矿用液压起重机吊臂结构优化设计分析

    0 引言

    矿用液压起重机能够有效地提升机械设备，提高采掘机械安装及回撤的效率，促进现代煤矿生产逐步实现机械化，随着我国采煤行业的迅速发展，对于矿用液压起重机的需求也越来越大，对于设备的要求越来越高，起重重量是液压起重机的重要参数之一；矿用液压起重机吊臂的结构设计是否合理，强度能否满足工程上的要求成为起重机设计的关键，因此，本文从工程实际应用的角度出发，针对井下实际工况的要求，对矿用液压起重机吊臂的结构进行设计，在满足其强度的基础上，以质量最小化为目标，利用SolidWoks Simulation对其进行有限元及优化分析，并对其相关结构进行改进。

    1 模型的建立

    结合某矿液压起重机实体、煤炭行业相关的技术要求和参数及起重机设计手册要求，绘制起重机吊臂的二维CAD图。

    根据绘制的二维图建立三维几何模型，由于模型比较复杂，分析时需要简化几何体，具体做法如下：连接伸缩大臂与伸缩套筒的液压缸用一个横截面为矩形的杆件替代；所有用销轴和圆螺母联接结构均用圆柱体替代；装配过程中所留的间隙都需要进行填补，不能留有空隙，对于之后网格的划分，有些地方的圆角适当可以省略。简化的三维模型如图1所示。

图1 简化后吊臂的三维几何模型  1. 伸缩大臂 2. 伸缩套筒 3. 耳座

    2 矿用液压起重机吊臂的有限元分析

    吊臂截面是通过4块厚度为16mm的长型板材焊接到一起的箱体结构，在伸缩大臂与伸缩套筒之间安装一个液压缸，可以保证伸缩臂能够水平伸出。本结构所选用的材料为Q550高强度低合金结构钢，吊臂主要承受来自重物的轴向应力、扭矩和弯矩；伸缩套筒前下端的部位与旋转装置连接有升降液压缸，可以保证吊臂的俯仰，旋转套筒在液压缸的推动下能保证吊臂的旋转运动。吊臂最前端安装有链轮和矿用圆环链，需要校核吊臂完全伸出3.1m时吊臂提升15t重物情况下的应力情况。

    （1）建立静态算例

    采用 Simulation进行静态结构分析，将模型导入中，调出Simulation插件，建立静态算例；定义默认的求解器FFEPlus。

    （2）定义零部件材料属性

    销轴采用35钢，可以直接从材料库中调用，其余零部件采用Q550高强度低合金结构钢，调质处理后具有极高的力学性能。主要应用在重要的高强度结构件、工程机械、矿山钢结构件等。由于系统材料库中没有现成Q550参数，因此需要按照Q550的材料系数及性能自定义材料，在有限元分析中主要需要Q550的4个材料参数：屈服强度550MPa，弹性模量210GPa，密度7.85g/cm³，泊松比0.3。在分析时将其赋予相应的零部件上。