側(cè)式懸臂堆料機(jī)來(lái)料車大支腿應(yīng)力應(yīng)變分析

崔 強(qiáng)，蔡 琳

CUI Qiang1, CAI Lin2

（1.安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，蕪湖 241000；2.江西新余學(xué)院 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，新余 338004）

0 引言

自80年代初期以來(lái)，側(cè)式懸臂堆料機(jī)在我國(guó)水泥、煤炭、冶金等行業(yè)的原料預(yù)均化堆場(chǎng)已得到廣泛的應(yīng)用，其優(yōu)越性已越來(lái)越被認(rèn)可。來(lái)料車大支腿是堆料機(jī)的重要鋼結(jié)構(gòu)部件和主要受力部件。堆料機(jī)工作時(shí)，堆料機(jī)行走機(jī)構(gòu)帶動(dòng)來(lái)料車大支腿帶動(dòng)堆料機(jī)縱向運(yùn)動(dòng)(矩形料場(chǎng))，或者繞著中心軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(圓形料場(chǎng))，同時(shí)來(lái)料車大支腿支撐側(cè)式懸臂來(lái)料車帶式供料系統(tǒng)，將帶式供料輸送機(jī)上的物料，按要求堆積到料場(chǎng)的指定位置。

懸臂式堆料機(jī)的來(lái)料車大支腿結(jié)構(gòu)大、支承條件有限，大支腿的受力對(duì)其自身和整個(gè)堆料機(jī)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性都有較大影響。以徐州礦務(wù)集團(tuán)水泥廠實(shí)際應(yīng)用的側(cè)式懸臂堆料機(jī)為例，使用中發(fā)現(xiàn)局部大支腿因疲勞撕裂，需要停機(jī)補(bǔ)焊，耽誤水泥生產(chǎn)線正常生產(chǎn)。因此在保證來(lái)料車大支腿功能的前題下，合理確定來(lái)料車大支腿各部分尺寸，可改善來(lái)料車大支腿與整機(jī)的受力，減少堆料機(jī)后期維護(hù)費(fèi)用[1]。

1 有限元模型的建立

側(cè)式懸臂堆料機(jī)主要由行走機(jī)構(gòu)、液壓變幅機(jī)構(gòu)、懸臂部分、來(lái)料車、電纜卷盤、司機(jī)室、軌道系統(tǒng)等組成，如圖1所示。其工況條件為： 裝機(jī)功率：70kw；堆料能力：正常800t／h；皮帶速度：3m/s；行走速度：20m/min；變幅范圍：最大+20.5°到-11.5°；工作+18°到-11°；側(cè)式堆料機(jī)自重：110t左右。

本文以側(cè)式懸臂堆料機(jī)來(lái)料車大支腿作為研究對(duì)象，從側(cè)式懸臂堆料機(jī)來(lái)料車大支腿結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和實(shí)際的分析目的出發(fā)，對(duì)側(cè)式懸臂堆料機(jī)來(lái)料車大支腿的模型作如下簡(jiǎn)化[2]：

1）由于來(lái)料車大支腿的各桿之間為焊接結(jié)構(gòu)，焊接可靠，可以認(rèn)為是剛性連結(jié)；

2）略去對(duì)來(lái)料車大支腿剛度影響小的小孔和附屬物，例如皮帶，扶梯、護(hù)欄等；

3）來(lái)料車大支腿與其余各構(gòu)件的連接，視為完全接觸。

圖1 側(cè)式懸臂堆料機(jī)

利用SolidWorks軟件對(duì)側(cè)式懸臂堆料機(jī)來(lái)料車大支腿進(jìn)行精確的三維實(shí)體模型繪制。為了能完整地表征側(cè)式懸臂堆料機(jī)的力學(xué)特性，首先將裝配圖另存為‘*.part’零件格式，通過(guò)SolidWorks自帶‘合并’命令將兩兩位置不變的構(gòu)件定義成一個(gè)剛體，并去掉不必要的機(jī)構(gòu)，這樣來(lái)料車大支腿就簡(jiǎn)化為1個(gè)剛體。

由于ANSYS的支持導(dǎo)入文件格式是Para solid格式的模型文件，所以把在SOLIDWORKS生成的來(lái)料車大支腿模型轉(zhuǎn)換成Para solid格式的‘*.x-t’文件就可以了。 將模型文件導(dǎo)入到ANSYS軟件中，ANSYS自動(dòng)生成該模型，定義模型材料類型，泊松比和密度等，按solid45單元網(wǎng)格劃分[3]，得有限元模型有182929個(gè)單元和593868個(gè)節(jié)點(diǎn)，有限元模型如圖2所示。

圖2 來(lái)料車大支腿有限元模型

2 計(jì)算與分析

分別分析側(cè)式懸臂堆料機(jī)來(lái)料車大支腿在不同工作狀態(tài)下的的力學(xué)性能：1）靜止?fàn)顟B(tài)滿負(fù)荷情況下；2）逆向勻速行駛狀態(tài)（與皮帶行駛方向相反）滿負(fù)荷情況下；3）正向勻速行駛狀態(tài)（與皮帶行駛方向相同）滿負(fù)荷情況下。

側(cè)式懸臂堆料機(jī)來(lái)料車大支腿在靜止?fàn)顟B(tài)滿負(fù)荷情況下，受力主要是斜梁和物料對(duì)支腿頂面A的重力G1，斜梁對(duì)支腿頂面A的側(cè)向力F1，皮帶對(duì)大支腿上滾輪B作用力P1， 皮帶對(duì)大支腿下滾輪C作用力P2，大支腿的自重G和滾輪對(duì)地板D的支撐力，考慮ANSYS中分析方便，將滾輪對(duì)地板D的支撐設(shè)為固定約束，如圖3所示。

側(cè)式懸臂堆料機(jī)來(lái)料車大支腿在逆向行駛狀態(tài)滿負(fù)荷情況下，受力包括靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的G1，F(xiàn)1，P1，P2，G以及來(lái)料車底盤對(duì)大支腿前連接板E的壓力N1和牽引桿對(duì)大支腿后連接板H的壓力N2，將滾輪對(duì)地板D的支撐設(shè)為固定約束，如圖4所示。

圖3 大支腿靜止?fàn)顟B(tài)受力示意圖

圖4 大支腿逆行狀態(tài)受力示意圖

側(cè)式懸臂堆料機(jī)來(lái)料車大支腿在正向行駛狀態(tài)滿負(fù)荷情況下，受力包括靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的G1，F(xiàn)1，P1，P2，G以及來(lái)料車底盤對(duì)大支腿前連接板E的拉力N3和牽引桿對(duì)大支腿后連接板H的拉力N4，將滾輪對(duì)地板D的支撐設(shè)為固定約束，如圖5所示。

在ANSYS中對(duì)側(cè)式懸臂堆料機(jī)來(lái)料車大支腿模型按照上面分析的結(jié)果施加載荷和約束。以左底板D面中心為原點(diǎn)， D-H方向?yàn)閤軸正方向，D-A方向?yàn)閥軸正方向，D-C方向?yàn)閦軸正方向建立笛卡爾坐標(biāo)系，通過(guò)ANSYS后處理，在大支腿外表面X點(diǎn)附近建立x軸方向路徑，繪制路徑節(jié)點(diǎn)在xy方向上的的應(yīng)變曲線，圖6-8所示。

從圖6-8可得，側(cè)式懸臂堆料機(jī)來(lái)料車大支腿外表面X點(diǎn)（x=0.04）在xy方向上的的應(yīng)變值。在靜止?fàn)顟B(tài)下，X點(diǎn)應(yīng)變理論計(jì)算值約為1.114με；在逆向行駛狀態(tài)下，X點(diǎn)應(yīng)變理論計(jì)算值約為-7.8με；在正向向行駛狀態(tài)下，X點(diǎn)應(yīng)變理論計(jì)算值約為13.89με。

圖5 大支腿正行狀態(tài)受力示意圖

圖6 靜止?fàn)顟B(tài)X點(diǎn)應(yīng)變曲線

圖7 逆行狀態(tài)X點(diǎn)應(yīng)變曲線

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量應(yīng)變

應(yīng)力應(yīng)變電測(cè)方法是實(shí)驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變分析方法中應(yīng)用最廣泛和適用性最強(qiáng)的技術(shù)之一。對(duì)于多通道應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，為了減少測(cè)量前的準(zhǔn)備工作，提高測(cè)試效率，一般都采用單臂工作橋路。此處我們使用TST3827動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)，將X點(diǎn)位置的油漆和鐵銹等雜物清理干凈，粘貼箔式金屬應(yīng)變片，連續(xù)測(cè)量X點(diǎn)在三種不同工況下的應(yīng)變曲線，測(cè)量結(jié)果如圖9所示。

圖8 正行狀態(tài)X點(diǎn)應(yīng)變曲線

圖9 測(cè)量結(jié)果

在圖9中，0-30s側(cè)式懸臂堆料機(jī)來(lái)料車大支腿在靜止?fàn)顟B(tài)（0-29.9s）滿負(fù)荷情況下，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)其應(yīng)變平均值為3.2858με；

在逆向行駛狀態(tài)（29.9s-83.7s）滿負(fù)荷情況下，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)其應(yīng)變平均值為-8.7072με；在正向行駛狀（83.7s-114s）態(tài)滿負(fù)荷情況下，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)其應(yīng)變平均值為15.0868με。X點(diǎn)應(yīng)變仿真與測(cè)量比較，如表1所示。

測(cè)量結(jié)果中，應(yīng)變突變主要發(fā)生在工作條件變化時(shí)。即當(dāng)堆、取料機(jī)以30m/min速度運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向發(fā)生變化， 由于大型設(shè)備自重較大，因此保持慣性運(yùn)行的能力較大，所以短時(shí)內(nèi)設(shè)備仍會(huì)保持高速運(yùn)行，造成沖擊過(guò)大，引起晃動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)金屬結(jié)構(gòu)造成一定影響。

表1 X點(diǎn)應(yīng)變仿真值與測(cè)量值比較

理論計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)相關(guān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，模型計(jì)算結(jié)果要普遍小于試驗(yàn)結(jié)果但相差不大，即可認(rèn)為模型可靠的，其結(jié)果是可用的。通過(guò)分析對(duì)比結(jié)果，筆者認(rèn)為造成仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)誤差的原因主要有以下兩點(diǎn)：

1）模擬仿真時(shí)， 運(yùn)物料皮帶張緊力采用了理論計(jì)算值，而且認(rèn)為是傳動(dòng)勻速穩(wěn)定的，但實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)皮帶是變速的和強(qiáng)烈震動(dòng)的，所以模型計(jì)算雖然與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差不大，但仿真結(jié)果應(yīng)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果略小。

2）側(cè)式懸臂堆料機(jī)大立柱腿主要基于多剛體建模，模型比較復(fù)雜，在建模時(shí)做了過(guò)多簡(jiǎn)化。機(jī)體其他部分作為一個(gè)剛體處理，而且在各零部件的接觸處理上只有相關(guān)的約束副，沒(méi)有考慮零部件間的碰撞和摩擦，模型中作用力低于實(shí)驗(yàn)值。

4 結(jié)論

1）通過(guò)實(shí)驗(yàn)及有限元的分析計(jì)算，可認(rèn)為模型可靠的，其結(jié)果是可用的機(jī)身的。側(cè)式懸臂堆料機(jī)大立柱腿強(qiáng)度與剛度都符合要求，而且整個(gè)的計(jì)算結(jié)果具有較高的計(jì)算精度。

2）側(cè)式懸臂堆料機(jī)來(lái)料車大支腿在三種工況下，其應(yīng)力應(yīng)變均在其屈服極限內(nèi)，但在電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)變突增，因此應(yīng)考慮改進(jìn)電控通過(guò)重新設(shè)定減速時(shí)間參數(shù)，從而降低了減速引起的沖擊。

3）根據(jù)得到應(yīng)力應(yīng)變分布情況，建議對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸作了一些調(diào)整，如加大支腿梯形下拐角處角度和牽引桿與支腿連接處板材厚度，減少應(yīng)力應(yīng)變，以達(dá)到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的。

4）應(yīng)用虛擬樣機(jī)建模和有限元分析方法， 對(duì)堆料機(jī)大立柱腿受力作了仿真分析，可以簡(jiǎn)化堆料機(jī)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程，減少開(kāi)發(fā)成本。

[1]馬魁文, 楊好志.懸臂式堆料機(jī)臂架的優(yōu)化設(shè)計(jì).起重運(yùn)輸機(jī)械, 第8期, 20O7, 7-12.

[2]李 媛.石油修井機(jī)井架的有限元應(yīng)力應(yīng)變分析.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)第26卷, 第1期, 2009, 49-51.

[3]楊明.Ansys軟件與其它CAD/CAE/CAM軟件的接口問(wèn)題.哈爾濱鐵道科技, 2004, 13-15.

[4]薛永杰, 李宏堆.取料機(jī)行走減速過(guò)程中整機(jī)結(jié)構(gòu)沖擊過(guò)大原因分析及對(duì)策.港口科技, 第9期, 2006, 36-37.