高喷车下车结构单边工况可靠性分析.pdf

38建设机械技术与管理 2023.06 设计计算1 前 言高喷车是一种重要的消防救援机械，其下车结构主要由底座、底盘、副车架、前伸缩腿、后摆腿等系统组成，各个部件之间存在着耦合作用1-2。对于大米数的高喷车来讲，由于自身支腿跨距较大以及救援现场空间的限制，往往前后支腿不能全部展开，此时支腿结构只能开启单边作业模式，单边作业指的是一侧支腿不展开或略微展开，另一侧支腿完全展开，四个垂直油缸都着地，上车结构回转范围仅限在支腿展开一侧，随着单边工况支腿跨距变小，下车结构的刚度、强度、倾翻稳定性也随之变化，所以，本文应用 ANSYS 软件对下车结构进行上车结构水平姿态 0 165回转右单边全工况计算，保证下车结构的可靠性3-4。本文计算的对象是 50 米级高喷车。2 有限元模型对下车结构的三维 ProE 模型进行模型简化、几何处理、中面提取、网格划分等，建立结构细化模型，赋予有限元信高喷车下车结构单边工况可靠性分析Reliability Analysis of Unilateral Working Conditions of Water Tower Fire Truck张军 吴钱钱 李嘉琦（徐工消防安全装备有限公司，江苏徐州221000）摘要：以高喷车下车结构为研究对象，利用 ANSYS 软件对其进行上车水平姿态 0 165回转右单边工况自动计算，对结构进行抬腿量、支腿反力、刚度、强度、稳定性校核，充分掌握结构位移场、应力场分布情况，得到各结构件最危险工况，为系列产品的优化和改形设计提供有力地数值支持，提升设计效率。关键词：高喷车；下车结构；单边工况；可靠性分析中图分类号：TU646 文献标识码：A图 1 有限元模型图图 2 结构接触区域图图 3 臂架 0 165回转工况示意图息，设置接触参数，应用 APDL 语言进行结构组装，施加约束及载荷，调用 Dos 命令对下车结构进行右单边全工况的自动计算，对其进行有限元分析5，如图 1-2。（1）板单元：SHELL181 单元模拟；（2）梁单元：BEAM188 单元模拟；（3）杆单元：LINK180 单元模拟；（4）实体单元：SOLID185 单元模拟；（5）质量点单元：MASS21 单元模拟；（6）目标单元：TARGE170 单元模拟；（6）接触单元：CONTA173 单元模拟。3 计算工况下车结构受到上车结构的垂直载荷和弯矩作用，当臂架水平全伸时，也是下车结构受到最大弯矩的时候，本次下车结构分析为右单边作业，所以，计算工况为臂架水平全伸从 0 165回转，角度增量为 5，其中，0工况为臂架水平正后方，臂架旋转方向为逆时针，如图 3 所示。2023.06建设机械技术与管理 39设计计算4 约束、载荷4.1 约束(1)着地支腿平动约束；(2)转台两铰点平动约束；(3)销轴转动约束，如图 4。4.2 载荷本文主要对下车结构进行有限元分析，不组装上车结构，将上车对下车结构载荷力转化为转台两铰点的水平、竖直载荷，载荷大小及方向，如图 5 所示。各载荷值如下：FX1=191342（N），FY1=1144780（N）FX2=-194310（N），FY2=-1258800（N）4.3 材料性能许用应力值计算公式n：安全系数，取 1.33。图 4 下车结构约束图图 5 下车结构载荷图上车质量(kg）上车质心（mm）倾翻矩（tm）1163515533180.7表 1 上车结构质量质心表屈服强度抗拉强度许用应力890940582表 2 钢材力学性能表（MPa）s =0.5ss+0.35sbn臂架回转角度左前腿抬腿量（mm）右前腿抬腿量（mm）左后腿抬腿量（mm）右后腿抬腿量（mm）002.2100500.490010000080000085000.15090001.24095002.270100003.240105004.160110004.990115005.750120006.430125007.020130007.520135007.930140008.230145008.430150008.850155008.520160008.410165008.190表 3 臂架回转不同角度各支腿抬腿量图 6 右前腿最大抬腿量图图 7 左后腿最大抬腿量图图 8 底座结构最大应力工况图图 9 底座结构最大应力云图40建设机械技术与管理 2023.06 设计计算5 计算结果5.1 抬腿量(如图 6-7）由表 3 计算结果，可知(1)抬腿量：支腿脚盘底面离开支撑面竖直方向距离，0mm 代表：不抬腿；(2)左前腿、右后腿，未出现抬腿现象；(3)右前腿结构在 0 5工况抬腿，最大抬腿量为2.21mm，小于抬腿量设计值 20mm，满足抬腿量设计要求；(4)左后腿结构在 85 165工况抬腿，最大抬腿量为8.85mm，小于抬腿量设计值20mm，满足抬腿量设计要求；(5)整车结构在 0 5和 85 165为三腿支撑情况，其它工况均为四腿支撑情况，整车无倾翻情况，整车倾翻稳定性满足设计要求。5.2 支腿反力各支腿最大支反力为 24.46t、22.79t、22.26t、24.07t，满足企业设计标准值。5.3 应力计算结果(1)底座结构最大应力值为 609MPa，臂架 135时，在圆筒外侧肋板尖点处，小于材料屈服强度，安全系数为 1.46，满足结构强度要求，如图 8-9。(2)右前支腿结构最大应力工况出现在臂架 130时，一级、二级伸缩支腿最大应力值分别为 664MPa 和542MPa，均是与门板接触搭接位置，为正挤压力，是应力集中，小于材料屈服极限，满足结构强度要求。臂架回转角度左前腿支反力（t）右前腿支反力（t）左后腿支反力（t）右后腿支反力（t）0-9.490-22.26-11.835-9.210-20.32-14.0510-8.76-0.27-18.55-15.9915-8.39-0.61-16.73-17.8420-7.91-1.17-15.07-19.4325-6.99-2.24-13.9-20.4430-6.19-3.33-12.68-21.3735-5.55-4.41-11.42-22.240-4.91-5.6-10.25-22.8245-4.37-6.81-9.1-23.2950-3.99-8-7.94-23.6555-3.77-9.15-6.76-23.960-3.72-10.24-5.57-24.0465-3.83-11.28-4.39-24.0770-4.12-12.24-3.21-2475-4.57-13.13-2.06-23.8280-5.18-13.93-0.94-23.5285-5.79-14.780-2390-5.64-16.350-21.5995-5.67-17.760-20.14100-5.91-19.020-18.64105-6.35-20.110-17.11110-6.98-21.030-15.57115-7.8-21.760-14.01120-8.81-22.30-12.47125-9.99-22.640-10.94130-11.34-22.790-9.44135-12.84-22.740-7.99140-14.49-22.50-6.58145-16.28-22.060-5.24150-18.18-21.420-3.97155-20.19-20.60-2.78160-22.29-19.60-1.69165-24.46-18.430-0.69表 4 臂架回转不同角度各支腿支反力图 10 右前伸缩支腿结构最大应力工况图图 11 右前一级伸缩支腿结构最大应力图图 12 右前二级伸缩支腿结构最大应力图图 13 右后摆腿结构最大应力工况图2023.06建设机械技术与管理 41设计计算(3)结构截面应力值也都小于材料许用应力 582MPa，满足截面强度要求，如图 10-12。(4)右后摆腿结构最大应力工况出现在臂架 65时，右后摆腿最大应力值为 461MPa，出现在底板薄厚板对接位置，为应力集中，小于材料屈服极限，满足结构强度要求，如图13-14。6 结 论通过对下车结构 0 165单边工况的计算，得到以下结论：(1)结构支腿最大抬腿量 8.85mm，小于企业的相关标准（20mm），满足设计要求；(2)结构支腿最大反力为 24.46t，小于企业的设计标准，支腿反力满足设计要求；(3)底座结构最大应力为 609MPa，在圆筒外侧肋板尖点处，为局部应力集中，小于材料屈服极限，满足强度要求；(4)前一级、二级伸缩支腿最大应力值分别为 664MPa和 542MPa，小于材料屈服极限，满足结构强度要求；图 14 右后摆腿结构最大应力图(5)右后摆腿最大应力值为461MPa，小于材料屈服极限，满足结构强度要求；(6)由支腿抬腿量计算数据可知，下车结构始终为三腿支撑或四腿支撑，整车结构无倾翻现象，倾翻稳定性满足要求6-8。参考文献1 许培华.举高喷射消防车灭火技术的应用J.低碳世界，2015(21):308-309.2 Koski，John A.Concrete boom trucksJ.Aberdeens Construc-tion，1993，9:3-53 石鹏飞，陈明，胡亮.大跨度举高喷射消防车设计研究J.机械工程与自动化，2015(2):6-7.4 Manfred Hiller.Modelling，Simulation and control design forlarge and heavy manipulators.1996.5 刘美玲，周碧池，张栋.云梯消防车梯架有限元分析 J.内燃机与零件，2019(6):42-43.6 Fleischfresser，Wolfgang.Hydraulic systems for truck-mounted concrete mixers J.Diesel Progress International Edition，2004，39-40.7 张国忠.现代混凝土泵车及施工应用技术 M.北京:中国建筑工业出版社，2004.8 沙丽荣，余俊.云梯消防车结构有限元分析 J.吉林建筑大学学报，2018(4):1-4.收稿日期：2023-07-18作者简介：张军，硕士，高级工程师，主要研究方向为结构设计及优化。4 王远军.FHTT2800型塔机附着装置结构分析与设计D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2023.5 朱迅.塔式起重机附着杆的平面布置形式对其内力和塔机约束效果的影响 J.中文科技期刊数据库（全文版）工程技术，2016(9):00295-00296.6 高强.塔式起重机回转系统均载装置的设计与分析研究D.南京：南京航空航天大学，2017.7 白如玄.不利工况下附着式塔式起重机稳定影响分析D.合肥：安徽建筑大学，2023.8 T/ASC 09-2020 塔式起重机附着安全技术规程 S.9 肖永福.塔式起重机伸缩附着杆的设计与应用 J.住宅产业，2021，000(009):81-84.10 徐阳阳.新型塔机附着装置拆除施工技术的研究 J.建筑机械化，2023，44(5):22-24.收稿日期：2023-07-15作者简介：毛尔东，硕士，工程师，主要从事塔式起重机、施工升降机等工程机械的研发和改造。上接第 37 页