QTZ160塔机回转总成有限元分析

申奇志，黄新霞，何志华，郭云峰

（1. 湖南工业职业技术学院，湖南 长沙 410012；2. 三一汽车制造有限公司，湖南 长沙 410000；3. 上汽大众汽车有限公司长沙分公司，湖南 长沙 410132）

回转总成是塔机中的关键部件。工作时，上装载荷通过回转总成传递至塔身。某公司QTZ160塔机在使用过程中出现了因刚度不够引起回转不平稳、回转异响的现象。从该公司提供的计算依据可以发现，为了简化计算，该公司忽略了回转支承对回转总成的刚度影响，将回转总成上、下支座分别单独计算。按此计算结果，回转总成上支座座圈无变形，下支座座圈最大变形量为1.205mm，回转总成最大变形量在上支座耳板处，为1.569mm，在允许值范围内。本文将该起重机回转总成做为一个整体构件建立非线性有限元模型进行计算，得出塔机实际工作时结构各处的应力应变，尤其上下支座座圈处的应力应变，从而为改进设计提供了计算依据。

1 回转总成受力分析

回转总成由回转上支座、回转支承及回转下支座组成。回转总成的上、下支座均由座圈、圆形封板、围板、筋板、支座等钢板拼焊而成，材质为Q345B。工作中，回转总成主要承受塔帽、平衡臂、配重、起重臂等上装的自重载荷，吊重载荷、风载荷、相应载荷产生的弯矩和因运动产生的惯性载荷及冲击载荷等，如图1所示。

图1 回转总成及载荷示意图

2 回转总成的计算工况及载荷确定

根据GB/T13752-2017《塔式起重机设计规范》，考虑塔机的安装及工作情况，回转总成的载荷组合，通常选用有风工作工况载荷组合B进行结构设计，按暴风侵袭的非工作工况载荷组合C进行结构校核。

根据QTZ160塔机各部件的实际结构，按照GB/T13752-2017《塔式起重机设计规范》求出各部件风载，并对各部件自重载荷以及工况吊重载荷进行组合。通过各工况进行对比得出两种危险工况，其对应载荷如表1所示。

表1 各工况载荷

3 回转总成的有限元计算

在ProE中建立三维模型后导入Workbench进行计算，采用Solid185实体单元建模。计算前对模型进行简化，剔除平台、平台连接板、限位器连接板、线座等非主要受力构件，结构焊接部位按焊脚高填满焊缝处理。结构件主要材料为Q345B，材料密度为7.85×10-6kg/mm3，弹性模量E=2.1×105MPa，泊松比为0.3。根据GB/T13752-2017《塔式起重机设计规范》载荷组合B选择安全系数为1.34。

3.1 网格划分

采用六面体对模型进行网格划分，网格大小为20mm，局部如耳板、上下支座座圈等加密，网格模型如图2所示。节点689157个，单元174566个。

图2 回转总成网格模型

3.2 边界条件及接触类型的确定

上下支座与回转支承之间采用M24高强度螺栓组进行连接，通过螺栓组预紧力矩产生的摩擦力来克服回转总成承受的水平力，防止出现水平移动。螺栓连接简化后设定为绑定接触对，将上下支座与回转支承之间的接触类型设置为摩擦接触。上下支座与回转支承接触面表面粗糙度一般要求达到3.2，根据机械设计手册中常用材料摩擦因数表选择摩擦接触的摩擦系数为0.15。

回转支承由内外圈及滚动体组成，承受轴向力、水平力及倾覆力矩。因回转支承刚性远大于上下支座，故将回转支承简化为绕轴线转动的内外圈。设置内外圈之间的接触类型为摩擦接触，摩擦系数为0.15。回转总成下支座采用销轴与塔身相连，因此在下支座8个销轴孔中施加圆柱支撑并释放切向约束。各载荷施加在上支座连接耳板孔内，施加远程载荷。

4 结果分析

通过设置接触对对回转总成整体进行分析，计算起重臂与塔身夹角0°及45°两种危险工况。两种工况下的应变和应力云图如图3、图4所示。

可以发现，模型最大变形量发生在起重臂与塔身夹角0°时，上支座受载耳板处变形量为3.896mm，上支座座圈处变形量为1.89mm，下支座座圈处变形量为0.875mm，见表2。

图3 0°工况应变和应力云图

图4 45°工况应变和应力云图

表2 整体模型计算结果

对比简化计算结果发现，将回转总成按照整体构件计算，上支座受载耳板处变形量为3.896mm，大于简化计算的1.569mm。座圈的变形量会影响回转总成的回转稳定性，也是回转作业时产生异响的主要原因。根据计算结果，对上支座座圈处材料和尺寸进行更改和优化，可以提高回转总成的稳定性，消除回转异响。本例中将原上支座座圈厚度16mm更改为20mm。经计算，得出如图5所示的应力和应变云图，此时上支座座圈处最大变形量为0.82mm，满足要求。经现场使用，未再出现回转抖动和回转异响现象。

图5 优化后应变和应力云图

5 结束语

在塔机回转总成校核计算时，对回转总成建立非线性有限元模型，比对上、下支座单独分开进行线性分析得到的结果与塔机实际工作情况更相符，因此该计算方法在塔机结构设计过程中具有参考价值。