起重机臂架的可靠性分析与优化设计

摘要：起重机是建筑行业中十分重要的机械设备。起重机臂架是否可靠，对能否达到安全作业生产有着重要作用。本文围绕履带式起重机臂架，对可靠性和优化设计进行了分析。

关键词：履带式；臂架；可靠性

近年来，随着我国经济的快速发展，建筑行业数量和规模不断扩大。起重机是建筑行业中重要的机械设备，在建筑作业中发挥着重要作用。履带起重机是比较常见的一种起重机型，凭借自身适应性强、起重量大等优势得到了广泛的应用。臂架是起重机的重要组成部分，通常情况下起重机臂架的结构较为复杂。伴随科学技术水平的不断提高以及为了满足快速发展的建筑行业需求，起重机正在朝着更加大型化、复杂化的趋势的发展，对起重机的可靠性也提出了更高的要求，因此优化设计更为重要。本文以履带起重机臂架为研究对象，对其可靠性进行了分析，借助有限元ANSYS 软件建模， 为臂架优化设计提供了重要依据。在现阶段对起重机臂架进行优化设计研究有着现实意义。

一、建立有限元模型

1、重要参数

通常情况下，起重机工作环境复杂多变，如果将所有工况考虑在内，一方面会浪费大量时间，另一方面也没有必要。在本次研究中，综合考虑，选取一种具有代表性的工况进行研究，并建立了有限元模型。在此工况下，涉及到的主要参数为：最长组合臂架：40m，起重量：11.5t，倾角：79.7°，滑轮起升倍率：2。在各项参数确定以后，就可对变幅平面内臂架的可靠性进行分析。根据实地观察，发现臂架受到的作用力来自五个方面，分别是的：臂架起升过程中承受的荷载和自身荷载、变幅绳拉力、起升绳力和风荷载。

2、模型建立

在履带起重机中，通过焊接方式将臂架主弦杆和的腹杆连接到一起。在建立臂架的有限元模型过程中，利用壳单元shell63对加强板进行模拟，用杆单元link10 对變幅绳进行模拟，将滑轮做三角形处理。我们知道，履带起重机的每一个臂节都是不同的，通过销轴将这些臂节一个个连接起来。为了使销轴能够满足模拟要求，将变幅平面内除旋转自由度以外的五个自由度臂节连接处耦合。这样，有限元模型就建立起来了。

二、特征值屈曲分析

1、约束条件和荷载的增加

在对臂架进行固定时，应当执行下列两项操作：第一，通过变幅绳对臂架起到一定的牵引；第二，要将变幅绳的另一端进行固定，通常情况下，我们将其固定于起重机的平台位置。关于固定连接点，我们需要对其进行约束，之所以这样做是因为需要对全部自由度进行限制。将臂架根部位置与的回转台以铰接方式进行一定连接。由于臂架自身存在一定重量，所以需要施加一定的重力加速度。臂架的迎风面风载荷较大，因此也需要一定施加。除此之外，冲击作用也的应当考虑进来。

2、分析

在对结果进行分析的过程中，我们需要借助一定的ANSYS的特征值屈曲进行分析。从本质上来说，ANSYS的特征值屈曲分析的方法属于结构线性分析的一种。将该方法运用到结果分析中，在很大程度上实现了对对理想线弹性结构的理论屈曲强度的有效预测。但是，我们需要注意一点，此方法并不考虑初始缺陷以及非线性。在一定程度上借助特征值屈曲进行分析，能够将屈曲荷载的上限值求出来，通过对上限值的分析，我们就可以得出屈曲形状的有效信息。在运用ANSYS 软件进行分析时，应当注意其中一个固定不变的因素就是荷载自重的重力，所以需要对其反复调整以施加荷载，继而按照流程进行计算。在计算过程中，如果特征值无限与1接近，此时就可以停止计算。按照相关要求，以统一比例为准对荷载进行调整。通过对风载荷、起升绳拉力的以及起升载荷数值进行反复调整，当风载荷的、起升绳拉力以及起升载荷调到2.52 倍时，此时特征值是1.042，与1 接近。

三、非线性屈曲分析

如果在进行屈曲分析时，将非线性方法引用进来，其所获取的精度要远远高于特征值方法下的精度。由于臂架自身存在变形和非线性特征的问题，因此，在进行分析时，我们要将这两个因素考虑进去。此外，将弧长法适度引用，用来对臂架非线性屈曲进行分析。通过对计算结果的分析，我们能够在位移曲线以及荷载曲线两个方面得到一定研究成果；通过计算结果，我们还能对臂架结构稳定性历程有一个深入了解。荷载位移曲线主要包含三种类型：第一种，极值屈曲；第二种，稳定分支屈曲；第三种，不稳定分支屈曲。对臂架施加臂架长度1/960的原始几何缺陷，将一阶特征向量结合进来，根据一定比例将特征向量施加到与之对应的模型上。在这种做法下，臂架结构初始形状将会做出相应改变。基于此，展开进一步计算。完成计算以后，我们需要查看处于失稳状态下的臂架的模型状态。

当我们初步对臂架进行设计时，需要在一定程度上对臂架的相关受力进行评定。在评定过程中，一定要按照科学性、合理性这两个原则进行。在做最终评定的过程中，必须采取有限元分析，而且还要保证有限元分析的有效性，这样一来，为臂架优化设计提供了重要的设计依据。

结语：

综上所述，在对履带起重机臂架的可靠性进行分析时，将有限元软件ANSYS引用进来，能够将失稳状态下的临界屈曲载荷时求出来。该方法不仅适用于普通的起重机臂架可靠性分析，对于一些结构较为复杂的臂架可靠性分析同样的的适用。在对臂架进行初步设计时，可以对臂架受力做出合理评定。要想对臂架进行优化设计，保证臂架的可靠性，有必要进行详细的有限元分析，同时能够为预防履带起重机臂架整体失稳提供设计依据。在进行设计时，需要注意以下几个问题：第一，在进行结果分析时，需要合理调整施加的荷载，并且在对其进行计算时，要保证计算的有效性。当计算结果，也就是特征值与1无限接近时，此时就可以停止计算；第二，在进行初步设计时，要在一定程度上对臂架的相关受力特性进行分析。评定要在科学性和合理性的原则上进行，这对履带臂架结构优化设计有着十分重要的指导意义。

参考文献：

[1]朱悦庆.履带起重机臂架的稳定性分析[J].中国机械，2014（13）.

[2]徐长思.履带式起重机臂架的稳定性分析[J].广东化工，2014（4）.

作者简介：

马良（1987—），男，汉族，辽宁省沈阳市人，沈阳建筑大学，研究生；研究方向：建筑机械；地址：沈阳市沈北新区虎石台南大街46号；邮编：110168电话： 15998258496 邮箱270597867@qq.com