高空作业平台强度与疲劳校核

□ 刘 顺 □ 张 遥

1.安徽柳工起重机有限公司 安徽蚌埠 233050 2.武汉铁路职业技术学院 武汉 430074

1 校核背景

高空作业平台是一种用于载人高处作业的工程机械。随着城市建设的持续推进,高空作业平台的使用越来越频繁,人们对高空作业平台结构件的强度及疲劳性能提出了更高的要求。设计高空作业平台,在满足使用性能的同时,必须兼顾经济性与工艺性[1-3]。

笔者针对某剪叉式高空作业平台,应用ANSYS Workbench软件对其结构件进行有限元分析。在分析中,对高空作业平台的作业极限工况及人员、设备布置进行归类[4-6],分别进行强度校核。同时根据相关标准,对高空作业平台的结构件进行疲劳计算。

2 载荷工况

高空作业平台的使用环境分为横坡与纵坡。其中,横坡倾斜1.5°,纵坡倾斜3°。高空作业平台载荷加载因数见表1,载荷值见表2[7]。

根据纵坡与横坡载荷,高空作业平台工况位置如图1所示。延伸平台只允许站立一位操作人员,材料和工具所在区域的面积占所在平台总面积的1/4[8-9]。

表1 高空作业平台载荷加载因数

表2 高空作业平台载荷值

3 有限元分析

3.1 材料与网格划分

材料选用Q345B钢,弹性模量为210 GPa,泊松比为0.3。网格划分采用以六面体为主的划分方法,如图2所示[10]。

3.2 接触与约束条件

叉臂之间采用转动副进行连接,上下滑块与导轨之间采用不分离接触。额定载荷、自重、操作力通过远端力的方式进行添加,底盘约束通过远端位移方式添加,释放各个支腿的旋转自由度,限制移动自由度[11-12]。

3.3 变形分析

前侧、右侧、后侧变形分析依次如图3、图4、图5所示。

根据前侧、右侧、后侧变形分析,纵坡载荷下的变形均大于横坡载荷。前侧纵坡载荷变形最大,达到30.219 mm。右侧横坡载荷变形最小,为21.835 mm。在作业过程中,要特别注意前侧纵坡载荷下产生的较大变形。

图1 高空作业平台工况位置

图2 网格划分

3.4 应力分析

前侧、右侧、后侧应力分析依次如图6、图7、图8所示。

图3 前侧变形分析

图4 右侧变形分析

图5 后侧变形分析

图6 前侧应力分析

图7 右侧应力分析

图8 后侧应力分析

根据前侧、右侧、后侧应力分析,纵坡载荷下的应力均大于横坡载荷。后侧纵坡载荷应力最大,达到290.52 MPa。右侧横坡载荷应力最小,为167.92 MPa。最大应力满足材料要求。

4 疲劳校核

依据GB/T 3811—2008《起重机设计规范》,采用许用应力设计法进行疲劳校核。根据工作循环次数和载荷谱因数,判定结构件的工作级别等级为E5。非焊接构件的应力集中等级为W0,焊接构件的应力集中等级为K1。

拉伸应力计算式为:

(1)

式中:[σrt]为许用拉伸应力;[σ-1]为疲劳许用应力基本值;r为应力比,取0。

压缩应力计算式为:

(2)

式中:[σrc]为许用压缩应力。

剪切应力计算式为:

(3)

式中:[τxyr]为许用剪切应力。

焊接件[σ-1]取140 MPa,非焊接件[σ-1]取177 MPa,销轴[σ-1]取244 MPa。代入式(1)～式(3),可得高空作业平台各许用疲劳应力,见表3。基于前述各工况的应力,得到叉臂杆、叉臂油缸支座、叉臂销轴的最大疲劳应力,见表4。

表3 高空作业平台许用疲劳应力 MPa

表4 结构件最大疲劳应力 MPa

经对比,各结构件的最大疲劳应力均小于许用疲劳应力,满足要求。

5 结束语

根据高空作业平台使用环境,分为横坡与纵坡载荷,根据具体位置,分为前侧、右侧、后侧工况,然后分别进行强度和疲劳校核。

通过对各工况的强度及疲劳校核,得到高空作业平台变形及应力情况,通过与许用疲劳应力比较,确认各结构件均满足设计要求。