基于有限元的混凝土泵车转台结构研究与应用

摘 要：应用有限元分析方法，采用三维实体模型，详细分析了混凝土泵车转台结构。通过有限元计算结果，得到各因素对应力分布的影响规律，并对转台结构进行优化，对转台结构设计具有指导意义。

关键词：转台 结构 因素 优化

中图分类号：TU646 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）04（c）-0010-04

混凝土泵车转台是由高强度钢板焊接而成的结构件。作为臂架的基座，转台上部用臂架连接套与臂架铰接，下部用高强度螺栓与回转支承相连。转台工作时主要承受臂架载荷，同时可随臂架一起在水平面内旋转。因此转台不仅结构复杂，而且工况繁多，如果转台结构设计不合理，不仅会出现开裂等故障，还会导致与回转支承连接的螺栓故障。

通过有限元分析，该文对目前主流生产的单立板结构转台进行了系统的研究，找出了影响转台结构应力分布的规律，同时对某车型转台进行了改进优化以降低重量，满足企业生产需要。

1 转台结构各因素有限元分析

1.1 有限元计算模型

由于混凝土泵车工作时工况繁多，如果分析所有泵车运行工况，不仅不经济，而且也没有必要。因此本文只取转台工作最恶劣工况，即臂架全部水平展开状态，考虑臂架振动系数1.3。根据力学知识及分析经验，整个分析模型中固定转塔、回转支承取简易模型，臂架载荷用远程质量载荷代替，螺栓用虚拟螺栓连接。转台为焊接件，考虑到焊材与母材力学性能相近且焊透，故焊缝均不特别建模，整个分析采用实体高阶单元进行。

1.2 载荷及边界条件

为了保证结果的可比较性，在所有分析中确定：臂架载荷保证一致，10×14=140t・m；螺栓大小一致，M27螺栓；螺栓预紧力矩一致，1000N・m；转台与臂架、回转支承接口尺寸保持一致；单元网格尺寸保持一致（图1）。

1.3 分析工况说明

为了深入研究转台各因素对结构应力分布的影响，需要较详细的讨论各相关因素。本文分析中保持转台各接口尺寸不变，依次改变表1中各参数。

2 转台各工况应力结果

工况一、改变前、后仰角（α）结果分析

由于目前转台有偏心与不偏心结构，为了探讨偏心结构对转台应力的影响，本文首先按表1中各角度进行了分析，得到5种不同角度下转台应力及螺栓轴心力最大值，见表2。

转台拉、压应力分布示意图见下图3（后同）。通过分析可以发现，在此5种不同角度中，转台后封板焊缝上最大拉应力以垂直（90°）为好（应力分布云图见图4），而后仰（大偏心）结构为最差，且随仰角（偏心量）增大，受力也随之更恶劣，但螺栓力以前倾结构为最好。为了避免转台后封板处开裂，因此在设计时应尽量避免将转台设计为此类大偏心结构。本文后续分析中采用90 °结构进行。

由于整个转台是以底板为基座焊接而成的盒状结构，且回转支承安装对转台底板也有一定的刚度要求，因此本文工况二探讨了底板不同厚度对起结构受力的影响。分析按照表1中5种不同厚度进行，得到各应力最大值见表3。

由分析结果可见：当底板厚度（δ）增大时，转台各应力整体随底板厚度的增加呈下降趋势，即理论上转台底板越厚越好。但底板厚度增加，转台重量随之增加，不利于制造成本控制，因此底板厚度可根据实际需要取一合适值即可，故本文后续分析中采用30 mm底板结构（应力分布云图见图5），此外还可以只对底板部分区域进行加厚。

工况三、改立板厚度（t1）结果分析

因混凝土泵车臂架通过轴套与转台立板铰接，臂架的倾覆力矩等载荷通过立板传递至底板上，因此本工况研究了不同立板厚度下转台结构的应力分布。分析按照表1中5种不同厚度进行，得到各应力最大值见表4。

由分析结果可以发现：随着此结构转台立板厚度（t1）的增加，转台各应力大体上呈下降趋势，尤其是油缸座附近的压应力下降较明显，但对于改善后封板焊缝上的拉应力效果却不是很明显，因此本文后续分析采用15mm厚立板（应力云图见图6）进行。此结果表明：通过增厚立板来改善转台拉应力是不可取的，但可在油缸座局部增厚来降低压应力。

工况四、改后封板厚度（t2）结果分析

目前转台后封板主流结构为大圆弧，从左、右两边向前延伸以改善转台后部拉应力。在此，本文研究了不同板厚情况下转台结构的应力分布。分析按照表1中5种不同板厚进行，得到转台各最大应力值见表5。

计算发现当后封板厚度增加时，转台拉应力及螺栓轴心力随之改善，但压应力有可能反而增大，这是因为后封板厚度增加到一定时，转台后部刚性相对增强，前部刚性相对减弱所致。通过对比分析可知：板厚由6 mm增厚到15 mm，增加150%，而拉应力只改善29%，故后封板增加到一定程度即可，否则导致重量、成本增加太多。因此本文后续分析采用8 mm厚后封板（应力云图见图7）进行工况五、改左、右封板高度（h1）结果分析作为转台的辅助结构，左、右封板主要用来支撑立板，避免立板侧向刚度不足。但有时候如果此类封板布置过高，当臂架收拢后有可能会发生干涉现象，因此本文研究了不同封板高度下转台结构的受力状态。分析按照表1中5种不同高度进行，得到转台各最大应力值见表6。

通过对比发现：当转台左、右封板高度由300 mm增加至500 mm时，转台各最大应力、螺栓最大轴心力等等变化很小。可见转台左、右封板结构的主要作用并不是用于改善转台的应力，而是用来提高转台的刚度。因此本文后续分析采用350 mm高度左、右封板（应力云图见图8）进行工况六、改左、右封板厚度（t3）结果分析由工况5的分析结果可知左、右封板结构主要用于改善转台刚度，故出于可靠性考虑一般情况下还是要保留此结构，同时为了减重需要，板厚需要控制的在一定厚度。因此本工况主要探讨了一下不同厚度下转台应力分布情况。分析按照表1中的5种情况进行，得到转台各最大应力值如表7。

对不同厚度下的结果分析可见：随转台左、右封板厚度增加，转台结构应力改善非常小，即同工况5结果类似。如此，可以取较薄板结构（如6 mm厚板，应力云图见图9）以降低转台重量。

4 转台分析结果应用

利用前面分析得到的结果，该文就某款具体车型转台进行了结构优化。具体优化参数见表8，结构图见图10。

根据表8及图10对该转台进行结构优化后，两种方案都可以减重约130 kg左右。更改前、后转台应力对比见图11。

通过应力对比发现该转台减重130 kg以后，转台最大拉应力及螺栓力反而均得到改善，油缸座附近压应力也可以得到改善，说明效果还是非常理想。

5 结语

利用有限元分析手段，对目前主流生产的单立板结构转台进行详细分析，可以节省实际试验资源与时间，通过对各相关因素进行研究后可以得到如下结论。

（1）改善转台受力最有效的方法是增厚转台底板，但需要考虑生产成本。

（2）后封板厚度的增加，在一定程度上能改善转台应力。

（3）转台立板厚度增加，对拉应力改善效果不大。

（4）转台左、右封板高度和厚度增加，对转台应力改善不大，但可改善刚度。

（5）仰角及后封板厚度对螺栓轴心力影响较大。仰角越小，后封板越厚，则螺栓受力越好。

参考文献

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