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超大型塔式起重机回转总成结构强度分析

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Loading performance analysis on slewing assembly of super tower cranesYANG Yun-hua,ZENG Guang超大型塔式起重机回转总成由上支座 、回转支承、下支座和过渡节组成,将上部结构的载荷可靠地传递给塔身结构。过渡节和上下回转支座是整机重要的连接结构 ,受力十分复杂。本文以中联重科D5200-240超大型塔式起重机 (见网1)的过渡节与下回转支座作为研究对象,分别建立实体和梁杆单元两种力学模型,并对这两种模型进行强度分析,考评计算结果的相关性,并针对轻量化设计要求进行结构优化设计,从而实现超大型塔式起重机在施]-中的安全性与稳定性。

图1 D5200-240自升式塔机在马鞍山长江大桥 吊装拈l 结构建模D5200-240塔机的起重力矩达52000kN·m,最大起重量为240t,为上回转水平臂自升式塔机,其回转部分的支承结构主要包括十字梁、过渡节 、斜撑杆和上下回转支座有等几个部分。为了确保强度分析计算的可靠性,通过对两种不同的数学模型进行了结构强度分析,包括实体单元模型与梁杆单元模型 (见图2)。实体单元模型能够真实地反映结构的几何特征并能给出连接处的受力特征,而梁杆单元模型的建立则用于考评实体模型计算的有效性。

1.1 实体单元模型实体单元模型共有约58万个单元 .采用手工划分网格以确保单元质量,其中绝大部分为6面体单元;在重点区域采用了较密的网格划分或者使用高阶单元以确保计算精度。过渡节主弦杆与下回转支座之间、主弦杆与十字梁之间的连接认为是同接;腹杆和斜撑杆与主弦杆、下会转支座及十字梁之问的连接认为是铰接 ;约束十字梁下的4个支脚的位移作为边界条件;假设下回转支座与回转支承连接平面上的点在变形后仍处于同-平面内,其变形与圆心点相关联 (采用多点约束实现 ),并在圆心点处施加载荷。

[收稿 日期 ]2012-12-09[通讯地址 ]湖南省长沙市岳麓区大道658号信息港2415室专题研究i s cH结果的可靠性。如图9和表1、表2所示,两种模型的计算结果有较高的相关性,同时梁杆模型计算结果的载荷与应力相对于实体模型偏高,这是由于梁杆模型将下回转支座简化为刚体,而实体模型中下回转支座为柔性体,相对梁杆模型其受力分配更为均匀。

S MisesBottom gh c Corner(Avg 75%)a实体模型 b梁杆单元模型图9 改进后模型的应力云图表l 实体模型和梁杆模型的各工况杆系应力结果比较 MPa杆件名称 实体模型T况- 梁杆模型T况- 实体模型工况二 梁杆模 T况二斜撑杆 -96.8128 -105.036 -l23.776 -132.083斜腹杆 -l24.736 -144.266 -83.9379 -l 10.846水平腹杆 99.6679 102.234 98.4304 92.O619十字梁腹杆 l3.6937 34.7409 10.1491 36.2063表2 实体模型和梁杆模型各工况杆系载荷结果比较 kN杆件名称 实体模型工况- 梁杆模型工况- 实体模型1况二 梁杆模型T况二斜撑杆 -4722.0937 -5123.1845 -6037.2376 -6442.4157斜腹杆 -1958.3552 -2264.9762 -131.7825 -1740.2822水平腹杆 638.6882 655.1322 63.0758l 589.9477十字梁腹杆 82.1354 208.3773 60.8747 2l7.16693 结构改进在结构强度分析的基础上,针对该塔机轻量化的丁程需求对局部几何参数进行调整,并对修改后的结构再次进行强度分析。

改进设计 主要包括 以下两个部分 :调整斜腹杆直径 ,减sJ',20mm,调整十字梁高度,降低200mm。针对改进后的结构进行强度分析,并与未调整的结构计算结果进行对比,如图l0和表3、表4所示 ,得到以下结论:(1)调整斜腹杆直径减/J',20mm后,其应力水平较原来的102MPa提高至125MPa(未考虑稳定性修正系数 );(2)在原设计 的基础上将十字梁高度降低200mm,应力水平仍然较低 ,而斜撑杆与斜腹杆的受力情况没有明显改善。

a降低前 b降低后图lO 十字梁高度降低前后的结构应力云图表3 杆系最大应力比较 MPa斜腹杆直径不变,十字梁高度降低 斜腹杆直径减小20mm,十字梁 斜腹杆直径减Jb20mm,十字梁杆件名称 200mm 高度不变 高度降低200mm饿- 饿二 工况- 工况二 1:况- 工况二斜撑杆 -99.1481 -126.026 -96.8 128 -l23.776 -98.3726 -122.691斜腹杆 -lO1.889 -67.6168 -124.736 -83.9379 -104.232 -83.9476水平腹杆 99.3974 99.5447 99.6679 98.4304 85.5722 97.9668十字梁腹杆 17.5683 l0.7094 15.8596 1O.1491 8.62512 l0.7252表4 杆系最大载荷比较 kN斜腹杆直径不变,十字梁高度降低 斜腹杆直径减:J20mm,十字梁 斜腹杆直径减:]20mm,十字梁杆件名称 200mm 高度不变 高度降低200mmT况- 工况二 工况- 工况二 工况- 工况二斜撑杆 -483.59992 -614.69824 -468.69363 -603.72376 -479.81738 -598.43161斜腹杆 -208.93483 -l38.65584 -195.83552 -l31.7825 -163.64424 -131.79773水平腹杆 63.69548 63.78987 63.86882 63.07581 54.83606 62.77872十字梁腹杆 10.53754 6.42354 9.51265 6.08747 5.17338 6.433024 结论本文分别研究了十字梁 、过渡节 、斜撑杆和下回转支座在不同工况下的受力特征,并针对轻量化的设计要求进行结构改进设计,最后得到以下几个结论:(1)实体单元模型和梁杆单元模型的计算结果,表明结构各杆件应力都在许用应力范围内,结构的强度满足不同饿的使用要求。

(2)根据实体单元模型与梁杆单元模型的有限元分析计算结果 ,表明两种计算的结果相差不大,结构整体的最大应力未超过作用应力。

(3)斜腹杆直径减小20ram后 ,整体的应力水平仍然保持在合理的范围;十字梁高度降低200mm后 ,斜撑杆与斜腹杆的受力情况没有明显改善,而水平腹杆与十字梁腹杆的受力情况得到明显改善

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