基于有限元的起重机起升机构仿真分析研究 - 贾体锋

基于有限元的起重机起升机构仿真分析研究

贾体锋

李向鹏

王丽君

徐州重型机械有限公司

摘

李长青徐州221004

要：提出了一种验证卷筒力学性能的有限元分析方法，并对结构设计改进前后起升机构进行了分析验

证。结果表明：文中提出的有限元分析方法能快速准确验证卷筒的力学性能，保证了起升机构设计和使用的安全性，为同类卷扬分析提供了一种有效的有限元分析思路。在此基础上，完善了起重性能表中吊钩倍率的计算方法，该方法对性能表参数的准确性具有指导作用。

关键词：起重机；起升机构；有限元分析中图分类号：TH113.1：TH132.4

文献标识码：A

文章编号：1001－0785（2015）11－0054－04

Abstract：Thepaperputsforwardafiniteelementanalysismethodverifyingthemechanicalpropertyofdrums，andperformsanalysisandverificationfortheliftingmechanismbeforeandafterimprovingthestructuraldesign.Theresultshowsthatthefiniteelementanalysismethodputforwardcanguaranteedesignandoperationsafetyoftheliftingmecha-nism，providinganeffectivefiniteelementanalysisthoughtforsimilarwinchanalysis.Basedonthis，thecalculationmeth-odforhookingmultiplyingpowershownintheliftingperformancetableisimproved.Themethodprovidesguidanceforim-provingthecorrectnessofparametersintheperformancetable.

Keywords：crane；liftingmechanism；finiteelementanalysis

0前言

起重机是广泛应用于工农业建设的起重设备，

提出的有限元分析方法能在保证计算精度的情况下，快速准确的验证卷筒的力学性能，保证起升机构设计和使用的安全性，同时本文方法可推广到同类卷扬分析计算。在此基础上，完善了起重机操作性能表中吊钩倍率的计算方法，该计算方法对性能表参数的准确性具有指导作用。

随着近年来需要吊运物品的质量和起升高度的增加，对起重机的深入研究就尤其重要。起重机一般由起升、回转、变幅等机构组成。其中，起升机构是实现重物提升的重要部件，对于起重机械的安全性和实用性起着决定性作用。起升机构可分为卷筒、卷扬减速器、驱动马达等关键部件，驱动马达通过卷扬减速器实现变速，带动卷筒的转动，实现重物的提升和降落，在此过程中，卷筒作为重要的结构件，是起重机安全工作的重要保障。卷筒多采用铸钢等材料制成，能很好满足卷筒工作要求。对于大型吊装工程，由于起升高度和载荷都较大，钢丝绳在卷筒的缠绕层数和工作时受力层都在10层以上，卷筒需要承受较大的载荷。卷筒开裂成为最大的安全隐患之一。所以，验证起升机构设计的安全性是起重机研发人员的重要课题。

本文基于有限元思想，提出了一种验证卷筒力学性能的有限元分析方法，并对结构设计改进前后的卷筒进行分析验证，研究结果表明：本文—54—

1起升机构卷筒工作时载荷分析

在卷扬减速器内部，减速器通过螺栓与卷筒

和卷扬支架固定，另一端通过轴承端盖与卷扬支架固定，根据卷筒安装方式，可将卷筒内部与减速器连接简化为固支连接。

起升机构工作时，卷筒圆弧绳槽受到每股钢丝绳指向圆心的压力载荷，而卷筒在提升重物时钢丝绳多层累加挤压，产生对卷筒侧立板向外的推力。钢丝绳收回和放出过程中，单绳拉力产生的弯矩和扭矩一般不超过对卷筒圆弧绳槽压应力的10%～15%，在有限元分析计算时可忽略。1.1

卷筒臂载荷

卷筒臂表面的最大压应力可表示为

q1=

Prs

2015（11）

《起重运输机械》

式中：q1为卷筒臂径向载荷，p为钢丝绳最大静拉力，r为卷筒半径，s为钢丝绳缠绕节距。

对于多层缠绕的钢丝绳，列入多层缠绕系数，可由下式计算

q=A1q1

式中：q为卷筒臂径向计算载荷，A为多层缠绕系数，具体数值的选取见表1。

表1

多层缠绕系数

缠绕层数1234≥5多层缠绕系数A1

0.65

1.15

1.45

1.55

1.60

1.2卷筒侧立板载荷

起重机卷扬减速器卷筒多采用双折线绳槽式，

钢丝绳缠绕到某一层最后一圈时会从下层缠绕到上一层。在此过程中，钢丝绳有锲入下层钢丝绳和侧立板间歇的趋势，这样就会对钢丝绳产生压应力和对侧立板产生轴向推力，该力主要取决于钢丝绳的张力、卷筒结构、缠绕情况、以及钢丝绳和钢丝绳、钢丝绳和卷筒臂的摩擦。由于情况较复杂，该力在随着钢丝绳的缠绕层数的变化是周期性大到小不断变化的。此力作用的结果将使卷筒侧立板受弯矩，产生向外弯曲的趋势，并在侧立板与筒臂根部产生较为复杂的应力状态，根据文献，多层缠绕侧立板轴向推力为

N1.145PSe－0.009

S

1=式中：N1为卷筒侧立板轴向推力；S为钢丝绳缠绕层数；e为自然对数的底，e=2.718；P为钢丝绳最大静拉力。

2起升机构卷筒有限元分析

有限元分析模型、载荷处理、约束条件与实

际力学特性一致时才能更准确的计算出理想的结果。在有限元分析时，应真实地反映实际受力，采用较为科学合理的简化模型和单元类型，在保证计算精度的前提下减少计算时间。2.1

卷筒模型简化

1）卷筒是材料均质且各向同性封闭圆柱体；

2）忽略卷筒底部双折线绳槽，简化为光筒臂；

3）同一绳圈中的张力为常数，压力均匀分布在卷筒容绳宽度上；

《起重运输机械》

2015（11）

4）钢丝绳对卷筒侧立板轴向推力为均布载荷，考虑侧立板与卷筒之间的圆角，防止应力集中。

由于起升机构卷筒为对称结构，本文直接在有限元分析软件Ansys中建立简化模型。2.2

单元网格划分

在单元划分时，采用Ansys软件中提供的Sol-id95，该单元能在基本不损失计算精度的情况下适用于曲线边界的建模，其单元有20个节点，每个节点有x、y、z等方向自由度，可适用于空间任何方向分析及弹性、蠕变、应力、刚度、大挠度、大位移分析，划分网格时采用精度较高的六面体网格。

2.3边界条件的处理

根据卷筒固定形式，在有限元分析时，可将卷筒与减速器和轴承固定处视为约束，根据实际情况，将约束全部施加为固支约束。2.4施加载荷

起升机构工作时，卷筒主要承受钢丝绳缠绕产生的对筒壁的向心载荷以及对卷筒侧立面的挤压载荷。施加载荷时，在卷筒壁施加压强；在侧立板施加上述计算结果中的压力，将压力转化为均布载荷，施加于侧立板内侧。

3

起升机构卷筒分析实例

3.1

力学参数计算

取某改制后卷扬参数进行计算，其钢丝绳最大静拉力P=156.8kN，卷筒半径r=313.5mm，钢丝绳缠绕节距s=29.6mm，钢丝绳直径d=28mm，卷筒钢丝绳层数S=9。卷筒的材料参数，

弹性模量E=1.17×105N/mm2=1.17×105

MPa，

泊松比!=0.30，密度ρ=7.81×10－9kg/mm3

，根据以上数据最终求得：卷筒臂表面的最大压应力

q1=27.03N/mm2=27.03MPa；多层缠绕侧立板轴向推力为N1=1490115N，侧立板上的压应力q2=2.14N/mm2=2.14MPa。3.2

有限元分析

在有限元软件中建立三维简化模型，并划分网格，最后按照边界条件处理方法施加载荷，如图1和图2所示。在边界条件和载荷等前处理完成后，进行有限元计算求解，卷筒的应力云图和位移云图如图3、图4所示。由云图可知，改制后的

—55—

卷筒受载后应力最大值σ=295MPa出现在侧立板与卷筒结合处，根据材料的许用应力为σs=500MPa，由此判断仿真结果满足材料许用强度和设计要求。

图1有限元简化模型效果图

图2有限元施加载荷效果图

图3改制后卷筒应力云图

为了验证改进效果，对改进前的卷筒做相同分析，可得到图5、图6所示应力云图和位移云—56—

图4改制后卷筒位移云图

图。由云图可知，改制前的主卷扬应力最大值σ=625MPa出现在侧立板与卷筒结合处，已经大于材料的许用应力σs=500MPa，由此判断改制前确实存在安全隐患，说明改制已经到达设计要求。

图5改制前应力云图

图6改制前位移云图《起重运输机械》

2015（11）

4其他起升机构卷筒计算分析

为了验证本文方法的，对一系列卷筒进行有限元分析验证，可得表2所示数据。由表2可知，卷筒有限元分析结果都满足结构设计要求，该结果也表明本文提出的有限元方法可推广到同类卷扬分析。

表2

卷筒分析数据表

卷筒臂表面的多层缠绕侧立侧立板上

有限元卷筒最大压应力

板轴向推力的压应力分析结果q1/MPaN1/Nq2/MPaq2/MPa124.9716657881.83319.52230.3812944172.61364.21329.1211664732.53412.32428.5611664732.52389.93528.349582892.81461.366

27.56

552256

2.71

435.52

5对性能表吊钩钢丝绳倍率的指导作用

起重机起重性能表中吊钩钢丝绳倍率通常根

据钢丝绳单绳拉力和滑轮效率等计算求得，但通过排查某起重机性能表中吊钩钢丝绳倍率值，发现有些性能点吊钩使用钢丝绳单绳拉力虽然没有超过钢丝绳的许用拉力，但已超出此工况卷扬在相应层数所能承受的最大拉力，也就是说吊钩钢丝绳倍率计算只考虑钢丝绳最大单绳拉力以及滑轮组效率，并未考虑卷筒本身在相应层数能承受钢丝绳最大拉力。

以固定副臂+超起、支腿全伸、平衡重为160t、副臂安装角0°、主臂长度70.8m、副臂长度6.5m、幅度10m、起重量129.8t的起重机为例，性能表给出的倍率为8，通过计算可得表3所示参数对比表。由表3可知，此工况在原始吊钩倍率时对卷筒臂的压应力和对卷筒侧立板轴向推力都超过了卷筒规定的允许值，卷筒在此工况存在由于强度不足而开裂的风险。如果在保证钢丝绳长度够用的情况下将吊钩倍率增加到10，此时相应的压应力和轴向推力都在卷扬允许的范围值内，在使用时就会比原工况安全很多。所以，在给定起重机性能表时，吊钩的倍率不能单以钢丝绳作为基准，在大型复杂工况时，还需考虑卷扬的受力情况，以增强起重机使用工况的安全性和

《起重运输机械》

2015（11）

关键部件的可靠性。

表3

参数对比表

卷筒原始吊钩增加吊钩允许值倍率倍率钢丝绳层数111111钢丝绳最大拉力/N146020173950141914最少钢丝绳长度/m—695847卷筒臂最大压应力q9728.4923.251/MPa24.侧立板轴向推力N1665788198457416190701/N

a

1.83

2.18

1.78

6结论

1）提出的有限元分析方法能在保证计算精度的

情况下，快速准确验证卷筒的力学性能。同时为同类卷扬分析提供了一种有效的有限元分析方法。

2）钢丝绳单绳拉力对卷筒的强度有很大的影响，在给定起重机性能表时，吊钩的倍率不仅要以钢丝绳作为基准，还需考虑卷扬在相应层数所能承受的最大拉力，以增强起重机使用工况的安全性和关键部件的可靠性。

参考文献

［1］顾迪民.工程起重机［M］．北京：中国建筑工业出版

社，1988.

［2］张青，张瑞军.工程起重机结构与设计［M］．北京：

化学工业出版社，2008.

［3］《起重机设计手册》编写组.起重机设计手册［M］．北

京：机械工业出版社，1984.

［4］何风梅，赵灿.缠绕式提升机卷筒强度的有限元优化

设计［

J］．矿山机械，2013（11）：42－44.［5］GB/T1955—2008

建筑卷扬机［

S］．［6］秦宇.Ansys11.0基础与实例教程［M］．北京：化学工

业出版社，2009.作者：李向鹏

地址：江苏省徐州市铜山路165号徐工集团徐州重型

机械有限公司技术中心起重机研究一所邮

编：221004

收稿日期：2015－06－17

—57—