陈宇，邓子龙，郑世博

（1.辽宁石油化工大学机械工程学院，辽宁抚顺113001;2.辽河装备集团有限公司钻机成套中心，辽宁盘锦 134020）

随着吊装行业的不断发展，履带式起重机向大型化、复杂化发展，要求强度越来越高，对设计的方法和手段提出了更高的要求［1］。履带式起重机桅杆是臂架拉板和变幅卷扬钢绳之间的支撑联接部件。起重机作业前，臂架需要在地面组装好，然后通过变幅系统将臂架起臂到工作角度。目前，在我国履带起重机桅杆设计中只对正常作业工况下的桅杆结构做了受力分析，忽略了非作业工况下桅杆的设计要求。由于桅杆结构起升的特殊性，使得桅杆结构往往因局部受力强度过大而出现弯曲或损坏的现象［2-3］。对于履带起重机桅杆设计问题的分析尚缺少有效的方法，很少有文献发表。

本文针对桅杆起升机构的结构进行有限元分析，不仅可以得到在作业工况和非作业工况下其结构中的应力分布规律和变形情况，找出结构中应力值较大的关键点，检验结构强度，还能进一步了解各种载荷对桅杆结构应力分布的影响，为桅杆起升机构的设计提供依据。

1 履带起重机桅杆结构的建模

运用Solidworks软件对履带起重机桅杆结构进行三维实体建模，运用ANSYS与Solidworks的专用接口将桅杆的三维实体模型导入有限元分析软件ANSYS中形成履带起重机桅杆的有限元模型［4］。

1.1 履带起重机桅杆结构的三维实体建模

应用Solidworks软件将桅杆结构的二维图形转化为三维实体模型是本课题的第一步工作。根据现有的某型号履带起重机桅杆的二维图样、图片和相关技术资料，首先确定了桅杆各个部分的结构尺寸，然后在Solidworks中应用曲面建模的方式建立桅杆的三维实体模型，生成在Solidworks软件下的Part文件［5-6］。论文所研究的履带起重机桅杆结构主要是由薄壁板焊接而成的箱型门字形框架结构。

1.2 履带起重机桅杆结构的有限元模型建模

ANSYS与Solidworks有专用接口，先将Solidworks的Part文件储存为 *.x_t的格式，然后在ANSYS内，应用Import命令，即可导入桅杆的Solidworks模型。由于桅杆焊缝的强度与桅杆钢板钢材基本一致，将钢板与钢板之间的焊缝看成是一体，选取相同的材料属性。建立桅杆结构的有限元模型关键是选择合适的单元。本文选用主要材料参数如表1所示。网格划分采用总体单元尺寸控制，桅杆约划分为15 669个单元。根据板的不同厚度尺寸，桅杆结构的壳单元共有5种厚度，如图1所示为桅杆有限元模型［7-8］。

表1 主要材料参数

图1 桅杆有限元模型

2 桅杆的性能特性及结果分析

运用有限元分析软件ANSYS对桅杆进行有限元静力学分析，主要进行最大吊重作业工况、起臂非作业工况和桅杆自起非作业工况分析。强度是金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力，是评价履带起重机桅杆结构性能的重要指标之一。满足强度要求是履带起重机桅杆结构设计的主要目标之一。本文将计算分析以上几种工况下的桅杆整体弯曲强度，并通过计算结果来分析桅杆结构设计的合理性。

2.1 边界约束及载荷处理

在最大吊重作业工况和起臂非作业工况下的边界约束相同，都为桅杆转动轴位置的节点位移为零。分别计算了在以上两种工况下的桅杆弯曲应力分布，由于桅杆自身重力相对钢丝绳拉力较小，所以在此情况下计算将重力忽略。在变幅滑轮组14个滑轮中心位置处取14个力的作用点，如图2所示，观察桅杆结构的应力分布情况;然后通过ANSYS软件计算整体弯曲情况。

图2 最大吊重和起臂工况约束点位置图

在桅杆自起非作业工况下，桅杆受力最大情况发生在桅杆旋转到45°时，本文对这种情况进行了分析。在桅杆受力最大时由于油缸处于溢流状态，所以边界约束为桅杆转动轴轴心位置和滑轮组中心的节点位移为零。加载点有以下几个:桅杆的重心点、与油缸连接处和托架与桅杆的接触面。观察桅杆结构的应力分布情况;然后通过ANSYS软件计算整体弯曲情况，如图3所示。

图3 自起工况约束点位置图

2.2 应力计算结果及分析

最大吊重作业工况和起臂非作业工况下，均布载荷的应力分布如图4（a）、图4（b）所示。从图4（a）、图4（b）中可以看出在这两种工况下应力的分布基本一致，这说明虽然工况不同并没有改变桅杆的整体应力分布。图4（a）中桅杆所受到的最大应力值为174 MPa，出现在桅杆根部;最大位移出现在格架横梁处，位移值为2.002 mm;桅杆上端滑轮组受到的应力较小。图4（b）中桅杆所受到的最大应力值为469 MPa，最大位移值为5.403 mm，上端滑轮组受到的应力较小。纵观最大吊重作业工况下桅杆的应力云图，最小安全系数达到了1.46，桅杆强度足够，有较大的余量。

如图5所示为履带起重机桅杆自起非作业工况下的等效应力云图。从图5中可以看出，桅杆结构的等效应力大部分在123 MPa以下，其最大值为368 MPa，在桅杆材料的屈服极限应力值（σ=567 MPa）以下;应力值相对较大的危险点处于托架处，最大位移值为0.44 98 m，主要原因是由于变幅钢丝绳拉力增大而使油缸顶升力瞬间增大。纵观桅杆自起非作业工况下桅杆的应力云图，与设计准则中的桅杆结构自起非作业工况位移的参考值（YL≤L2c×10－5=0.1 m）相比［9］，均处于合格范围内，并且具有较大的裕量，可供优化设计时降低制造成本使用。

图5 自起工况应力分布图

3 结论

通过以上计算与分析，可以得到以下结论:

1）在保证安全条件的前提下，桅杆根部梯形面可以改成矩形面从而增加抗弯模量。

2）桅杆与油缸连接处可以选用球铰接结构，球铰接结构可以减小偏载。

3）桅杆结构的整体弯曲强度、局部弯曲强度均符合要求，可以通过合理的改进措施将其结构和选材确定在合理的范围内。

4）桅杆结构有限元模型建立、分析方法能使设计者在产品的设计阶段就可以评估未来系统的性能特性，从而为履带式起重机桅杆结构的设计及优化提供了一个理论分析依据。

［1］刘金江.履带起重机产品现状及发展趋势［J］.建筑机械，2009，（3）:32-36.

［2］贾秋枫.大型履带式起重机吊装市场现状及发展趋势［J］.建筑机械，2008，（10）:20-25.

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［5］薛大维，赵雨肠.客车车架有限元静力学分析［J］.哈尔滨工业大学学报，2006，38（7）:1075-1078.

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［7］WANG Dazhi，DONG Guang，ZHANG Jinhuan.Car Side Structure Crashworthiness in Pole and Moving Deformable Barrier Side Impacts［J］. TSINGHUA SCIENCE AND TECHNOLOGY，2006，11（6）:725-730.

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［9］GB/T3811—2008.起重机设计规范［S］.北京:中国标准出版社，2008.