一种小吨位随车起重机回转机构设计及有限元分析
基于有限元分析的小型石油钻机拖挂机构优化设计
基于有限元分析的小型石油钻机拖挂机构优化设计YANG Zhi-tang【摘要】以小型石油钻机拖挂机构的车架作为研究对象,利用ANSYS软件进行车架的有限元建模,分析了车架的静力学特性及振动特性,得出车架的应力集中点以及车架的各阶振型和固有频率.利用有限元分析的结果,在满足车架最大应力的基础上,分别进行了基于应力上限的结构尺寸优化,以及基于最小变形的位置尺寸优化.优化结果表明,通过结构尺寸优化,可以得到最车架的最小质量,实现机构的轻量化.同时,通过位置尺寸优化,实现共振不可避免条件下的变形最小目标.【期刊名称】《装备制造技术》【年(卷),期】2018(000)010【总页数】5页(P43-47)【关键词】拖挂机构;车架;有限元分析;结构优化【作者】YANG Zhi-tang【作者单位】【正文语种】中文【中图分类】TE922大型石油钻机钻井深度大、采油量多，广泛应用于世界各大深层油田，对于地形平缓，油井孔较少且孔距较短的油田，该种钻机的适用能力较强。
但对于处在丘陵、山地、河川等地形的浅层油田，打孔井打在凹凸不平的地面上，且各孔间距较长，无论对钻机的运送还是装卸都带来了极大的困难[1]，并且大型钻机的装载过程尤为复杂，需要消耗大量的时间，因此，有必要开发出适用于复杂地形的小型可移动钻机。
小型可移动钻机将钻井设备集成在拖车带动的拖挂上面，拖挂机构在整个钻机机构中起到装载、运输、卸载作用，拖挂机构的车架是拖挂机构的主要组成部件，对车架的可靠性分析不仅关系到拖车的运输，而且还关系到钻机在打井过程中的作业安全性。
所以对拖挂机构车架的进行深入的结构分析和优化，在拖挂机构的设计中显得十分重要。
陈正[2]利用Solidworks软件建立了车架的三维实体模型，基于Ansys workbench软件进行了有限元分析，分析校核了车架在作业过程中的刚度和强度。
胡群[3]运用有限元方法对重型载货汽车带拖挂进行了静态分析，解决该拖挂行驶时车架角撑局部受力开裂问题。
基于Midas_NFX的辅助吊车有限元分析
2023.03 建设机械技术与管理651 辅助吊车简介该辅助吊车用于配合DZ45/1600型造槽机（见图1）的施工，辅助吊车总体结构如图2所示，其整体结构型式为桁架式，前端设置有电动葫芦用于起吊构件，后端放置配重块以保证整机的倾覆稳定性，整机走行在造槽机主梁上方。
辅助吊车主要用途包括造槽机末跨施工和反向施工时拆装造槽机的1号支腿和4号支腿、拆装造槽机的导梁、拆装造槽机的外模板，如图3所示。
2 计算工况及荷载2.1 计算工况本文主要计算以下三种工况。
基于Midas NFX 的辅助吊车有限元分析Finite Element Analysis of an Auxiliary Crane Based on Midas NFX Excavator韩永康（郑州新大方重工科技有限公司，河南 郑州 450064）摘要：本文针对某辅助吊车的实际施工工况，利用有限元软件Midas NFX 对其进行了结构分析，以确保施工的安全可靠性，结果表明该辅助吊车能够满足使用要求。
关键词：辅助吊车；MIDAS NFX ；有限元分析中图分类号：U445.32 文献标识码：A图1 DZ45/1600型造槽机总体结构1.走行轮组2.下横梁3.后斜撑4.立柱5.前斜撑6.上横梁7.葫芦轨道8.配重横撑图2 辅助吊车总体结构（a ）辅助吊车拆除造槽机1号支腿 （b ）辅助吊车拆除造槽机导梁 （c ）辅助吊车吊装造槽机外模板图3 辅助吊车施工示意图辅助吊车造槽机外模板造槽机主梁造槽机导梁辅助吊车造槽机导梁辅助吊车造槽机1号支腿辅助吊车造槽机主梁Copyright ©博看网. All Rights Reserved.66 建设机械技术与管理 2023.03 工况一：辅助吊车拆除造槽机1号腿；工况二：辅助吊车拆除造槽机导梁；工况三：辅助吊车吊装造槽机外模板。
2.2 计算荷载辅助吊车主结构的材质为Q235B ，屈服强度为235MPa ，许用应力为175.4MPa ，强度安全系数取1.34[1]。
基于SolidworksSimulation的随车吊吊臂整体有限元分析
【114】 第33卷 第5期 2011-5(下)收稿日期：2010-12-12作者简介：李立顺（1971－），男，副教授，主要从事特种车辆设计与实验方面的研究。
0 引言近年来有限元分析法在工程机械结构计算分析中得到了广泛的应用，但是绝大多数仅限于对某个关键部件或部分部件进行强度、刚度的分析，本文采用整体有限元分析方法、借助Solidworks Simulation 软件对随车吊吊臂进行有限元分析。
1 三维实体建模吊臂由三节伸缩臂（伸缩臂1、伸缩臂2和伸缩臂3）组成，三节伸缩臂均为薄壁、四边形截面，采用弯折成形并利用合模后焊接而成，其中伸缩臂1在与动臂联接处采用箱型焊接体。
借助Solidworks 的实体建模功能，采用自底向上的设计方法，先对随车吊吊臂各零部件进行三维实体建模，再通过装配关系构建主要工作装置的三维实体模型，如图1所示。
法，主要对随车吊在完全展开工况下吊装1t 物资时的吊臂进行有限元分析。
2.1 有限元分析模型的建立打开吊臂装配体模型，在伸缩臂1与动臂联接处添加固定铰链约束如图2所示，在吊环内段添加1t 的受力如图3所示，为吊臂定义材料属性为HG70钢，采用实体网格，单元大小为30mm ，公差为1.2mm ，进行网格划分，划分单元为78579，节数为159093，如图4所示。
基于Solidworks Simulation的随车吊吊臂整体有限元分析FEA of the whole boom of truck crane based on solidworks simulation李立顺，李红勋，孟祥德LI Li-shun, LI Hong-xun, MENG Xiang-de（军事交通学院，天津 300161）摘 要： 利用Solidworks软件建立随车吊吊臂的三维实体模型，并以有限元分析软件SolidworksSimulation为平台，对随车吊在完全展开工况下吊装1t物资时吊臂整体进行了有限元分析，由分析结果知，吊臂设计安全可靠，符合设计规范。
汽车起重机转台的有限元分析及优化
汽车起重机转台的有限元分析及优化摘要：汽车起重机的转台是用来安装吊臂、起升机构、变幅机构、回转机构、上车发动机、司机室、液压阀组及管路等的机架。
转台通过回转支承安装在起重机的车架上，为了保证起重机的正常工作，转台应具有足够的刚度和强度。
对于汽车起重机，为了有较好的通过性和较低的成本，应尽量减小转台的外形尺寸及重量。
随着计算机辅助工程（CAE）技术在工业应用领域中的广度和深度的不断发展，它在提高产品设计质量、缩短设计周期、节约成本方面发挥了越来越重要的作用。
目前CAE分析的对象已由单一的零部件分析拓展到系统级的装配体，如挖掘机、汽车起重机等整机的仿真，而且，CAE分析不再仅仅是专职分析人员的工作，设计人员参与CAE分析已经成为必然。
关键词：汽车起重机；转台；有限元分析1.引言1.汽车起重机转台作为起重机三大结构件之一，负责起重机上车和底盘之间力的传递。
在现今高强板大量使用的情况下，如何简化结构、减少重量是起重机设计的难题之一。
经典ANSYS有限元分析界面是用板壳单元在ANSYS里面建模并进行计算，但是存在建模过于复杂，难以修改，模型无法导出的问题，属于验证性计算，而使用ANSYS Workbench Enviroment（AWE）则可以用PRO/E 软件建立模型，再导入AWE进行计算，且在PRO/E中修改模型后再次导入可以保留之前设置的边界条件，设计效率成倍提高。
ANSYS Workbench Enviroment（AWE）作为新一代多物理场协同CAE仿真环境，其独特的产品构架和众多支承性产品模块为整机、多场耦合分析提供了非常优秀的系统级解决方案。
具体来讲，AWE具有的主要特色如下：1.强大的装配体自动分析功能针对航空、汽车、电子产品结构复杂，零部件众多的技术特点，AWE可以识别相临的零件并自动设置接触关系，从而节省模型建立的时间。
而现行的许多软件均需手动设置接触关系，这不但浪费时间还容易出错。
除此之外，AWE还提供了许多工具，以方便手动编辑接触表面或为现有的接触指定接触类型。
一种铁路起重机转台结构设计与有限元分析方法介绍
一种铁路起重机转台结构设计与有限元分析方法介绍摘要：铁路起重机是铁路关键救援起重设备，转台是其较为重要的承力装置，本文转台结构采用箱型梁结构进行设计，并给出优化方法，利用有限元方法，采用板壳单元和实体单元建立有限元模型，得出了此方法设计转台的可行性，为同类型结构设计提供借鉴。
关键词：结构设计；结构优化：有限元分析铁路救援起重机是实现铁路事故快速救援的起重设备，一般是用于铁路大型物体吊装、处理行车脱轨事故、排除线路故障的，在保证铁路运输的安全畅通上发挥着极为重要的作用。
转台通过回转支承安装在起重机的底架上，是一种三维受载的大型空间板梁结构，受载状况和结构形式均较复杂。
铁路起重机转台结构通常采用焊接结构，其主要结构形式有两种：平面框架式转台和板式结构转台。
平面框架式转台由两根以转台纵向轴线对称布置的纵梁和若干连系横梁构成；板式结构转台是根据转台上机构和设备的布置要求，由钢板组焊而成的承压构件，高强度钢的板式结构转台常用于大吨位铁路起重机。
1. 转台结构设计方法目前国内的比较先进伸缩臂式铁路起重机大部分转台结构是采用2个高墙板、上下盖板、纵边梁和横隔板等焊接而成的大型薄壁倒π形结构。
变幅油缸下铰点、吊臂后铰点及转台底面做特殊加强，两墙板与横隔板构成开口薄壁箱形，既保证了高墙板的水平刚度，又能满足吊臂的变幅要求，而变幅油缸下铰点将销轴直接支承于高墙板上，内焊局部加强板，使高墙板内横隔板与高墙板、下盖板及后铰支座构成封闭箱形结构。
铁路起重机转台的传统结构具有刚度好、受力均匀等特点。
1.1转台结构形式随着我国铁路提速，对铁路起重机的需求越来越大，针对其中的一些不足，在满足功能要求的基础上对传统伸缩臂式铁路起重机转台进行改进。
根据转台受力特点及各机构安装要求，分析比较了多种结构型式，决定采用两个箱型梁结构来代替传统的高墙板倒π形结构，并将变幅油缸下铰点外移，使变幅油缸位于吊臂的左右两侧，这样起吊时吊臂具有更好的稳定性。
基于SolidWorks Simulation的随车起重机吊车臂有限元分析
基于SolidWorks Simulation的随车起重机吊车臂有限元分析冯立浩【摘要】介绍了随车起重机吊臂的结构,并对其进行建模及有限元分析,分析结果直观地反映了吊臂的受力情况及薄弱部位.【期刊名称】《机械工程师》【年(卷),期】2011(000)005【总页数】2页(P80-81)【关键词】有限元;受力分析;吊臂;实体建模【作者】冯立浩【作者单位】石家庄煤矿机械有限责任公司,石家庄,050031【正文语种】中文【中图分类】TP391.7随车起重机是一种具有广泛使用前途的起重运输设备，近年来逐步取代了小吨位汽车起重机。
吊臂是随车起重机起重作业的重要部件，其设计水平的高低对整机的作业性能至关重要。
为此，利用Solid Works三维设计软件对吊臂进行实体建模并使用Simulation模块进行受力分析，可以更好地了解吊臂的受力情况，提高设计产品的技术含量，也使设计的产品更加合理。
吊臂的结构及截面简图如图1所示。
各节吊臂均为五边形、由四块长条钢板焊接而成的箱型结构。
选用的材料为低合金高强钢，主要承受轴向压力、弯矩以及扭转。
吊臂内部安装有执行吊臂各节臂伸缩任务的液压缸。
液压缸活塞杆为中空结构，可从中通过液压油。
各节臂间有相对滑动，靠其中的支撑滑块来支撑吊臂并传递力的作用。
固定臂上共有两处连接铰接孔：其根部铰接孔与立柱铰接，可以相对转动，改变吊臂仰角；固定臂下部铰接孔与变幅液压缸铰接。
吊臂端部安装有起升滑轮组，需要校核吊臂水平全伸时的工况。
此时的工作幅度为4.72m，吊臂前端加载1.6t载荷，相应建立的实体模型如图2所示。
在建立实体模型的过程中，要对模型进行一些简化和理想化：（1）建模后要进行干涉和间隙检查，不允许存在干涉；（2）对一些焊缝要进行理想化处理，如上下焊缝的吊臂结构，需要把焊缝过渡为圆角。
但在实际测量应力时，这些焊缝附近的应力是和理论计算结果相差很大的，这些部位的计算应力是不可信的；（3）一些对整体强度影响不大的孔可以忽略，一般10mm以下的孔可以不考虑。
汽车起重机回转支承的有限元计算与分析_张平
本文所选用的单排四点接触球式回转支承是属 于滚动支承式回转支承装置。其尺寸紧凑、性能完 善， 可以同时承受垂直力、水平力和倾翻力矩， 密封 和润滑条件好， 回转阻力小， 是应用最广的回转支承 装置。此回转支承由内外座圈、滚动体、隔离体组成。 起重机的上车回转部分利用螺栓连接固定在回转支 承的外圈上， 内圈是用螺栓连接固定在底盘座圈上， 内圈无法转动。因此外圈主要承受了外界给予的负 载， 通过滚动体再传到内圈及底盘座圈上面。 １．２ 实体模型建立及网格划分
Ｄｅ ｓ ｉｇｎ ａ ｎｄ Ｃａ ｌｃｕｌａ ｔｉｏｎ
工程机械
第 ３９ 卷 ２００８ 年 ５ 月
设 １．３ 发动机与变矩器或者联轴器的连接尺寸
要根据装载机燃油箱的位置来确定进、回油管的长
计
（ １） 确定发动机飞轮的相对位置和连接螺纹尺 度。
计 寸， 从而确定变矩器弹性盘或者联轴器的外形尺寸，
（ ３） 根据发动机空压机接口尺寸确定装载机储
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Ｄｅ ｓ ｉｇｎ ａ ｎｄ Ｃａ ｌｃｕｌａ ｔｉｏｎ
工程机械
第 ３９ 卷 ２００８ 年 ５ 月
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设
起重机上车部分的实际结构和材料特性比较复
表 ２ 回转支承的材料属性
计
杂， 在建立其有限元模型时通常都要进行一些合理
材料牌号 弹性模量 Ｅ／ＭＰａ 泊松比 " 屈服强度 #ｓ／ＭＰａ
汽车起重机回转装置设计
汽车起重机回转装置设计基于汽车起重机回转部件的工作特点，设计了汽车起重机的回转装置机械结构，包括回转支撑轴承、转台、驱动装置等部件，及其参数设计。
标签：汽车起重机；回转装置；设计1引言汽车起重机是针对货物施工和提起的一种机械。
它与挖掘机、推土机、液压破碎机等多种工作装置共同使用，具有起重、卸货等多种功能。
汽车起重机可以大幅度地满足施工方案及特种工作的要求，在道路施工、车站、码头、水电站、房屋建设等场所中得到很好的应用。
2回转装置的总体设计2.1整机性能参数本次设计起重机参数如表1、表2、表3。
2.2回转装置结构设计汽车起重机回转装置的结构设计如图1、图2所示，回转机构的旋转是通过安装在汽车起重机上的滚动轴承实现的。
回转支撑滚动轴承的外座圈使用螺柱与转台连接在一起，在轴承内圈与底架通过螺栓连接，轴承内圈与轴承外圈之间有滚动体。
液压马达的转速很高，为了使转台的转速可以得到调速，在汽车起重机的回转机构中安装了减速器，通过改变减速器中的齿轮啮合，就可以使转台得到不同的转速。
其次，汽车起重机的回转机构必须能把减速器支承在固定部分上，使回转简单灵活。
回转装置的支撑轴承是滚动轴承，它的径向尺寸和轴向尺寸都比普通滚动轴承的尺寸要大很多。
因此，它能承受更大的径向力、轴向力，以及倾覆力矩。
2.3回转机构设计计算2.3.1回转机构的基本要求汽车起重机回转装置的工作时间约占整个工作循环时间的45%-60%，控制回路的发热量占汽车起重机整机发热量的25%-43%。
通过减少汽车起重机回转装置在工作过程中的发热量，提高能源的利用率。
因此对汽车起重机的回转装置有以下要求。
首先，为了减少汽车起重机回转2.3.2回转机构参数的计算（1）回转平台转动惯量。
平台转动惯量应根据汽车起重机最常用的工作装置来估计。
对于中小型汽车起重机（m取6t），满载回转是平台最大的转动惯量如式（1）。
J=177m53=3.61×108（kg·m2）（1）式（1）中，m——整机质量，kg。
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及 以 上 吨 位 的 随 车 起 重 机 。 随 着 随 车 起 重 机 设 计 及 制
造技 术 的不断 成熟 ， 用户 对 回转机 构 的紧凑 性 、 可 靠 性
随 车起 重 机工 作 时 的轴 向力 依 次传 递 给 转筒 、 齿
１ 起 重 机 技 术 指 标
某 型军用 特种 车辆 随 车起重 机 的技术 要求 如下 ：
（ １ ）额 定 起 吊 重 量 ３ ０ ０ ０ ｋ ｇ 。 （ ２ ）回 转 角 度 ≥ １ ８ ０ 。 。
２ 起 重 机 回转 结 构 设 计
２ ． １ 组 成
３ 有 限 元分 析
３ ． １ 静 载 荷 计 算
随 车 起 重 机 旧 转 机 构 如 图 １
首 先 确 定 回转 机 构 受 力 最 恶 劣 的 工 况 ．对 于 折 臂 式 随 车 起 重 机 的 上 部 结 构 而 言 ，各 结 构 件 受 力 最 恶 劣 的工 况为随 车起重机 工作 幅度最大 时 ， 如 图 ２所 示 。 根
首 先 驱 动 回 转 机 构 的 齿 条 作 直 线 往 复 运 动 ，齿 条 带 动齿 轮转 动 ， 由于齿 轮与转 筒 花键连 接 ， 与 空 心 轴 过 盈连接 ， 则齿轮、 空 心轴 、 转筒 、 微 调 螺 母 及 吊臂 底 座 一 起 在 外 护 套 内 回转 ， 从 而 实 现 起 重 机 吊 臂 底 座 的 回转 。
（ ３ ）最 大 工 作 范 围 ≥ ５ ０ ０ ０ ｍｍ。 （ ４ ）结 构 紧 凑 、 性能可靠 、 拆 卸 及 维 护 方便 ， 具 有 良好 的 防 尘 、 防湿 热 、 防盐雾 、 抗 振及 防 冲击 的措施 。
（ ５ ）吊 臂 回转 转 速 ０ ． ９ ｒ ／ ｍｉ ｎ 。
倾 覆力 矩 的真 实值 ． 为
轮， 通 过 安 装 在 轴 支 座 上 的推 力 轴 承 承 载 ； 倾 覆 力 矩 主 要 由 第 一 和 第 二 复 合 轴 承 承 受 ．转 筒 和 齿 轮 用 于 承 受 轴 向 力 和 回转 力 矩 ， 使 空心轴 的受 力状 况 大大 改善 ， 其 结 构 从 具 有 内 外 圈 的 回 转 支 承 简 化 为 一 个 转 筒 ． 外 形 尺寸 大大 减小 ， 整个 回转机构 的结构更 加 紧凑 。
据 图 ２回转 机 构 的计
所示。 空 心 轴 通 过
第 一 复 合 轴 承 和
－ － 一
个 推 力 轴 承 安
算 工况 ， 分 析求 解 回转
机 构 所 承 载 轴 向力 和
装 在轴 支座 上 ． 且 在 空 心 轴 上 过 盈 配 合 有 齿 轮 齿 条
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３年 ９月
和 维 修 性 等 要 求 越 来 越 高 ， 因 此 提 高 回 转 机 构 设 计 的 合理 性 ， 使 结构 更 加紧凑 、 可靠 ， 成 为 市场发 展需 求 ， 特
别 是 军 用 特 种 车 辆 在 这 方 面 的要 求 更 高 。 笔 者 以某 型 军 用 特 种 车 辆 随 车 起 重 机 回 转 机 构 设 计 为 例 ，重 点 叙 述 该 小 吨 位 随 车 起 重 机 回 转 机 构 的 技 术 指 标 、组 成 及
文献标识码 ： Ｂ
文章编号 ： １ ０ ０ ０ — ４ ９ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ９ ８ ￣０ １ ４ ） ０ ３ — ０ ０ ３ ６ — ０ ３
目前 ． 国 内 随 车 起 重 机 回 转 机 构 多 采 用 减 速 机 与 回转 支 承 结 构 相 组 合 的 形 式 ．该 种 回 转 机 构 的 结 构 和 受力 情况 较 为复杂 。 所需 径 向安装 尺 寸大 ， 适 用 于 中 型
副， 转 筒 通 过 花 键 结 构 与 齿 轮 同 轴 连 接 在 一 起 在 该 转 筒 的 上 端 面 固联 有 一 个 吊臂 底 座 ，外 圆 上 通 过 第 二 复 合 轴 承 同轴 装 有 外 护 套 。 外护 套下 端坐 落在 轴支 座 上 。 其 上 端利用 ０型 圈 和密封 盖密 封 。 为 了使 起 重 机 回 转 机 构 在 轴 向 得 到 固定 ． 空 心 轴 的 下 端 镶 有 弹 性 挡 圈 。 该 弹 性 挡 圈 可 限 制 空 心 轴 向 上 窜 动 ，在 上 述 转 筒 与 空 心 轴 之 间 还 设 有 转 筒 的轴 向 定
螺 母 调 节 转 筒 和 齿 轮 的 轴 向 安 装 松 紧 度 ，进 而 防 止 起
重 机 吊臂 向上 窜动 。
２． ２ 工 作 原 理
： ｒ作 原 理 ． 并 利 用 ＡＮＳ ＹＳ Ｗｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ软 件 对 回 转 机 构 进 行 有 限 元 分 析 ．校 核 回转 机 构 的 设 计 是 否 满 足 特 种 车辆 的整 体性 能 要求 。
机 构 的 三 维模 型 ， 利用 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ ＳＷｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ软 件 对 其进 行 有 限 元分 析 ， 将 其 受 力分析 结果 作 为 回转 机 构设 计 的 理论 依 据 。
关键词 ： 随 车起 重 机 回 转 机 构 有 限元 分 析
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｈ ２ １ ８
一
种小吨位随车起重机回转机构设计及有 限元分析
口 王 举 口 佟庆雨 口 姚志辉 口 孙大伟
西 北机 电工 程 研 究 所 陕 西 成 阳 ７ １ ２ ０ ９ ９
摘
要： 设 计 了一 种 小吨 位 随 车起 重机 回转 机 构 ， 对 其技 术要 求、 组成 及 工作 原 理 进 行 了分 析 ， 通过 Ｕ Ｇ软 件 建 立 回 转