糧食裝船機(jī)尾車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析

高崇金

（珠海三一港口機(jī)械有限公司，廣東珠海 519000）

糧食裝船機(jī)尾車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析

高崇金

（珠海三一港口機(jī)械有限公司，廣東珠海 519000）

詳細(xì)介紹了尾車的工作原理和在特定工作環(huán)境下的結(jié)構(gòu)要求。尾車采用三點(diǎn)支撐機(jī)構(gòu)+前端支腿浮動和同步控制系統(tǒng)控制，達(dá)到主機(jī)同步行走的要求。采用HyperMesh分析軟件對其建模并進(jìn)行有限元分析，提供了多種工況狀態(tài)下尾車受力和變形情況。旨在為相關(guān)領(lǐng)域尾車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考和設(shè)計(jì)依據(jù)。

裝船機(jī)；尾車；皮帶機(jī)；有限元分析

0 前言

裝船機(jī)尾車的作用是將地面皮帶運(yùn)輸機(jī)的物料輸送到裝船機(jī)的帶式皮帶機(jī)上[1]，通過裝船機(jī)上的帶式皮帶機(jī)將物料堆送到懸臂前端，經(jīng)過溜筒裝入船艙。本文主要針對尾車和主機(jī)設(shè)備跨距大，寒冷天氣下軌道結(jié)冰導(dǎo)致大車和尾車不同步的情況進(jìn)行尾車結(jié)構(gòu)和受力分析。本文以1 600 t/h丹東港糧食裝船機(jī)尾車為主要研究對象，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)闡述并對其進(jìn)行有限元分析。

1 裝船機(jī)結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境

丹東裝船機(jī)尾車布置如圖1所示，尾車與主機(jī)跨度L=20.5 m，棧橋高度13 m。丹東港年最低溫度-28℃，冬季雨雪天氣較多。另此裝船機(jī)主要用于糧食物料輸送，相對傳統(tǒng)尾車結(jié)構(gòu)差異較大，因此必須在防水、抑塵、防跑偏和防風(fēng)等方面有嚴(yán)格要求，例如為防雨雪天氣和抑塵，尾車輸送皮帶上部還需覆蓋一層蓋帶，對尾車的整體受力情況有顯著影響。

圖1 裝船機(jī)布置簡圖

2 尾車結(jié)構(gòu)形式

針對丹東港物料輸送要求、自然環(huán)境和碼頭布置等情況，本文在尾車結(jié)構(gòu)[2]和同步控制等方面進(jìn)行了多處創(chuàng)新，尾車結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 尾車結(jié)構(gòu)圖

2.1 三點(diǎn)支撐機(jī)構(gòu)+前端支腿浮動

因碼頭棧橋?yàn)楹附愉摻Y(jié)構(gòu)，碼頭施工完成后再經(jīng)歷夏季和冬季，棧橋應(yīng)力釋放完成，會導(dǎo)致棧橋尾車軌道平面高低不平。若采用顯性常規(guī)尾車結(jié)構(gòu)，如尾車四條支腿進(jìn)行支撐，尾車運(yùn)行過程中勢必出現(xiàn)一條支腿懸空現(xiàn)象，特別在雨雪天氣及軌道結(jié)冰狀態(tài)下，尾車極易出現(xiàn)打滑，導(dǎo)致主機(jī)和尾車不同步現(xiàn)場產(chǎn)生，導(dǎo)致主機(jī)斷電，嚴(yán)重影響工作效率。

本文尾車結(jié)構(gòu)采用三組支腿結(jié)構(gòu)，有效解決了多支腿結(jié)構(gòu)支腿懸空問題。具體方案如下：在尾車運(yùn)行過程中，若軌道出現(xiàn)前后不平工況，頭部支腿10通過鉸軸3，實(shí)現(xiàn)上下浮動，從而避免了中部支腿的懸空。當(dāng)出現(xiàn)左右軌道不平整工況，中部支腿7透過鉸軸8，可實(shí)現(xiàn)相對皮帶運(yùn)行方向的左右轉(zhuǎn)動自由度，始終保持頭部支腿5和中部支腿7與軌道面貼合，即所謂的三支點(diǎn)和前段支腿浮動結(jié)構(gòu)。

2.2 同步控制系統(tǒng)

為避免尾車和主機(jī)不同步導(dǎo)致中繼皮帶機(jī)支架發(fā)生變形和主機(jī)啃軌，尾車行走采用四臺三合一減速器驅(qū)動和鉸軸1牽引兩種組合方式進(jìn)行，在正常行走過程中，當(dāng)出現(xiàn)打滑而導(dǎo)致的不同步時(shí)，鉸軸1可對尾車進(jìn)行牽引，當(dāng)力到達(dá)一個(gè)安全值的峰值壓力F時(shí)，主機(jī)控制器控制尾車三合一減速器運(yùn)行速度加快或降低，始終保持與大車同步。當(dāng)壓力持續(xù)增大時(shí)，主機(jī)停電保護(hù)。當(dāng)運(yùn)行過程中受阻導(dǎo)致驅(qū)動功率不足，主機(jī)通過鉸軸1對尾車產(chǎn)生一個(gè)推力，達(dá)到尾車正常運(yùn)行的目的。

本結(jié)構(gòu)針對丹東港特殊環(huán)境，擯棄了傳統(tǒng)牽引式尾車結(jié)構(gòu)形式，達(dá)到了良好的使用效果，可為裝船機(jī)尾車設(shè)計(jì)提供一個(gè)有效的參考依據(jù)。

3 尾車結(jié)構(gòu)有限元分析

3.1 幾何模型

尾車幾何模型如圖3所示。

3.2 工況分析

卸料小車工況如下所述：（1）無風(fēng)工況，牽引力分別沿著Z向與-Z向；（2）工作風(fēng)載荷垂直于大車軌道方向吹（X方向），牽引力分別沿著Z向與-Z向；

（3）工作風(fēng)載荷垂直于大車軌道方向吹（-X方向），牽引力分別沿著Z向與-Z向；

圖3 尾車幾何模型

（4）工作風(fēng)載荷平行于大車軌道方向吹（Z方向），牽引力分別沿著Z向與-Z向。

3.3 載荷組合

（1）結(jié)構(gòu)自重G

結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)上均布構(gòu)件的自重通過更改材料密度來調(diào)整模型自重，其余集中載荷構(gòu)件，采用質(zhì)量載荷來施加，見表1和表2。

（2）制動載荷[3]Kr

Kr=ψ·λcma

其中：λc——載荷系數(shù)；

ψ——慣性載荷增大系數(shù)，取值2.0；

m——結(jié)構(gòu)自重；

a——行走加速度。

通過給有限元模型輸入行走加速度，由軟件自動計(jì)算行走慣性力。

（3）風(fēng)載荷W

風(fēng)載荷按F.E.M規(guī)范計(jì)算，折算到各個(gè)節(jié)點(diǎn)上。

工作狀態(tài)最大風(fēng)速： vi=20 m/s，風(fēng)壓：qi=245.2 N/m2。

表1 風(fēng)沿垂直軌道方向參數(shù)

表2 風(fēng)沿軌道方向參數(shù)

工作狀態(tài)風(fēng)載：Wi=CfqiAsin2α

其中：C——風(fēng)力系數(shù)；

A——垂直于風(fēng)向的迎風(fēng)面積；

α——風(fēng)向與結(jié)構(gòu)縱軸的夾角。

（4）載荷系數(shù)

根據(jù)整機(jī)工作級別A8級，增大系數(shù)λc=1.2。

3.4 載荷參數(shù)

尾車其主要的載荷形式包括[4-5]：自重、載重、制動慣性力、風(fēng)載等。具體如表2所示：

3.5 材料屬性

金屬結(jié)構(gòu)材料彈性模量2.1×1011Pa，泊松比0.3；受力構(gòu)件所用材料為Q235B，在各種工況下的安全系數(shù)和許用應(yīng)力如表3和表4所示。

表3 有限元模型載荷分布表

3.6 有限元模型

有限元計(jì)算采用HyperMesh分析軟件。本結(jié)構(gòu)有限元模型見圖4。

表4 金屬材料許用應(yīng)力表

圖4 尾車有限元模型

本有限元模型共有111 786個(gè)節(jié)點(diǎn)，106 690個(gè)單元，銷軸采用釋放旋轉(zhuǎn)自由度的梁單元，約束條件見表5。

表5 位移約束條件

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 靜剛度計(jì)算

各工況下位移計(jì)算結(jié)果見表6所示。

表6 計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)表

工況最大位移都在尾車尾端，在X向風(fēng)工作工況，-Z向牽引時(shí)較明顯，最大位移22.1 mm，以此工況為例，位移云圖見圖5。

圖5 X向風(fēng)載（-Z牽引）位移云圖

4.2 強(qiáng)度計(jì)算

各工況下應(yīng)力計(jì)算結(jié)果[6]見表7。

表7 計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)表

由表可見，最大應(yīng)力在X向風(fēng)載-Z向牽引時(shí)，各工況應(yīng)力最大的地方基本相同，都是在車架中部斜拉桿的上連接板處，只是-X向風(fēng)載時(shí)最大應(yīng)力出現(xiàn)在另一側(cè)。現(xiàn)以X向和-X風(fēng)載-Z向牽引為例，應(yīng)力云圖如圖6～9。

圖6 X向風(fēng)載（-Z向牽引）整體應(yīng)力云圖

圖7 X向風(fēng)載（-Z向牽引）局部放大圖

圖8 X向風(fēng)載Z向牽引局部放大圖

圖9 X向風(fēng)載Z向牽引整體應(yīng)力云圖

4.3 結(jié)論

由有限元分析結(jié)果可知，尾車最大位移為22.1 mm，無風(fēng)工況的最大應(yīng)力為121.5 MPa，小于[σ]=157 MPa，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。有風(fēng)工況的最大應(yīng)力為123.4 MPa，小于[σ]=177 MPa，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

5 總結(jié)

本文針對糧食裝船機(jī)尾車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)闡述，另對裝船機(jī)尾車進(jìn)行有限元分析，得出設(shè)計(jì)指導(dǎo)數(shù)據(jù)，對相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)計(jì)算具有重要的指導(dǎo)意義。

［1］Rules for the Design of Mobile Equipment for Continuous Handing of Buck Materials［J］.

［2］陳瑋璋.起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)［M］.北京：人民交通出版社，1986.

［3］潘鐘林，譯.歐洲起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范［M］.上海：上海振華港口機(jī)械公司，1998.

［4］交通部水運(yùn)司.港口起重運(yùn)輸機(jī)械手冊［K］.北京：人民交通出版社，2001：529-532.

［5］張質(zhì)文，虞和謙，王金諾，等.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：中國鐵道出版社，1997.

［6］李斌，王悅民.大型港口裝船機(jī)結(jié)構(gòu)載荷組合及計(jì)算［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，2009（3）：9-12.

The Structure Design and Finite Element Analysis of Grain Ship Loader Tail Car

GAO Chong-jin
（Zhuhai Sany Port Machinery Co.，Ltd.，Zhuhai519000，China）

This paper introduces in detail the working principle and structure requirements in a specific environment of tail car.Tail car adopts the three point support mechanism+front legs floating and synchronous control，to achieve the host synchronous running requirements.It is modeled and finite element analyzed by HyperMesh analysis software，providing stress and deformation of the tail car in a variety of working conditions.In order to provide reference and design basis for related fields tail car structure design.

ship loader;tail car；belt machine；finite element analysis

TP391.7

A

1009－9492(2014)08－0111－05

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.08.032

高崇金，男，1983年生，山東人，碩士，工程師。研究領(lǐng)域：港口散料裝缷機(jī)械。已發(fā)表論文7篇。

(編輯：王智圣)

2014－07－17