鄭賢中，邵澤亮，於潛軍

1.武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢430205；

2.武漢江漢化工設(shè)計(jì)有限公司，湖北武漢430223

隧道救援吊車機(jī)臂的結(jié)構(gòu)分析

鄭賢中1，邵澤亮1，於潛軍2

1.武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢430205；

2.武漢江漢化工設(shè)計(jì)有限公司，湖北武漢430223

為了在設(shè)計(jì)階段確定隧道救援吊車在起吊過程中機(jī)臂的變形情況和應(yīng)力分布以及應(yīng)力集中點(diǎn)位置，使用有限元法對作業(yè)狀態(tài)下的機(jī)臂進(jìn)行數(shù)值模擬.利用ANSYS軟件完成了機(jī)臂在3種工況下（僅考慮自重；自重和15 t起吊載荷；自重和60 t起吊載荷）的強(qiáng)度及剛度計(jì)算，并基于強(qiáng)度分析和剛度分析對機(jī)臂進(jìn)行了安全評定.結(jié)果表明：不同工況下，應(yīng)力具有相似的分布規(guī)律，最大應(yīng)力出現(xiàn)在機(jī)臂與支柱接觸點(diǎn)附近以及耳梁與機(jī)臂腹板連接處，可以通過加厚耳梁翼板和腹板、增加支撐板數(shù)量、使用強(qiáng)度等級更高的材料來提高機(jī)臂的強(qiáng)度和剛度.

吊車機(jī)臂；結(jié)構(gòu)分析；有限元

1 引言

當(dāng)隧道內(nèi)火車發(fā)生追尾、自燃或者發(fā)生堵塞的情況時，受隧道高度和空間的限制，普通吊車無法進(jìn)入隧道內(nèi)直接拖曳、起吊，且無能力完成重型負(fù)荷的起吊任務(wù)，這將會對該線路的交通和救援產(chǎn)生嚴(yán)重的影響［1-2］，故設(shè)計(jì)開發(fā)一種新型的隧道內(nèi)救援專用吊車（如圖1所示）.而專為此研發(fā)的隧道救援吊車可以利用其機(jī)臂長的優(yōu)勢，伸入隧道內(nèi)部完成起吊任務(wù)、對超重事故車輛也可以順利起吊、運(yùn)離事故現(xiàn)場從而使交通在較短時間內(nèi)恢復(fù)通暢.這對日益增多的交通事故的快速處置和快捷救援有著重要的意義［3-4］.

隧道救援吊車上的機(jī)臂是救援車上最重要的工作裝置［5］，它作為隧道救援吊車在起吊過程中的重要支撐構(gòu)件，其設(shè)計(jì)的合理性，直接影響吊車的承載能力、整車穩(wěn)定性及自重.由于吊臂在進(jìn)行清障和救援工作時承受的載荷工況比較復(fù)雜，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程對其尺寸（參數(shù)）缺乏精確的強(qiáng)度、剛度計(jì)算方法［6］，為了分析隧道救援吊車在救援的時候受到重型載荷的條件下機(jī)臂是否滿足強(qiáng)度和剛度要求而運(yùn)用有限元方法對機(jī)臂進(jìn)行數(shù)值模擬分析與強(qiáng)度和剛度計(jì)算，既準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)、可靠，又能得出構(gòu)件在各種工況下的應(yīng)力分布情況，為隧道救援車輛的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了一定參考.首先，對機(jī)臂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和簡化，建立其分析的計(jì)算模型；然后，在各種工況下對其進(jìn)行加載并進(jìn)行有限元分析，得出相應(yīng)工況下的應(yīng)力強(qiáng)度與變形位移，分析它的危險截面和高應(yīng)力區(qū)域的分布情況；最后針對出現(xiàn)的問題，指出改進(jìn)的方向和措施.

2 隧道救援吊車的有限元分析

2.1 建模

2.1.1 單元選取由于該機(jī)臂的結(jié)構(gòu)形式為工程上常用的耳梁，機(jī)臂采用蓋板鋼箱梁結(jié)構(gòu)，帶上下耳梁（見圖1）.上耳梁作為機(jī)臂的加固，下耳梁作為吊鉤的支撐點(diǎn)兼滑道［7］，支柱作為機(jī)臂的上下端面的支撐.其幾何形式上在縱向中截面保持對稱，橫截面上并非完全一致，而無法實(shí)現(xiàn)大范圍的簡化，不可用梁單元進(jìn)行模擬.故選用三維實(shí)體單元進(jìn)行模擬較為合理.

圖1 隧道救援吊車結(jié)構(gòu)示意圖（單位：m）Fig.1Structure of the tunnel rescue crane（unit：m）

2.1.2 材料選用由于該機(jī)臂屬于承重構(gòu)件，屬于特種設(shè)備類型，為了安全起見，采用Q345鋼材進(jìn)行設(shè)計(jì)制造.其材料屬性分別為制造起重機(jī)臂的材料為常見的Q345鋼材，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.28，其密度為7 850 kg/m3，經(jīng)查表結(jié)合實(shí)際安全系數(shù)，可得Q345許用應(yīng)力為

2.1.3 幾何建模由于該機(jī)臂結(jié)構(gòu)關(guān)于中面對稱，故在建模的時候可采只建立一半幾何模型，以達(dá)到減少占用計(jì)算機(jī)資源的目的［8］.建模時采用結(jié)合機(jī)臂的實(shí)際尺寸先建立1 m梁段然后再把該梁段在縱向進(jìn)行復(fù)制的方式以達(dá)到快速而準(zhǔn)確地建立模型，對復(fù)制后的梁段進(jìn)行布爾運(yùn)算，將其粘接為一個整體后，機(jī)臂整體在幾何上就有了關(guān)聯(lián)性，機(jī)臂的幾何模型如圖2所示.

圖2 隧道救援吊車機(jī)臂幾何模型Fig.2One half of geometric model of tunnel rescue crane boom

2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分的優(yōu)劣是計(jì)算結(jié)果能否準(zhǔn)確的至關(guān)重要的因素之一.為了得到更精準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果，在整個網(wǎng)格劃分的過程中利用工作平面將幾何模型進(jìn)行切割操作，切分成一個個形狀規(guī)整的六面體結(jié)構(gòu).劃分網(wǎng)格后其網(wǎng)格示意圖如圖3和圖4所示.

圖3 機(jī)臂縱向截面網(wǎng)格圖Fig.3Longitudinal cross section of boom mesh model

圖4 機(jī)臂側(cè)面網(wǎng)格圖Fig.4Side of boom mesh model

2.3 加載和求解

由于其幾何形式上在縱向中截面保持對稱，在建模時也只建立了模型，故在施加位移約束時需施加面對稱約束.各支柱在機(jī)臂上下端面起到支撐作用，故對與支柱相接觸的部分面施加Y向約束.在特定工況下的起重位置施加集中力荷載，由于還要考慮自重的影響［9］，故還需要設(shè)定重力加速度，其值為9.8 N/kg.

2.4 后處理

求解完成后，在后處理模塊中，可查看機(jī)臂結(jié)構(gòu)總位移云圖和Von Mises等效應(yīng)力云圖.通過將結(jié)果云圖中的數(shù)值和工程中的許用應(yīng)力數(shù)值進(jìn)行比較，可判定該起重機(jī)臂是否滿足強(qiáng)度和剛度要求.

3 常用工況下隧道救援吊車機(jī)臂強(qiáng)度的剛度分析

機(jī)臂通過液壓傳動、機(jī)臂頂端離開支柱1的支撐，整體后移，直至機(jī)臂頂端在支柱2處固定.由于隧道救援吊車在使用過程中可能出現(xiàn)非常復(fù)雜的情況，在經(jīng)過一系列的總結(jié)后進(jìn)行工況設(shè)定［10］，可設(shè)定為3種工況，分別如下：

工況1：隧道救援車在空載情況下（支柱4收起、兩大吊鉤空載、兩小吊鉤空載）的工作情況；該工況下救援吊車各支柱的使用情況如圖5所示.

圖5 隧道救援吊車在工況1下的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5Structural diagram of the tunnel rescue crane under load case 1

從圖6～圖8中可以看出，工況1的最大位移值為66.153 mm，最大應(yīng)力強(qiáng)度為105 MPa；應(yīng)力最大值位于機(jī)臂重心位置附近，耳梁與機(jī)臂腹板連接位置應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯；工況1的Y方向最大位移（即撓度）遠(yuǎn)小于L（L為起重臂總長）［11-12］，最大應(yīng)力強(qiáng)度小于Q345的許用應(yīng)力.故工況1安全.

圖6 工況1下的機(jī)臂Von Mises應(yīng)力云圖Fig.6Von Mises stress diagram under load case 1

圖7 工況1下的機(jī)臂總位移云圖Fig.7Deformation diagram under load case 1

圖8 工況1下最大應(yīng)力點(diǎn)Fig.8Maximum stress point under load case 1

工況2：隧道救援車在加載情況下（支柱4收起，兩大吊鉤空載，僅使用兩小吊鉤吊起15 t負(fù)重并裝載）的工作情況；該工況下救援吊車各支柱的使用情況如圖9所示.

圖9 隧道救援吊車在工況2下的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9Structural diagram of the tunnel rescue crane under load case 2

從圖10～圖12中可以看出，工況2的最大位移值為446.0 mm，最大應(yīng)力強(qiáng)度為287 MPa；應(yīng)力最大值位于機(jī)臂與支柱3接觸點(diǎn)附近，耳梁與機(jī)臂腹板連接處應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯；工況2的Y方向最大位移446.0 mm小于L=652.174 mm（L為起重臂總長），最大應(yīng)力強(qiáng)度值超過了Q345的許用應(yīng)力.故工況2危險.為了減弱耳梁與機(jī)臂腹板連接處的應(yīng)力集中，在實(shí)際制造過程中應(yīng)該對該小區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)處理，采取增加耳梁翼板與耳梁腹板厚度等方法來降低該區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象.

工況3：隧道救援車在加載情況下（支柱4被使用、兩小吊鉤空載，僅使用兩大吊鉤吊起60 t負(fù)重并裝載）的工作情況：該工況下救援吊車各支柱的使用情況如圖13所示.

圖10 工況2下的機(jī)臂Von Mises應(yīng)力云圖Fig.10Von Mises stress diagram under load case 2

圖11 工況2下的機(jī)臂總位移云圖Fig.11Deformation diagram under load case 2

圖12 工況2下最大應(yīng)力集中點(diǎn)Fig.12Maximum stress point under load case 2

圖13 隧道救援吊車處于工況3下的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.13Structural diagram of tunnel rescue crane under load case 3

從圖14～圖16中可以看出，工況3的最大位移值為21.932 mm，最大應(yīng)力強(qiáng)度為249 MPa；應(yīng)力最大值位于機(jī)臂與支柱4接觸點(diǎn)附近，同時機(jī)臂與支柱3接觸點(diǎn)附近也存在明顯的應(yīng)力集中，均在耳梁與機(jī)臂腹板連接位置出現(xiàn)最大應(yīng)力值；工況3的Y方向最大位移遠(yuǎn)小于L（L為起重臂總長），最大應(yīng)力強(qiáng)度值小于Q345的許用應(yīng)力.故工況3較為安全.

上述3種工況下隧道救援吊車機(jī)臂結(jié)構(gòu)求解計(jì)算完成后，對數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì).表1為3種工況下機(jī)臂受載后的最大應(yīng)力值和最大撓度值，并將其與實(shí)際制造采用的鋼材的許用應(yīng)力和最大撓度［13］進(jìn)行了對比.

圖14 工況3下的機(jī)臂Von Mises應(yīng)力云圖Fig.14Von Mises stress diagram under load case 3

圖15 工況3下的機(jī)臂總位移云圖Fig.15Deformation diagram under load case 3

圖16 工況3下最大應(yīng)力集中點(diǎn)Fig.16Maximum stress point under load case 3

表1 三種工況的有限元分析結(jié)果Tab.1Results of finite element analysis in three cases

4 結(jié)語

通過有限元軟件對某型隧道救援吊車機(jī)臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度有限元分析，觀察計(jì)算結(jié)果，分析得到的結(jié)論如下：

1）對比第2、第3種工況下的應(yīng)力云圖和位移云圖，可以看出在起吊過程中支柱4的使用對于整個機(jī)臂的強(qiáng)度與剛度有著顯著的改善，大大增加了起吊能力和增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提高了起重機(jī)臂的安全性能.

2）觀察3種工況下應(yīng)力集中的位置，可以發(fā)現(xiàn)主要的應(yīng)力集中區(qū)域在支撐位置、耳梁與機(jī)臂腹板連接位置，為了減小應(yīng)力集中，進(jìn)一步提高機(jī)臂的承載能力，可以通過加厚耳梁翼板和腹板［14］、增加支撐板數(shù)量，機(jī)臂使用強(qiáng)度等級更高的材料（如Q460）等方法來處理.

3）吊車機(jī)臂設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)階段使用有限元軟件對機(jī)臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析可確定機(jī)臂受載下的應(yīng)力分布和危險截面位置從而有效地選取并改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，有利于提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量［15］.

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本文編輯：陳小平

Structural Analysis of Tunnel Rescue Crane Boom

ZHENG Xianzhong1，SHAO Zeliang1，YU Qianjun2
1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China；2.Wuhan Jianghan Chemical Design Co.，Ltd，Wuhan 430223，China

To determine the tunnel rescue crane deformation condition of boom，and the stress distribution and the stress concentration in the lifting process at the design stage，the numerical simulation calculations have been carried out to analyze the operating state of the crane boom by the finite element method.The calculation of strength and stiffness of crane boom under the three load cases（dead weight，dead weight plus 15 t lifting loads，dead weight plus 60 t lifting loads）were completed by using ANSYS software，and then the safety assessment of the boom was performed based on strength and stiffness analysis.The results show that the stress distribution is similar under different working conditions.Moreover，the maximum stress appears near the contact point of boom and pillar，the junction of beam with lifting eyes and boom web.To improve the strength and stiffness of the crane boom，we should thicken the flange and web of beam with lifting eyes，increase the number of support plates and use high strength materials.

crane boom；structural analysis；finite elements

TH213.1

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2016.06.016

文章編號：1674-2869（2016）06-0599-06

2016-07-20

鄭賢中，博士，副教授.E-mail：1020933697@qq.com