基于最大受拉危险点工况的起重机转台有限元计算_董立.pdf

2 0 2 3 4第卷总第期5459第期44基于最大受拉危险点工况的起重机转台有限元计算董立安徽柳工起重机有限公司摘要为改善起重机转台有限元计算过程中工况表不完善、高应力区域识别不准确的问题，通过总结起重机转台计算经验，提出计算转台最大受拉危险点工况，结合仿真计算和实车应力贴片试验，验证该工况有限元计算结果与实际试验结果的一致性。通过转台最大受拉危险点工况有限元计算，可以有效降低由于工况计算缺失而导致的结构失效风险。关键词：起重机；转台；有限元计算作者简介：董立（1993），男，助理工程师，硕士，研究方向：结构件 CAE 仿真计算以及 NVH 研究。汽车起重机是一种用途广泛、机动性能好、转移迅速且作业效率高的工程起重机，转台作为汽车起重机三大结构件之一，是起重机整体受力的主要部位，主要用于安装起重臂、起升机构等部件，也是连接汽车底盘和起重臂的关键结构件。转台的结构和受力情况比较复杂，传统的有限元分析方法一般是计算转台在最大起重力矩和最大起重量（超载+侧载）等工况下的应力，但是随着起重机吨位的变大，吊臂重量和转台自重等因素变得不可忽视，以前的工况分析较少考虑到这些因素，因而并不能覆盖起重机起重性能表中的全部工况，于是笔者提出增加一个新的工况最大受拉危险点工况，用于起重机转台结构的强度校核。1最大受拉危险点工况制定1.1转台结构介绍汽车起重机的转台通常是焊接结构，一般由钢板焊接形成箱体。转台底部通过螺拴安装于回转支承上，回转支承又通过螺栓固定在车架上，转台上部与吊臂尾铰点相连，前下部支撑变幅液压缸下铰点，转台后部安装卷扬及配重，吊臂头部承受吊重及卷扬钢丝绳拉力，吊臂通过吊臂尾铰点销轴将所受力传递给转台，变幅液压缸所受力通过变幅下铰点销轴传递给转台，转台同时承受着卷扬钢丝绳拉力及配重重量、回转反力、制动惯性力等其他力，转台将所受力传递给回转支承，之后通过车架、支腿79设计 计算Design and Calculation2 0 2 3 4图 1汽车起重机转台简化图将其传递至地面1-5。汽车起重机转台简化图见图 1。图 1 中各个符号所代表的具体含义如表 1 所示。1.2转台箱体最大受力区域转台是汽车起重机上车与下车受力传递的枢纽，由于其为箱形结构，在常规的转台强度校核中，一般受力较大的区域发生在转台立板与下部法兰重合的区域，此类区域一共有 4 个，如图 2 所示。在图 2 所示 4 个区域中，1 号和 2 号区域处焊缝为受拉状态，3 号和 4 号区域处焊缝为受压状态，受拉焊缝比受压焊缝更容易发生开裂6，因此，当 1 号和 2 号区域的应力满足许用要求时，基本可以认为整个转台的受力满足安全性要求。1.3最大受拉危险点工况介绍最大受拉危险点工况的计算实际就是计算 1 号或 2号区域（侧载方向决定计算 1 号或 2 号区域）承受的最大拉力 F。转台吊重示意图见图 3。图 3 中，l 为 1 号与 4 号区域间的距离，b 为 1 号与 2号区域间的距离。拉力 F 的计算式为：F=M l2+0.05Q g （tan（cos（L1+L2）/L2+L32）（L1+L2）+h）l2b-（Q+G）g4（1）式中：M 为上车合力距；Q 为起重量；G 为上车自重；g 为表 1转台简化图各符号介绍符号符号说明符号符号说明Q额定起重量R幅度G2吊臂自重Lb吊臂重心与尾铰点距离G3卷扬 1 重量Lf变幅上铰点与尾铰点距离G4卷扬 2 重量Rz配重重心与回转中心距离G5配重重量e1滑轮组中心与臂轴线距离L臂长e2导向滑轮中心与臂轴线距离吊臂仰角e3变幅上铰点与臂轴线距离图 2转台受力较大区域简图图 3转台吊重示意图802 0 2 3 4第卷总第期5459第期44重力加速度；L 为臂长；h 为吊臂尾铰点与底板竖直距离；L1为幅度，即重物与回转中心水平距离；L2为吊臂尾铰点与回转中心水平距离；L3为吊臂轴线与马头滑轮轴线距离。当 F 在起重性能表中为最大值时，即可得到对应最大受拉危险点工况以及危险区域所在的位置。2有限元计算2.1有限元方法介绍有限元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个且按一定方式相互联结在一起的单元组合体，由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身可以有不同形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解区域。有限元法作为数值分析方法的一个重要特点是可利用在每一个单元内假设的近似函数，分片地表示全求解域上待求的未知场函数。单元内的近似函数通常由未知场函数或其导数在单元的各个节点的数值和其插值函数表达，这样，一个问题的有限元分析中，未知场函数或其导数在各个节点上的数值就成为新的未知量，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。有限元方法求解问题的基本步骤通常分成三步：前处理、计算及后处理。前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分。计算是对完成的有限元模型进行提交运算。后处理则是采集处理分析结果，使人们能够简便地提取信息，了解计算结果。2.2有限元计算模型的建立建立起重机转台的三维模型，建模时忽略对计算结果影响较小的特征，如倒角、小孔及螺纹孔等，并填补焊缝坡口，形成实体模型。转台材料为 Q355，在有限元软件中设置材料属性，其中弹性模量为 2.06E11 Pa，泊松比为0.3。采用实体单元进行网格划分，单元大小为 2030mm。吊臂与液压缸使用简化的梁单元替代，在吊臂尾铰点和变幅下铰点处建立铰接模型。将各个工况不同载荷分别施加在相应模型受力点处。为了保证计算的精度，需要截取车架的部分模型，并在截取的边界处施加固定约束。转台局部加载示意图如图 4 所示。2.2最大起重力矩与最大受拉危险点工况计算最大起重力矩与最大受拉危险点工况两种工况时的加载信息如表 2 所示。2.3有限元结果对比通过对比两种工况计算出的应力云图（见图 5、图 6）可以发现，在转台 1 号区域（最大受拉危险点区域），最大受拉危险点工况计算出来的应力明显大于最大起重力矩工况相对应应力，并且在相同标尺下，超 251 MPa（许用应力）区域明显更大。这说明通过最大受拉危险点工况寻找最大受拉危险点是可行的，该工况可以覆盖传统起重性能表中最大起重力矩工况之外的工况。3实车贴片试验为了进一步验证最大受拉危险点工况所定位的区域图 4转台局部加载示意图表 2加载信息项目最大起重力矩时最大受拉危险点时计算吊载/N277 500147 500单绳拉力/N34 68836 875侧载/N11 1005 900臂长/mm10 92026 970吊臂仰角/（）55.9568.0881设计 计算Design and Calculation2 0 2 3 4图 5最大起重力矩工况应力云图图 6最大受拉危险点工况应力云图图 7起重机转台应力贴片位置表 3试验结果应变片序号最大起重力矩工况应力/MPa最大受拉危险点工况应力/MPa1787.5479.9481.65101.5990.71101.2518222.38209.80201.32249.42230.17262.5219123.61127.41110.84128.89127.42143.16应力大于最大起重力矩工况，在实际样车上进行贴片试验。试验器材有：动态应变测试系统、直角应变花、贴片胶水、计算机和信号采集分析系统等。对转台进行应力应变测试，在进行应力应变测量时，测点主要为最大受拉危险点工况所定位的高应力区域，起重机转台应力贴片位置见图 7，应变片序号为 17、18、19。通过表 3 所示试验结果可以发现，汽车起重机转台在该受拉危险点区域，最大受拉危险点工况下的应力测试值明显大于最大起重力矩工况下的测试值。4结束语本文提出一种起重机转台最大受拉危险点工况，并通过对最大受拉危险点工况进行仿真计算，以及实车应力贴片试验验证了该工况在实际运用中的可行性。在起重机转台的设计与仿真计算过程中，最大受拉危险点工况能够比传统的最大起重力矩工况覆盖更多的工况，从而可以有效降低由于工况计算的缺失而导致的结构失效风险。参考文献1 权哲奎，何喜东，蒋佩，等.伸缩臂履带起重机转台的有限元分析J.机械管理开发，2021，36（4）：53-55，273.2 马善华，张艳磊，朱国乾.起重机转台欧洲设计标准浅析J.建筑机械，2021（3）：57-58，62.3 马芬芬.中小吨位履带起重机转台疲劳寿命分析J.工程机械与维修，2022（5）：14-16.4 王宏宇.轻量化目标驱动的转台新结构研究D.大连：大连理工大学，2021.5 郭永红，许天翔，刘煌，等.55 t 越野轮胎起重机转台有限元计算与分析J.建筑机械，2017（7）：92-95.6 张新春，李鹏举，王进峰，等.起重机钢结构角焊缝的强度计算J.建设机械技术与管理，2021，34（6）：76-78.通信地址：安徽蚌埠安徽柳工起重机有限公司（233000）（收稿日期：2022-11-12）82joint design,for the high strength bolts commonly used in the engineering lift-ing appliance industry,the performance and characteristics of two types of high-strength bolt joints,slip-critical joint and bearing-type joint,are analyzed,as well as the calculation methods of design val-ues of tensile and shear capacities.The calculation methods of the two types of bolt joints are studied and analyzed,and the effectiveness of the calculation meth-ods is verified by practical examples.Keywords:High strength bolts;Slip-critical joint;Bearing-type jointResearch on Mechanical Analysis of Super-long Equal-section Type Attach-ment RodBased on the current situation that the independent height of the tower crane is further raised,the building is far from the center of the tower crane,and the requirements for the length and stability of the attachment rod of the tower crane are increasing,the key factors such as the length of the tower crane cantilever,load condition,attachment distance and attachment rod orientation are taken into account,and combined with the ac-tion factors of wind load,a general force analysis model is given based on the me-chanical theories such as theory of steel structures and mechanics of materials to calculate the internal force of each rod of the three-rod attachment rod.According to the mechanical theory of the attach-ment rod and engineering calculation examples,it is concluded that the factors affecting the stability of the attachment rod include the cross-sectional shape,the slenderness ratio and the stay rod installation angle of the attachment rod,etc.By calculating the stiffness,strength and overall stability of the super-long equal-section type attachment rod,the correctness of the mechanical analysis is verified.Keywords:Tower crane;Super-long at-tachment rod;Equal-section type;Sta-bility checkFinite Element Calculation of Rotating Platform of Crane Based on Working Condition of Most Tension Hazardous PointIn order to improve the problems of in-complete working condition table and inaccurate identification of high stress areas in the finite element calculation process of the rotating platform of the crane,through the summary of the calcu-lation experience of the rotating platform of the crane,it is proposed to calculate the working condition of the most tension hazardous point of the rotating platform.Combined with simulation calculations and real vehicle stress patch tests,the consistency of the finite element cal-culation results and the real test results under this working condition is verified.Through the finite element calculation of the working condition of the most tension hazardous point of the rotating platform,the risk of structural failure due to the lack of calculation of the working condi-tion can be effectively reduced.Keywords:Crane;Rotating platform;Finite element calculationDesign and Test of Engine Mounting System of Mining Wide-body Dump TruckBased on the engine mounting system of a mining wide-body dump truck,the method of matching design of the mount-ing system is described,as well as the arrangement and matching calculation 英文摘要ABSTRACTS IN ENGLISHVol.54Serial No.594Publishing on Apr.10,2023No.4