50吨桥式吊车参数表（QY80t轮式起重机底架稳定性分析）

姜金杏1 邱 智2 滕建全21 四川大学机械工程学院 成都 610065 2 四川长江工程起重机有限责任公司 泸州 646000

摘 要：采用Ansys Workbench 中Static Structural 和Eigenvalue buckling 模块对QY80 t 轮式起重机的底架在4 种危险工况条件下进行有限元分析，得到该机底架在4 种工况下的实际稳定安全系数（即一阶模态），其中稳定安全系数的最小值为4.007 9，大于起重机设计规范中的许用稳定安全系数1.48。因此，该分析结果表明QY80 t 轮式起重机底架不会发生稳定性破坏。由对比分析所得数据可知，在臂长大、幅度大的危险工况下，可通过减少额定载荷提高起重机底架的稳定性。

关键词：QY80 t 轮式起重机；底架；稳定性；有限元分析

中图分类号：TH213.6 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）01-0052-04

0 引言轮式起重机主要用于起重、运输、装卸和安装物料，起重机底架在起重机工作过程中起到支撑作用，故起重机底架的性能直接决定了起重机的整体性能。近年来，已有很多学者对起重机底架进行了研究与分析。李忠杰、束昊等人采用有限元的方法对典型工况下的起重机底架进行加载分析，得到结构尖角处应力较大，底架回转中心受扭严重、容易失稳；王光钦对起重机底架大梁进行了应力计算，比较了集中载荷与分布载荷的差异；王燕平、袁茹等人以汽车起重机底架为研究对象，建立了有限元静力学模型分析并获得5 个载荷步下的名义应力谱；基于 FE-SAFE 耐久性分析软件，对底架结构的疲劳寿命进行预算，分析结果表明其使用寿命约为 70555 个工作循环。赵小伟、张骞等人以 PZQ1400 塔式起重机下承座环梁为研究对象，考虑 2 种危险工况进行了有限元分析，结合传统计算的强度结果，说明模型简化和施加载荷的合理性。目前对起重机底架的研究主要集中在施加载荷进行应力分析、预算疲劳寿命等，对起重机稳定性分析较少。然而，保证起重机具有足够的稳定性是起重机安全工作的基本要求，所以对工作状态下的起重机底架进行稳定性分析十分重要。本文采用有限元分析方法，使用Ansys Workbench 中Static Structural 和Eigenvalue buckling 模块，对QY80 t 轮式起重机的底架进行稳定性分析。

1 QY80 t 轮式起重机底架

QY80 t 轮式起重机为一种汽车起重机，其底架安装在下车底盘上，用于支撑上车回转部分。在实际使用过程中，轮式起重机的倾翻事故经常发生，底座的稳定性不满足设计要求是导致轮式起重机倾翻事故的重要因素。在不同的起重条件及操作方式下稳定性也存在较大差异，故必须结合具体的起重条件，对起重机底座进行稳定性分析。

本文研究对象为QY80 t 轮式起重机的底架，底架材料为HG785D，许用应力按GB/T 3811 － 2008《起重机设计规范》确定为[σ] ＝ 417 MPa，许用安全系数为1.48，弹性模量E ＝ 2.1×105 N/mm2，泊松比μ ＝ 0.27，比重ρ ＝ 7.85×10-6 kg/mm3，抗拉强度σb ＝ 785 MPa，屈服点σs ＝ 685 MPa。

QY80 t 轮式起重机底架结构及其组成如图1 所示，图中还标识出起重机底架上其他物体摆放的位置，有利于后续对起重机底座的力学分析。由于起重机底架作用回转支承约束反力。转台约束反力通过连接螺栓作用于回转支承上架，经由回转支承传递到回转支承下架，再由回转支承下通过连接螺栓作用于底架，故可采用有限元法对其进行仿真分析。

1、5. 悬架 2. 离合器 3. 二桥 4. 液压油箱 6. 四桥 7. 备胎 8. 燃油箱 9. 三桥 10. 分动箱 11. 发动机 12. 一桥 13. 走台板 14. 驾驶室图1 QY80 t 轮式起重机底架

2 有限元分析2.1 有限元建模为了验证QY80 t 轮式起重机底架工作时的稳定性，故采用Ansys workbench 进行特征值屈曲分析。采用Static Structural 和Eigenvalue buckling 模块对起重机底座进行仿真分析，将已有的三维模型导入Ansys workbench 软件中进行有限元分析。由于起重机底架基本构件为典型的薄壳结构，所以选用壳体Shell 93( 高版本Ansys 采用281) 单元能很好地模拟其几何和载荷特征，并按照上述表1HG785D 材料的属性设置起重机底架的材料属性。

本文分析过程中，采用四面体十节点实体单元，单元数为380 265，节点数为744 574，单元平均尺寸为25 mm。网格划分后模型如图2 所示。

图2 网格划分后的模型图

2.2 边界条件及简化在分析过程中，轮式起重机整车前进方向为底架前方。直角坐标系以沿底架纵向指向后部为X 轴正向，垂直底架平面指向上方为Y 轴正向，Z 轴正向按右手螺旋法则确定。由于采用Ansys workbench 对该起重机底架进行特征值屈曲分析，所以要选择约束面。考虑到起重机底座实际应用状态，将与支腿接触的凸台面（每个支腿有4 个接触小面）全约束，如图3 所示。工作环境中重力加速度g ＝ 9.8 m/s2。为了保证结构分析的准确性，对主体结构基本上不做简化，但结构细节不予考虑。

2.3 载荷的施加载荷分别为集中力和绕过转台安装圆心的集中力矩。集中力平均分布于转台72 个安装螺栓圆孔位置，垂直向下，即-Y 方向。集中力矩则处理为一向吊臂前方倾覆作用的力偶，力偶的一对力作用于沿吊臂轴向方向在转台安装圆前、后部分分别选出的9 个安装螺栓圆孔处。位于前方的力偶力向下，与集中力的分量叠加；位于后方的力偶力向上，与集中力相互抵消。这种方式较好地模拟了回转支承下座对底架的作用。因此，在分析过程中，每个螺栓孔处都施加FX / FY / FZ 方向的载荷，如图4 所示。对4 种危险工况条件分别进行特征值屈曲分析，即工况1(12 m-6 m-71 t)、工况2（17.76 m-5 m-57t）、工况3（49.8 m-18 m-10 t）、工况4（55 m-34 m-4 t)，工况中3 种表示参数依次为臂长、幅度以及重物质量。

图3 添加全约束示意图

图４ 添加载荷示意图

3 分析结果与讨论图5 为工况1 的云图，图6 为工况2 的云图，图7为工况3 的云图，图8 为工况4 的云图。分析求解时模态扩展设置为3（软件中默认设置为2），故可得到每种工况时一阶、二阶、三阶模态对应的特征值，特征值整理如表1 所示。

根据表1 中的分析数据可知，在4 种危险工况条件下，模态特征值按照工况1、工况2、工况3、工况4 的顺序逐步增加，其中工况1 的模态特征值最小，工况4 的模态特征值最大。在每种固定工况条件下，一阶模态对应的特征值最小，三阶模态对应的特征值最大。因此，工况4 时3 阶模态对应的特征值最大为13.036，工况1 时一阶模态对应的特征值最小为4.007 9。其中，一阶模态值对应该工况下起重机底座的稳定安全系数。在4 种危险工况下的实际稳定安全系数（一阶模态）最小值为4.007 9 大于起重机设计规范中的许用稳定安全系数1.48，故底架不会发生稳定破坏。

图5 工况1 的云图

图6 工况2 的云图

图7 工况3 的云图

图8 工况4 的云图

起重机在使用过程中，臂长越长对稳定性越不利。起重机的幅度与臂长和吊臂仰角相关，幅度越大容易引发起重机倾翻事故发生。从表1 可以看出，4 种工况条件下，随着起重机的臂长和幅度依次增加一阶模态值也逐渐增加，即稳定安全系数逐渐增加，因为起重机底架的稳定性主要取决于物体的质量。因此，在臂长、幅度较大的危险工况下，可通过减少额定载荷提高起重机的稳定性。

通过对比工况1、工况2 的数据可知，工况1 时起重机底座受到扭矩为4 174 800 N·m，工况2 时起重机受到扭矩为2 793 000 N·m，工况2 受到的扭矩远小于工况1，但由于工况2 起重机臂长大于工况1，所以两种工况的稳定安全系数相近。通过对比工况3、工况2 的数据可知，工况3 时起重机底座受到扭矩为1 764 000 N·m，工况4时起重机受到扭矩为1 332 800 N·m，虽然工况4 起重机幅度远大于工况3，, 但由于工况4 起重机载荷小于工况3，所以工况4 的稳定安全系数大于工况3。

4 结语本文基于Ansys workbench 对QY80 t 轮式起重机的底架进行有限元分析，得到4 种危险工况下的一阶、二阶、三阶模态对应的特征值。分析结果表明，QY80 t 起重机底架在这4 种危险工况时的实际稳定安全系数（一阶模态）最小值为4.007 9 大于起重机设计规范中的许用稳定安全系数1.48，故底架不会发生稳定破坏。通过对4 种工况的对比分析，可得起重机底架稳定性与臂长、幅度、物体质量有关，其中物体质量的作用较大。因此，在臂长大、幅度大的危险工况下，可通过减少额定载荷提高起重机底架的稳定性。

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