某型起重机底架有限元分析

陈建1 邬焕欣2 彭建军1

1.四川长江工程起重机有限责任公司 四川泸州 406000

2.四川大学 四川成都 610065

1 前言

汽车起重机的移动灵活性使得其在工程行业中得到了广泛应用。汽车起重机主要由底架、旋转支撑装置、起重臂等组成。起重机工作时，底架上的载荷来自转台回转支承约束反作用力。转台约束反作用力通过连接螺栓作用于回转支承上架，经回转支承传递到回转支承下架，再由回转支承下架通过连接螺栓作用于底架。起重机底架关乎起重机的运行稳定性，分析底架在特定工况下所受载荷，可以判定底架工作载荷是否超出材料许用应力，避免工程事故发生[1-2]。

有限元法在求解问题上不受几何外形的约束，求解的精度和速度可根据需要不受限制。郭建生、孙秋香等人使用有限元方法对起重机底架进行分析得到较为理想的结果[3-4]。本文使用Ansys Workbench有限元软件对起重机的静强度进行求解分析。

2 底架分析概况

2.1 底架结构特点

如图1所示，起重机底架前段安装有驾驶室、离合器、发动机等，在起重机作业时底架前段不承受来自吊重的载荷。整个底架的中间部位为转台，承受回转支承约束反力。底架的两端为支腿结构，支腿有固定与活动支腿两种，固定支腿与底架结构焊接为一体。

图1 底架模型及附着物位置分布

2.2 底架材料参数

底架材料为HG785D，其机械性能为：抗拉强度σb=785 MPa，屈服点σs=685 MPa，许用应力[σ]=417 MPa，安全系数为1.48。

底架材料力学参数为：弹性模量E=2.1×105N/mm2；泊松比μ=0.27；比重ρ=7.85×10-6kg/mm3；重力加速度g =9.8 m/s2。

2.3 底架载荷

底架上的载荷来自转台支承约束反力。转台约束反力通过螺栓作用于支承上架，经回转支承传递到支承下架，再由回转支承下架通过螺栓作用于底架。求解底架载荷时，按螺栓分布位置添加载荷作用于转台，所得回转支承约束反力作为底架载荷，但吊臂计算位置不同，受力最大螺栓位置相应变化。

2.4 工况条件

笔者就实际工作中常使用到的小幅度重载(工况1)、常规使用情况（工况2）、大幅度轻载（工况3）这3种工况对起重机工作载荷进行分析，如表1所示。其他工况由于应用较少，本文暂不讨论。合力作用于转台回转中心，合力矩作用于起重机起升平面内，绕过回转中心水平轴，旋向为使吊臂下倾方向。吊臂位于底架不同方位时，对底架作用不同。

表1 底架的计算工况和载荷

本文就上述3种工况，分别对吊臂处于6个方位的底架静强度进行分析，6个方位分布情况如图2所示，每个方位相隔45°，又由于底架结构对称，所以6个方位的选取涵盖实际使用的吊臂位置。以汽车起重机整车前进方向为底架前方，直角坐标系以沿底架纵向指向后部为X轴正向，垂直底架平面指向上方为Y轴正向，Z轴正向按右手螺旋法则确定。

图2 底架在ANSYS中的壳体模型及吊臂方位位置分布

3 模型建立

3.1 模型简化

为保证结构分析准确，对主体结构不做简化，结构细节不予考虑。为了更准确地求得底架工作载荷和变形，在底架模型中增加了油缸结构，模拟活动支腿支撑液压缸对底架的作用及其变形。

3.2 单元选择

底架基本构件为典型薄壳结构，故壳体SHELL93单元能很好地模拟其几何和载荷特征。划分单元后，有限元模型含58 894个壳单元，174 542个节点。

3.3 载荷与约束处理

3.3.1 等效载荷

底架载荷为作用于螺栓位置的集中力和绕过转台圆心的集中力矩。集中力平均分布于转台 7 2个安装螺栓圆孔位置，垂直向下，即 -Y方向。集中力矩则处理为使吊臂向前倾覆的力偶，力偶的一对力作用于沿吊臂轴向方向在转台安装圆心前、后端分别选出的 9个安装螺栓圆孔处。前方力偶力向下，与集中力分量叠加；后方力偶力向上，与集中力相互抵消[5-7]。这种方式较好地等效了回转支承下架对底架的作用，如图3所示。

图3 底架回转支撑处载荷的施加

为确保仿真结果准确性，计算考虑了车桥自重载荷、发动机质量、液压油缸质量以及底架自身的重力。

3.3.2 约束条件

滑动支腿与底架连接采取节点耦合的方式，模拟滑动支腿与底架可以相对滑动并传递垂直载荷。在4个支撑液压缸与地面接触节点上添加X、Y、Z方向位移约束。

4 底架静强度分析与结果

本文对3种计算工况6个方位组合情况的底架静强度进行分析，底架最大应力结果如表2所示。从18种工况方位组合的分析比较得出，底架整体应力较低，但吊臂位于方位2、方位3时应力值较其他方位大，工况1下方位2、方位3和工况2下方位2、方位3、方位4以及工况3下方位3底架下底板尾部应力值已超过底架材料许用应力；工况2方位3时是底架最危险工况方位组合，此时下吊臂位于正侧方。

表2 三种工况6个方位底架最大应力表 单位：MPa

图4为工况2方位3时底架Y方向变形。Y向最大形变位于吊臂起吊正侧方，此时转台安装面Y向最大变形量为45.66 mm。

图4 工况2方位3底架整体Y方向位移云图

图5为工况2方位3工作时底架应力云图，图6为应力最大位置底架下底板尾部局部应力云图，最大应力值为460 MPa ， 此处应力值已超过底架材料许用应力417 MPa。经分析得知，造成此处局部应力较大的主要原因是底架下底板平面尺寸较大，且该板位于底架后固定支腿连接处，需承担底架侧向扭转和弯曲载荷。

5 结语

起重机底架是起重机关键部件，有承担负荷和运输的要求。底架质量和性能直接影响起重机的工作性能，通过有限元分析得到：

a. 底架在不同工况不同方位的应力和变形情况中，有6种危险工况方位组合，应力值超过底架材料许用应力。由于底架结构对称，3种工况和6个方位的组合基本可以覆盖起重机实际使用全部情况。

图5 工况2方位3底架整体应力云图

图6 工况2方位3底架下底板尾部局部应力云图

b. 吊臂在方位1和方位5时应力值较小，建议起重机驾驶员在实际起吊时最好选择吊臂位于正前方和正后方，尽量避免吊臂位于正侧方。

c. 分析表明，吊臂位于方位2、方位3时底架应力值较其他方位大，底架承受纵向载荷的能力强于承受横向载荷。后续改进设计中，增强底架承受横向载荷的能力是需要重点考虑的。建议后期优化时采用加大底架下底板板厚或针对应力最大位置处结构进行调整，设置加强筋，并调整部分板厚，到达减重目的。