QTZ160塔機回轉總成有限元分析

申奇志，黃新霞，何志華，郭云峰

（1. 湖南工業職業技術學院，湖南 長沙 410012；2. 三一汽車制造有限公司，湖南 長沙 410000；3. 上汽大眾汽車有限公司長沙分公司，湖南 長沙 410132）

回轉總成是塔機中的關鍵部件。工作時，上裝載荷通過回轉總成傳遞至塔身。某公司QTZ160塔機在使用過程中出現了因剛度不夠引起回轉不平穩、回轉異響的現象。從該公司提供的計算依據可以發現，為了簡化計算，該公司忽略了回轉支承對回轉總成的剛度影響，將回轉總成上、下支座分別單獨計算。按此計算結果，回轉總成上支座座圈無變形，下支座座圈最大變形量為1.205mm，回轉總成最大變形量在上支座耳板處，為1.569mm，在允許值范圍內。本文將該起重機回轉總成做為一個整體構件建立非線性有限元模型進行計算，得出塔機實際工作時結構各處的應力應變，尤其上下支座座圈處的應力應變，從而為改進設計提供了計算依據。

1 回轉總成受力分析

回轉總成由回轉上支座、回轉支承及回轉下支座組成?；剞D總成的上、下支座均由座圈、圓形封板、圍板、筋板、支座等鋼板拼焊而成，材質為Q345B。工作中，回轉總成主要承受塔帽、平衡臂、配重、起重臂等上裝的自重載荷，吊重載荷、風載荷、相應載荷產生的彎矩和因運動產生的慣性載荷及沖擊載荷等，如圖1所示。

圖1 回轉總成及載荷示意圖

2 回轉總成的計算工況及載荷確定

根據GB/T13752-2017《塔式起重機設計規范》，考慮塔機的安裝及工作情況，回轉總成的載荷組合，通常選用有風工作工況載荷組合B進行結構設計，按暴風侵襲的非工作工況載荷組合C進行結構校核。

根據QTZ160塔機各部件的實際結構，按照GB/T13752-2017《塔式起重機設計規范》求出各部件風載，并對各部件自重載荷以及工況吊重載荷進行組合。通過各工況進行對比得出兩種危險工況，其對應載荷如表1所示。

表1 各工況載荷

3 回轉總成的有限元計算

在ProE中建立三維模型后導入Workbench進行計算，采用Solid185實體單元建模。計算前對模型進行簡化，剔除平臺、平臺連接板、限位器連接板、線座等非主要受力構件，結構焊接部位按焊腳高填滿焊縫處理。結構件主要材料為Q345B，材料密度為7.85×10-6kg/mm3，彈性模量E=2.1×105MPa，泊松比為0.3。根據GB/T13752-2017《塔式起重機設計規范》載荷組合B選擇安全系數為1.34。

3.1 網格劃分

采用六面體對模型進行網格劃分，網格大小為20mm，局部如耳板、上下支座座圈等加密，網格模型如圖2所示。節點689157個，單元174566個。

圖2 回轉總成網格模型

3.2 邊界條件及接觸類型的確定

上下支座與回轉支承之間采用M24高強度螺栓組進行連接，通過螺栓組預緊力矩產生的摩擦力來克服回轉總成承受的水平力，防止出現水平移動。螺栓連接簡化后設定為綁定接觸對，將上下支座與回轉支承之間的接觸類型設置為摩擦接觸。上下支座與回轉支承接觸面表面粗糙度一般要求達到3.2，根據機械設計手冊中常用材料摩擦因數表選擇摩擦接觸的摩擦系數為0.15。

回轉支承由內外圈及滾動體組成，承受軸向力、水平力及傾覆力矩。因回轉支承剛性遠大于上下支座，故將回轉支承簡化為繞軸線轉動的內外圈。設置內外圈之間的接觸類型為摩擦接觸，摩擦系數為0.15?；剞D總成下支座采用銷軸與塔身相連，因此在下支座8個銷軸孔中施加圓柱支撐并釋放切向約束。各載荷施加在上支座連接耳板孔內，施加遠程載荷。

4 結果分析

通過設置接觸對對回轉總成整體進行分析，計算起重臂與塔身夾角0°及45°兩種危險工況。兩種工況下的應變和應力云圖如圖3、圖4所示。

可以發現，模型最大變形量發生在起重臂與塔身夾角0°時，上支座受載耳板處變形量為3.896mm，上支座座圈處變形量為1.89mm，下支座座圈處變形量為0.875mm，見表2。

圖3 0°工況應變和應力云圖

圖4 45°工況應變和應力云圖

表2 整體模型計算結果

對比簡化計算結果發現，將回轉總成按照整體構件計算，上支座受載耳板處變形量為3.896mm，大于簡化計算的1.569mm。座圈的變形量會影響回轉總成的回轉穩定性，也是回轉作業時產生異響的主要原因。根據計算結果，對上支座座圈處材料和尺寸進行更改和優化，可以提高回轉總成的穩定性，消除回轉異響。本例中將原上支座座圈厚度16mm更改為20mm。經計算，得出如圖5所示的應力和應變云圖，此時上支座座圈處最大變形量為0.82mm，滿足要求。經現場使用，未再出現回轉抖動和回轉異響現象。

圖5 優化后應變和應力云圖

5 結束語

在塔機回轉總成校核計算時，對回轉總成建立非線性有限元模型，比對上、下支座單獨分開進行線性分析得到的結果與塔機實際工作情況更相符，因此該計算方法在塔機結構設計過程中具有參考價值。