广西壮族自治区特种设备检验研究院
摘要:大吨位全地面起重机在各类大型吊装工程项目中得到广泛的应用，对其臂架的结构强度也提出了很高的要求。本文对大吨位全地面起重机臂架索载强度展开了研究，采用有限元非线性分析方法对其进行了分析，旨在为有关需要提供参考借鉴。
关键词:大吨位；全地面；起重机；强度研究
0引言
随着我国社会经济的快速发展，各类工程项目的建设也越来越多，其中大型吊装工程项目的施工日益增加。在大型吊装工程施工中，大吨位全地面起重机以其通过性强、机动灵活、工作性能可靠等优点，得到了广泛的应用。而臂架作为全地面起重机的重要承载构建，其结构强度对起重机的整体性能具有十分重要的影响。因此，对大吨位全地面起重机的臂架索载强度展开研究十分必要。
1大吨位全地面起重机臂架索载强度研究
1.1各臂节的建模与臂节间的连接
副臂是典型双向压弯构件，杆件之间采用焊接，在杆件两端承受弯矩以及杆件自身重力的作用，因此杆件本身也是梁结构，故各个杆件采用梁单元建立模型，且副臂为对称结构。本文利用APDL语言定义beam188梁单元，并参数化截面、材料属性及实参数、臂架结构等，建立有限元模型。某大吨位全地面起重机工作状态为主臂各节伸缩比例为92%，固定副臂长35m，安装角度15°，主臂仰角为80°。首先以特征值分析方法确定在弹性范围内，理想臂架线性稳定性对应的临界载荷，为非线性分析确定临界载荷的上限。特征值屈曲分析显示临界载荷为1456.7N，对应线性分析结果显示，副臂最大应力发生在旋转节与门架相连的弦杆，最大应力为502MPa，臂架头部最大水平位移为10228mm，最大竖直位移为3633mm。本文对臂架进行弹塑性稳定性分析，获取载荷—变形曲线，得到其临界载荷为30000N，此时对应的水平位移如图1所示，最大为10313mm，竖直位移如图2所示，最大为-4747mm。由副臂整体应力分布图可得，最大应力发生在旋转节与大截面标准节连接处，旋转节下弦杆与大截面标准节下弦杆部分发生塑性变形。由于决定塑性变形的剪切模量计算复杂，同时弯曲变形与截面的塑性区域的扩展都难以界定，因此临界载荷按边缘纤维屈服理论计算。
图1整体水平位移
图2整体竖直位移
由于特征屈曲分析是理想结构且基于线性分析，对臂架强度、位移的分析趋于保守，对于临界吊载计算结果偏大。而主臂+固定副臂工况臂架长度较长、变形较大，属于大变形问题，应采用非线性分析。臂架通常是由于臂架局部发生塑性变形，逐渐失去承载能力，直到屈曲。
1.2臂架变形过程中背部起升绳张力的影响
大吨位全地面起重机加载过程中，随着载荷的增大臂架变形逐渐增大，使臂架背部的起升钢丝绳张力方向发生改变，并随着臂架变形，钢丝绳与主臂各节臂臂头可能产生接触，影响臂架的载荷分布。本文按照稳定性分析的3种方法对3种工况进行分析，获取臂架的临界载荷。工况1为主臂各节伸出比例为46%，主臂仰角为60°；工况2为主臂各节伸出比例为92%，主臂仰角为45°；工况3为主臂各节全伸，主臂仰角为60°。以各自基于边缘纤维屈服理论得到的临界载荷为吊载，对臂架进行几何非线性分析，如表1所示。由表中可得，与弹塑性稳定性分析获取的临界载荷相比，特征值分析获取的临界载荷较大，而基于边缘纤维屈服获取的临界载荷较小。基于边缘纤维屈服理论得到的临界载荷比较保守，但其计算过程简单，同时还考虑了臂架强度问题，适用于臂架的临界载荷计算。
表13种方法对应的临界载荷N
工况特征值边缘纤维屈服理论弹塑性稳定性1152650641698557710022823036931796925321454479096101450
为研究起升绳引起的载荷变化对计算结果的影响，对起升绳作用的处理分为两种方法，一是考虑起升绳引起的载荷变化，二是不考虑起升绳引起的载荷变化。本文以主臂伸缩为例，按主臂仰角不变、改变安装角和安装角不变、改变主臂仰角两种状况，分别采用上述两种方法进行分析。主臂仰角不变、改变副臂安装角工况，在臂架最终平衡状态时，两种方法获得的各节臂臂头载荷及其分布如表2所示。由表2可以得到不同安装角时臂架头部的载荷及其分布，同时也可得到起升绳与臂架的接触情况。
表2不同副臂安装角对应的臂头载荷N
方法第i节臂头载荷方向副臂安装角度/(°)010203040M11X00000Z000002X00000Z000003X343263316293261Z-77-59-72-67-60M14X618481502456407Z-148-116-124-113-1015X172202334340314Z-43-51-88-91-846X00000Z00000M1支撑点X604532883371030811400Z-116-1517-3177-4978-6755M2X3048667498671125711773
Z-930-2756-5359-7540-9468M1臂头X-6847-10501-12743-14182-14837Z-34016-26771-20915-16206-12043M2X-11647-13270-16312-17004-16887Z-32684-22679-18269-13215-8944
两种方法分析对应的臂架最大应力、最大水平、竖直位移如图3所示。由图3可得，主臂仰角不变，副臂安装角从0º～40º时，副臂的最大应力逐渐减小，产生的相对误差由0.53下降到0.19，副臂的最大水平位移逐渐减小，产生的相对误差由0.46减小到0.15；副臂最大竖直位移逐渐减小，产生的相对误差由0.62减小到0.20。由此可得，方法1求解的副臂最大应力、水平位移和竖直位移，相对方法2求解的结果所产生的相对误差，随着安装角的增大逐渐减小。
图3改变副臂安装角时2种方法分析结果
当副臂安装角度不变、主臂以65°、70°、75°3种仰角，在臂架最终平衡位置，由两种方法分析获得的各臂节头部载荷显示于表3，分析结果求得的副臂最大应力、水平位移和竖直位移如图4所示。
表3改变主臂仰角时对应的各节臂臂头载荷N
方法第i节臂头载荷方向主臂仰角/(°)657075M21X0.00.00.0Z0.00.00.02X95.7131.20.0Z-40.4-5.50.0M23X471.2538.0500.8Z-207.4-238.4-165.84X482.8554.4545.9Z-228.1-264.4-195.25X354.6444.3396.3Z-177.9-226.2-151.36X0.00.00.0Z0.00.00.0M1支撑点X5796.86381.07424.7Z-4528.7-5088.1-4680.3M2X4603.15296.46000.9Z-3029.2-2859.2-2593.5M1臂头X-14796.7-16367.7-15976.1Z-12965.5-13981.5-17115.0M2X-13009.9-12773.6-12197.7Z-14757.7-17326.8-19984.4
图4改变主臂仰角2种方法对应的分析结果
由表3可得，在主臂仰角65°、70°时，起升绳与2-5节臂臂头接触，75°时与3-5节臂臂头接触。由图4可得，在主臂仰角65°、70°、75°时，方法1获得的最大应力、臂头的最大水平和竖直位移比方法2求得的值小，且相对误差都在20%以上。由表3和图4中方法2获得的臂头载荷，可和臂架变形过程中起升绳与部分臂节头部接触，影响臂架整体载荷分布，改变了顶节臂头载荷方向。由图3和图4可得，采用方法2计算的副臂最大应力、最大水平和竖直位移偏大，且与方法1计算结果的相对误差达10%以上。因此对臂架进行分析时应考虑起升绳作用力的变化，以提高计算精度，更好地与实际工程相符。
2结语
综上所述，大吨位全地面起重机由于其吊载大、结构复杂，对臂架结构强度具有很高的要求，对其索载强度的计算是大吨位全地面起重机设计阶段中的一个关键环节。本文采用参数化建模，对大吨位全地面起重机臂架的大变形应力进行了分析，该方法计算结果精确，可为大吨位全地面起重机在吊装作业中的应用提供参考。
参考文献
[1]宋轶,杜玉龙.基于APDL的全地面起重机臂架分析[J].科技创新与生产力.2014(06)
[2]张景坡,徐伟,李杰,苗明,陈礼.全地面起重机塔臂工况臂架受力规律研究[J].起重运输机械.2014(03)