作为连接的点。例如，销孔中心点与销孔的连接，将Mass 21 点与板采用刚性连接。Shell 63 单元可以承受平面载荷和法向载荷，同时具有抗弯能力和膜力。每个节点同样具有6 个自由度，所以拉杆板材采用Shell 63 单元建立。单元网格尺寸划分为100～150 mm，如图2 所示。

图2 拉杆结构方案图

1.4 作业工况

本次计算结合实际情况考虑以下副臂吊载工况，结果如表2 所示。

表2 副臂吊载计算工况表

1.5 边界条件

在副臂作业工况下，模拟销轴连接的形式，对人字架拉杆和压杆的根部铰点、副臂根部铰点均进行UX、UY、UZ 的位移约束及RX、RY 方向的旋转约束。主臂变幅绳后绞点处施加UX、UY、UZ 的位移约束。载荷方面，施加方法与副臂的相同。对副臂所承受的起升载荷、起升绳载荷以集中力的形式施加在相应位置。对副臂以及人字架所承受的风载荷、回转惯性载荷以加速度形式施加在人字架和副臂上。

计算中，载荷施加的方向均按照图3 中的坐标系统方向施加。

图3 坐标示意图

全局坐标系X 方向为臂架平面与水平面的交线指向吊重，Y 方向为水平面的垂线指向吊重，Z 方向为臂架平面的垂线指向起重机。按照以上所述，对起重机的臂架系统进行边界约束后，得到的模型如图4所示。

图4 约束后模型

2 副臂作业工况下的人字架拉杆应力分析

参考李聪、张亚鹏等人对起重机立柱分析对起重机人字架拉杆进行有限元分析，得出结论[5]。

2.1 工况1 计算结果分析

工况1 条件下，起重机副臂起质量为265 t，是6个工况中的最大值，此时的主臂仰角约为79.87°，同样是6 个工况中的最大仰角，是最危险工况。臂架整体有限元分析应力云图，如图5 所示。

图5 整体应力云图

人字架拉杆及箱型结构应力如图6 所示。由图6可知，人字架结构板材的应力普遍小于64 MPa，远小于钢材的许用应力，满足要求。

图6 人字架拉杆及箱型结构应力云图

2.2 工况3 计算结果分析

工况3 条件下，副臂起重力矩和起重量均达到最大值，同样是最危险的工况。臂架整体有限云分析应力云图，如图7 所示。

图7 整体应力云图

在工况3 情况下，人字架结构板材的普遍应力为107 MPa 以下，如图8 所示，满足板材的许用要求。

图8 人字架拉杆及箱型结构应力云图

2.3 工况5 计算结果分析

工况5 是拉杆受力的最大工况，是最危险的工况之一。分析提取各个工况副臂拉杆受力，得到最大拉杆力为6 105.4 kN，由此对拉杆结构进行有限元分析。

拉杆整体分3 节。虽然3 节之间为销轴连接，但考虑到实际结构中可能出现的不利情况，有限元分析中对3 节之间的连接作刚性连接处理。拉杆一段模拟销轴连接的形式施加相应的约束，另一端施加拉杆力。拉杆的整体应力云图如图9 所示，竖直方向变形云图如图10 所示，中间箱体局部应力云图如图11所示。

图9 拉杆整体应力云图

图10 竖直方向变形云图

图11 中间箱体局部应力云图

可见，拉杆中间箱体在拉杆力和自重载荷作用下，上盖板应力为105.4 MPa，下盖板应力为154.8 MPa，均小于拉杆箱体板材许用应力346.0 MPa，满足要求。

2.4 其他工况结果汇总分析

从表3 可以看出，各工况下人字架拉杆的应力均小于许用应力，满足结构的使用要求。

3 结语

本文通过对人字架拉杆进行危险工况下的有限元分析校核，得出此种人字架拉杆满足1 900 t/200 t 起重机的使用要求，且整体稳定性和局部稳定性均满足使用要求。