堆料機(jī)來料車結(jié)構(gòu)有限元分析

邊輝　李歡

【摘 要】通過懸臂帶式輸送機(jī)堆料運(yùn)行，來料車將物料拋向料場實(shí)現(xiàn)堆料作業(yè)。它在懸臂式堆料機(jī)中屬于相對獨(dú)立的一個機(jī)構(gòu)，主要是由結(jié)構(gòu)件構(gòu)成的，其結(jié)構(gòu)性能直接影響堆取料機(jī)的綜合性能，因此，本文對來料車的力學(xué)性能進(jìn)行研究，以便為來料車的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】堆料機(jī)；來料車；有限元分析；ANSYS

1.堆料機(jī)的主要結(jié)構(gòu)

堆料機(jī)主要由：懸臂、行走機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、來料車、軌道系統(tǒng)、電纜坑、電纜卷盤、檢測系統(tǒng)幾部分構(gòu)成。堆料機(jī)在軌道上往復(fù)運(yùn)行，根據(jù)要求運(yùn)行到指定的料倉。懸臂前端垂吊一個料位探測儀。隨著堆料機(jī)一邊往復(fù)運(yùn)動，一邊堆積物料，料堆逐漸升高。當(dāng)料堆與探測儀接觸時，探測儀發(fā)出信號，傳回控制室。控制室開動變幅液壓系統(tǒng)，通過油缸推動懸臂提升一個預(yù)先給定的高度，往復(fù)運(yùn)動。

2.來料車的結(jié)構(gòu)介紹

來料車又稱進(jìn)料車或卸料車，通過懸臂帶式輸送機(jī)堆料運(yùn)行，將物料拋向料場實(shí)現(xiàn)堆料作業(yè)。

來料車帶式輸送機(jī)上托輥槽角為35°，上托輥間距不大于1200mm，下托輥間距不大于3000mm，上、下帶面均設(shè)置適當(dāng)?shù)淖詣诱{(diào)心托輥，受料處設(shè)置緩沖托輥，且間距不大于400mm。全部托輥直徑均為159mm，托輥正常使用壽命不小于30000h，摩擦阻力系數(shù)不大于0.022。來料車帶式輸送機(jī)最大傾斜角度不大于16°。來料車的設(shè)計應(yīng)能防止地面帶式輸送機(jī)啟動時輸送帶跳起。帶式輸送機(jī)不撒料，輸送帶跑偏量最大不超過70mm。輸送帶承料面和非承料面均設(shè)置清掃裝置。

3.來料車所受載荷的計算

來料車跨在主輸送帶上，與主機(jī)配合，以實(shí)現(xiàn)往返取料，建立直通道，堆料，多方向堆料等功能。來料車是整個堆料機(jī)的承載機(jī)構(gòu)，皮帶機(jī)鋪設(shè)在來料車上，物料隨皮帶機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)而上升，經(jīng)過前部的漏斗流到主機(jī)的懸臂皮帶機(jī)上。來料車本身無任何機(jī)構(gòu)，由主機(jī)牽引進(jìn)行行走，其受力來源于其承載的部件如皮帶機(jī)自重，物料自重等，以及受到輸送機(jī)皮帶的張進(jìn)力的作用。

3.1皮帶機(jī)受力計算的已知條件

設(shè)計依據(jù)：

DB1300/19.5側(cè)式懸臂堆料機(jī)設(shè)計技術(shù)規(guī)格書。

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB50007-2003）：

移動式散料連續(xù)搬運(yùn)設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（JB/T 8849-2005）。

3.2計算條件

查閱堆料機(jī)圖紙，可知堆料機(jī)的各部件載荷大小及作用點(diǎn)位置，如下所描述：

結(jié)構(gòu)自重，載荷值15187kg/m，加載位置：體載荷，加載方向：垂直向下。

梯子重，載荷值129kg/m，加載位置：集中載荷，加載方向：垂直向下。

漏斗重，載荷值1300kg/m，加載位置：均勻線載荷，加載方向：垂直向下。

司機(jī)室重，載荷值2500kg/m，加載位置：集中載荷，加載方向：垂直向下。

托輥物料膠帶走臺，載荷值430kg/m， 加載位置：均布線載荷，加載方向：垂直向下。

滾筒Φ800，載荷值2300kg/m，加載位置：集中載荷，加載方向：垂直向下。

滾筒Φ630，載荷值2600kg/m，加載位置：集中載荷，加載方向：垂直向下。

壓帶輪，載荷值350kg/m，加載位置：集中載荷，加載方向：垂直向下。

控制電纜及卷盤，載荷值2000kg/m，加載位置：集中載荷，加載方向：垂直向下。

動力電纜及卷盤，載荷值2500kg/m，加載位置：集中載荷，加載方向：垂直向下。

3.3計算來料車承載的各部件重量

（1）每米物料質(zhì)量qG=Qmax/3.6V=9800/（3.6×5.6）=486kg/m。

（2）初選膠帶ST800，=1.8×23.1=42kg/m；其中ST1000型鋼繩芯輸送帶每平方米質(zhì)量qp=23.1kg/m2。

（3）上分支托輥轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量 31.95kg/m。沈礦牌三輥式托輥組、輥徑 159mm，軸徑 40mm，每個托輥轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量為12.78kg，承載分支托輥組間距 1.2m，則托輥組每米長轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量（kg/m）。

（4）下分支托輥每米長轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量11.03kg/m，沈礦牌回空分支V形兩輥式托輥組，槽角15°，輥徑159mm，每輥轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量為16.55kg，回空分支托輥組間距[14]，=3.0m，則回空分支托輥組每米長轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量（kg/m）。

4.來料車的有限元分析

4.1 來料車分析的基本技術(shù)參數(shù)

本課題研究的是DB1300/19.5側(cè)式懸臂堆料機(jī)，其堆料能力1300噸，臂架有效長19.5m。來料車部分高9.45m，長30.1m，主要完成物料的傳送工作，其鋼結(jié)構(gòu)全部由型鋼和鋼板焊接而成，為提高經(jīng)濟(jì)效益，確保設(shè)計安全，現(xiàn)對來料車鋼結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度進(jìn)行校核，計算分析如下。

4.2 來料車分析的受力模型

4.2.1前處理模塊PREP7

雙擊實(shí)用菜單中的“Preprocessor”，進(jìn)入ANSYS 的前處理模塊。這個模塊主要有兩部分內(nèi)容：實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分。

來料車鋼結(jié)構(gòu)是有桁架構(gòu)成的空間結(jié)構(gòu)，是鋼材與角鋼等進(jìn)行焊接的結(jié)構(gòu)。我們將他們定義為梁單元和殼單元。

4.2.2三維彈性梁單元（BEAM189）

三維彈性梁單元是具有拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)和彎曲功能的單軸單元，在每個節(jié)點(diǎn)上具有6個自由度，即沿X、Y、Z軸移動和繞X、Y、Z 軸轉(zhuǎn)動。該單元由三個節(jié)點(diǎn)確定。

模型中節(jié)點(diǎn)的確定遵循如下原則：

①來料車結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)為模型的節(jié)點(diǎn)。

②來料車結(jié)構(gòu)的連接點(diǎn)或施力點(diǎn)為模型的節(jié)點(diǎn)。

為了表示清楚節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、節(jié)點(diǎn)位移及節(jié)點(diǎn)載荷方向等有關(guān)參數(shù)，建立有限元模型時取坐標(biāo)系為右手坐標(biāo)系，其中Y坐標(biāo)軸方向?yàn)樨Q直向上。

5.結(jié)論

來料車的常規(guī)理論計算很復(fù)雜，并且為了保證設(shè)備具有較大的安全系數(shù)，設(shè)計人員傾向于使用更多的材料，造成了設(shè)備笨重和生產(chǎn)成本的增加。因此本文介紹的就是應(yīng)用CAD輔助計算，首次對來料車進(jìn)行強(qiáng)度計算，目的是可以根據(jù)計算結(jié)果對強(qiáng)度不足處進(jìn)行加強(qiáng)，對強(qiáng)度充裕處進(jìn)行適當(dāng)減重。針對以上情況，本文主要進(jìn)行了以下的研究工作：

（1）對堆料機(jī)的主要結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了介紹，介紹了堆料機(jī)主要結(jié)構(gòu)來料車的幾種結(jié)構(gòu)形式。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際使用條件，確定本文研究對象為固定式來料車。

（2）進(jìn)行靜力學(xué)分析，計算來料車所受載荷，由于多數(shù)載荷為自重產(chǎn)生，受力方向垂直向下。因此只需要對帶式輸送機(jī)的皮帶產(chǎn)生的力進(jìn)行詳細(xì)的求解，并得出力的大小及載荷作用位置，為來料車的有限元分析提供力學(xué)分析的基礎(chǔ)。

（3）對來料車進(jìn)行有限元分析，首先我們在三維軟件中建立模型，并對局部特征進(jìn)行簡化，消除掉不必要的倒圓角和倒角，孔等結(jié)構(gòu)，以便在有限元分析中進(jìn)行計算。將三維圖形導(dǎo)入ansys軟件，通過劃分網(wǎng)格，并施加載荷，建立起有限元模型。對模型進(jìn)行有限元分析得出應(yīng)力云圖，可直觀的了解來料車各個部位的受力情況。對于來料車斜梁部分，變形量大小的依次順序是來料車尾部，中部，頭部；對于平臺部分，主梁端部應(yīng)力最大。據(jù)此，可對結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在最大應(yīng)力位置處，焊上加強(qiáng)筋，以避免受力變形，與失效破壞。