基于有限元的履带起重机臂架腰绳分析计算

基于有限元的履带起重机臂架腰绳分析计算
姚钢
【摘要】履带式起重机是工业生产中广泛应用的重要起重设备,随着施工起升高度的不断提升,需要通过增加臂架长度来拓展起重机作业能力.而长臂架刚度小,起臂易造成失稳折断,实际作业中通常采用腰绳装置进行受力调节,但腰绳长度选择偏短时,又会造成吊载过程中臂架出现“反弯”引起受力恶化,因而需要综合考虑起臂、吊
载等工况来分析确定腰绳长度.针对上述情况,采用有限元方法详细介绍了腰绳选用
的分析计算过程,为类似产品的设计、施工提供了有益参考.
【期刊名称】《现代机械》
【年(卷),期】2017(000)003
【总页数】4页(P48-51)
【关键词】履带起重机;有限元;臂架;腰绳
【作者】姚钢
【作者单位】湖南网络工程职业学院机电系,湖南长沙410004
【正文语种】中文
【中图分类】TH16;TH122
臂架作为履带起重机的主要承载构件和直接作业部件，其设计性能直接关系着起重机的整机安全及使用可靠性。

随着各行业施工作业在高度、重量要求上的不断提升，履带式起重机的吨位与起升高度也相应拓展，使得臂架长度组合不断增加，但长臂架也使起重机在起臂、吊载过程中的施工工况更加复杂。

履带起重机臂架通常采用桁架式结构，以有效减轻自重，但结构刚性随之减小。

长臂架起臂工况，臂架在自重作用下弯曲，加之拉板作用，在臂架形成轴向载荷，使臂架下弯加剧，产生二次变形，容易引起结构失稳而导致臂架损坏，从而使得臂架无法正常起臂作业[1-2]。

因此，必须采取相应措施改善臂架受力情况，通常采用在拉板与臂架之间增加腰绳作为臂架系统受力的调节装置[3-5]，用于当臂架达到一定长度后改善起臂工况的受力与变形[6]。

通常情况下，增加腰绳装置后会减小臂架下弯幅度，特别是当腰绳较短时，臂架下弯改善更加明显；但同时存在的风险是，如果腰绳偏短，吊载工况中臂架在腰绳及载荷作用下将会出现弯曲形式由起臂时的下弯变为向上弯曲，即造成“反弯”，同样会引起臂架受力恶化。

因而，腰绳长度的选择至关重要，需要通盘考虑起重机结构、起臂及吊载等工况，综合分析确定。

本文采用有限元“二次加载”法[7]对采用腰绳前、后臂架系统在起臂、吊载工况下状态进行综合对比分析，准确掌握腰绳装置对臂架系统的作用情况，从而为确定最优腰绳长度提供可靠依据。

为了满足大高度吊载施工作业要求，履带起重机往往采用轻重混合臂架组合形式来实现长臂架、轻臂重的目的[8]，重型臂截面积大，臂架组合时由过度臂节将重型主臂与轻型主臂连接，腰绳通常布置在过度臂节及其对应的拉板之间。

本文即选取了某型号大吨位履带起重机轻重混合150 m臂架工况，臂架管材许用应力530 MPa，采用Ansys软件就腰绳长度对臂架受力情况进行有限元分析计算。

1.1 无腰绳起臂有限元分析
有限元计算过程中，将臂架视为其根部转台铰点及头部拉板铰点形成简支，分析自重状态下臂架的挠度及应力，并保存结果文件rst1；恢复初始模型，读入结果文件rst1，在臂头沿拉板方向施加拉力，读取臂头约束反力，直到臂头约束反力为零时，认为该状态为主臂起臂状态(二次加载法)，如图3。

依上述方法，获得150 m轻重混合臂起臂过程应力分布表如表1。

1.2 加腰绳起臂有限元分析
起臂过程描述：腰绳连接后，腰绳将拉板分为两段，靠近臂头为前段拉板，靠近主机为后段拉板，未工作时腰绳与拉板均处于松弛状态(未受力)；当变幅钢丝绳开始回收扳起桅杆时，桅杆拉动拉板，腰绳开始受力，拉板前、后两段不在同一直线上；前段拉板、腰绳和轻型臂组成三角形，后段拉板通过拉动此三角形将臂架扳起，而腰绳拉力即来自于后段拉板的分力。

有限元模型描述：起臂时，首先将包含臂架两点简支自重状态下臂架挠度及应力初始模型恢复，并读入rst1结果文件，使臂具有初始挠度；由于拉板以及臂架上腰
绳连接点已确定，根据实际结构尺寸，假设一个较为适当的腰绳长度，用杆单元模拟拉板与腰绳，同时在臂头施加Y方向约束，在拉板末端施加沿拉板方向的力，
读取臂头约束反力Rfy，当Rfy=0时为起臂状态(二次加载法)。

依此计算方法分析加腰绳后起臂过程中臂架的整体应力分布及挠度，根据起重机安装结构尺寸，分别选用8 500 mm、8 000 mm、7 500 mm腰绳进行相应计算，计算结果如表2。

综合表1、2可知：
1)腰绳对长臂架起臂的应力与挠度均有改善，并且数据显示，腰绳越短其受力越大，臂架上的应力与挠度越小，也就是说当腰绳越短，臂架越容易扳起；
2)本文算例中，当腰绳长度8 500 mm时，起臂最大应力为530 MPa，与臂架管材许用应力相当，不宜选用，而8 000 mm、7 500 mm腰绳已将起臂应力控制
在安全范围内，因此在后续吊载工况下，主要考察这两个腰绳长度的使用效果。

2.1 无腰绳有限元分析
对于中短臂长的静强度计算，由于臂架变形很小，因此在有限元分析中均采用了线性静力分析方法，不考虑吊载过程中臂的变形对臂架刚性的影响；而轻重混合臂中
大臂长工况，计算过程中不能忽略臂架变形对其刚性的影响，需要采取二次加载计算方法以考虑二次变形的影响。

计算过程中，臂架起臂到工作幅度时，由于自重的影响，臂架具备初始挠度，由于初始挠度的存在使吊载对臂架产生的轴向力加剧臂架的弯曲。

因此在有限元模型中，首先建立仅加重力的模型进行计算，得到臂架的初始挠度，然后再重新加载荷进行分析，以模拟初始挠度对臂架的影响。

根据起重机起重性能表，选取臂长150 m 时，最大幅度104.4 m(臂架仰角47.7°)，额定起重量64 t进行计算分析。

以二次加载法为基础利用ansys软件的APDL命令流对各个工况进行分析，其应
力分布如表3。

计算数据显示，未安装腰绳情况下，臂架在小幅度大仰角下，应力均比较小，随着幅度增大，臂架应力开始增大，并且腰绳与臂架连接处附近上弦杆的应力始终大于下弦杆应力(而在短臂、小幅度、大载荷强度计算时，总是下弦杆应力比较大)，说明如果不考虑偏载对臂架根部的影响，在轻重混合型臂达到一定程度时，臂架的大应力主要是由于臂架自重所产生的初始挠度在臂架轴向力的作用下产生大的附加弯矩引起的，且幅度越大臂架自重产生的初始挠度越大。

2.2 加腰绳有限元分析
臂架加腰绳起臂到指定幅度的过程中，腰绳已受到一定载荷而绷紧，此时它已减少了臂架在自重影响下产生的初始挠度。

因此，在有限元模型中首先应该得到带腰绳的臂架系统在自重状态下的初始挠度，然后在具有初始挠度的臂架系统上施加载荷进行分析。

根据此计算方法对腰绳长度为7 500 mm、8 000 mm吊载工况进行分析，获得
腰绳计算数据如表4。

表4显示，加腰绳后吊载时臂架及腰绳连接处附近弦杆应力显著改善；但若腰绳
偏短，过渡节的下弦杆的应力会相对越大，同时腰绳本身受力也越大(如7 500
mm相较8 000 mm腰绳)，即可能出现臂架“反弯”现象，为防止这种情况的出现，此履带起重机轻重混合臂150 m工况选择8 000 mm腰绳为宜。

通过有限元分析显示，履带起重机腰绳的使用使大臂长臂架在起臂及吊载过程中强度应力得到显著改善，腰绳的长短对吊载过程中的臂架受力有较大的影响。

因此，为保证整个臂架受力合理，必须选择合理的腰绳长度，通过有限元对臂架的起臂及吊载工况进行综合分析，能够有效避免出现腰绳过长导致其在起臂过程中作用不明显、腰绳偏短可能造成臂架“反弯”和腰绳受力过大情况的出现，从而为准确控制腰绳长度提供可靠依据，通过本文的介绍，也为同类及近似工程装备的相关设计与使用提供有益的实践参考。

【相关文献】
[1] 王文静，衣启青，等.带腰绳臂架的挠曲线分析[J].中国工程机械学报，2013.11(1)：46-50.
[2] 王欣，卜筠燕，滕儒民.履带起重机超起型臂架补偿式腰绳结构设计研究[J].建筑机械，2008(2)：83-86.
[3] 谢正义，郑夕健，王君帅.大吨位履带起重机起臂工况动力学分析[J].建筑机械化，2016，37(7)：24-27.
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[5] 安亭铮，王欣，等.带有腰绳的履带起重机臂架系统平面外稳定性分析与研究[J].建筑机械，2015(9)：68-74.
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[8] 高顺德，周杨，孙吉产，王欣.变截面臂架腰绳系统优化[J].中国工程机械学报，2012，10(2)：191-196.。