DLQ25A轮胎式起重机底架结构开裂成因的应力分析

　　轮胎式起重机底架结构开裂成因的应力分析武汉理工大学郭建生长航红光港机厂余红飞针对轮胎起重机底架结构开裂的情况，采用ANSYS程序建立了主梁与支腿一体的板壳单元有限元分析模型。在建构模型中，作者采用节点位移耦合技术，成功地模拟了轮胎起重机底架结构中的固定支腿与活动支腿的连接，同时提出了处理非均匀分布的圆周载荷的方法。该分析模型与实际情况较为吻合，为改善该机底架结构的设计提供了有力的理论依据。

　　底架结构应力分析疲劳开裂长航红光港机厂是我国生产轮胎式起重机的专业厂家，在轮胎式起重机的制造生产上，积累了丰富的经验。其新近研制的25t轮胎式起重机，将成为我国港口今后几年的主要流动机械之一。该机的主要承力构件――底架，采用了典型的双梁式结构形式。

　　由于该结构在主梁与支腿之间的传力关系较为复杂，以往手工计算该处的应力较为困难，致使该部位的细化设计目的性不强，从而导致在该部位经常产生低周疲劳开裂。

　　为弄清整个底架结构的应力分布情况，尤其是支腿与主梁连接处局部区域的应力分布情况，必须对底架结构整体采用板壳单元的有限元模型进行分析。由于该结构所具有的特点和其受力的特殊性，在有限元模型的建模和载荷处理上，与通常的有限元建模有所不同。本文就以下四个方面进行说明。

　　1固定支腿与活动支腿连接的处理DLQ25A底架结构分为主梁及支腿两部分，主梁与支腿都是由板件拼焊而成的箱型组合截面。为满足使用时机械运动的需要，支腿又分为固定支腿和活动支腿，支腿与主梁采用焊接方法连接。所以，要正确反映主梁与支腿之间的传力关系，必须将两者合一，统一建模。而采用统一建模，在有限元上，必须首先解决活动支腿与固定支腿之间连接的处理。

　　实际结构中，活动支腿与固定支腿之间是接触连接，在起重机吊装作业的工作过程中，两者之间应无相对位移发生。

　　针对这一特征并结合所用分析程序所提供的工具，我们选择了采用程序中的节点位移耦合技术，来模拟活动支腿与固定支腿之间的连接情况运用连杆单元模拟液压缸的支撑作用。具体处理如图1所示。

　　节点4、6与节点13、15的UX、UY方向位移耦合，节点5与节点14仅UY方向位移耦合，节点1、位移耦合类似处理其余三条支腿，致使模型中节点位移耦合总数达60个。模型全貌及总体坐标系见图2所示。

　　2回转轴承传递载荷的处理方法轮胎式起重机不仅起重量随工作幅度变化，而且还必须满足带载旋转、变幅等工作要求，所以其工况组合常常较为复杂。根据文献[ 3 ]和相应的参考文献，确定本此分析的工况组合为：a）有风状态下，起重质量离地起升或下降制动回转机构处于起、制动运行状态， 12 m臂架位于最小幅度位置，底架支腿处于三点或四点状态作业，臂架与底架纵向中心线成42. 88°。

　　b）有风状态下，起重质量离地起升或下降制动回转机构处于起、制动运行状态， 12 m臂架位于最小幅度位置，底架支腿处于三点或四点状态作业，臂架与底架纵向中心线成90°。

　　底架结构承受的载荷有：1）由起重机回转部分通过回转大齿圈传来的中心竖向力N 2）横向水平力H工况3）纵向水平力H工况4）对横轴Z Z的力矩6）对回转中心轴Y Y的扭矩工况7）回转部分以下的自重GDW以上载荷，除GDW结构自重外，其余均通过回转轴承作用在底架结构上。由于弯矩的影响，导致底架结构与回转轴承联结位置处的载荷，不是均匀分布的。而所采用的分析软件中，无现存的载荷作用方式与本文中的情况相对应，所以只能按照等效转换原则，处理到有限元模型与回转齿圈连接法兰的对应节点上。

　　模型在法兰位置处圆周线均分后的对应节点总数为46，分内、外两圈。文中所运用的具体等效转换原则如下：水平力合成弯矩弯矩的处理，常常较为复杂。根据模型的结构，确定本次分析内圈节点承担合成弯矩的40、外圈节点承担合成弯矩的60.而且参照文献[1 ]，弯矩引起的节点垂直载荷大小服从直线分布的规律。因此弯矩引起的内、外圈节点的最大载荷为：轮胎式起重机底架结构开裂成因的应力分析――郭建生余红飞式中： F――内圈最大Y方向的节点力――外圈最大Y方向的节点力――最远节点的力臂―― I节点处的力臂――外圈节点总数的一半――内圈节点总数的一半。

　　与中心竖向力N合成后，法兰面上各节点在Y方向的载荷，由下列公式推算：等效处理后的载荷作用在工况a下，如图3所示。

　　3应力结果的分析DLQ25A轮胎起重机的底架结构在实际使用中，常常在主梁与支腿连接的三角筋板尖角处首先产生低周疲劳裂纹。以上有限元模型，通过有限元程序的静力求解，得出了整个底架结构的应力分布情况。图4为该底架结构开裂部位在工况b下的局部放大等效应力分布云图。

　　从对底架结构的应力分析可以看出：开裂部位在工况a下，其工作应力值为121. 718 M Pa在工况b下，工作应力值为。 76 M Pa.考察该处结构的制造材料分别是主梁的主体）和Q235三角筋板） ，开裂部位恰恰发生在以上两种材料的结合部。就Q235 A材料的工作应力值已大大超过了许用工作应力，而接近其屈服应力，而且该部位正好是焊缝区。如此高的工作应力，就是导致在该部位产生低周疲劳开裂的主要原因。

　　4结论开裂部位在工况a及工况b下产生如此悬殊的工作应力变化，根本原因是臂架工作位置发生了变化，在工况b下主梁的扭转较工况a更强。所以由此得出以下设计改进结论：1）将主梁与固定支腿连接处的筋板、封板材料全部由原来的改为并适当增加板厚，以降低开裂部位的工作应力。

　　2）在主梁与固定支腿连接部位，两主梁之间的下斜封板，最好做成与主梁下三角筋板的封板处于同一平面中，确保力流传递的通畅，提高截面的抗扭能力。

　　3）提高开裂区域的焊缝质量，并设法消除焊接残余应力。

　　底架结构通过上述改进，在防止该轮胎起重机底架结构的疲劳开裂方面，取得了预期的效果。