基于可靠性斗輪機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

金海龍 張健睿

摘 要：現(xiàn)代工業(yè)的施工機(jī)械不僅要求有較高的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，還要求設(shè)備的輕量化，尤其針對(duì)大型工程機(jī)械，所以對(duì)大型工程機(jī)械的優(yōu)化設(shè)計(jì)就顯得至關(guān)重要。文章對(duì)斗輪機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體的分析，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為斗輪機(jī)的設(shè)計(jì)者及使用者提供了有效的支持，同時(shí)為同類(lèi)工程機(jī)械的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：斗輪機(jī)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；可靠性；分析

引言

斗輪機(jī)是一種料場(chǎng)散貨專(zhuān)用的堆取工程機(jī)械，一般用于大型散貨港口、大型鋼鐵廠的礦石或煤炭原料場(chǎng)以及火電廠的儲(chǔ)煤場(chǎng)等類(lèi)型場(chǎng)所。在工業(yè)使用上會(huì)因?yàn)槲锪系牟煌约笆褂霉r的不同而選用不同的斗輪機(jī)參數(shù)，它的主要工作原理是通過(guò)斗輪連續(xù)取料，再用帶式輸送機(jī)進(jìn)行連續(xù)堆料，從而達(dá)到連續(xù)不斷的供給原材料的機(jī)械。與間歇式工作的起重機(jī)和裝載機(jī)相比較，斗輪機(jī)具有效率高、堆取能力強(qiáng)、運(yùn)行速度穩(wěn)定、功率變化小、自動(dòng)化水平高、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。斗輪機(jī)作為大型工程機(jī)械同樣具有苯重、不靈活等缺相，尤其是斗輪機(jī)的俯仰結(jié)構(gòu)是斗輪機(jī)的核心部件，在工作中需要上下俯仰和水平旋轉(zhuǎn)，它的重量嚴(yán)重影響了斗輪機(jī)的工作效率。文章通過(guò)對(duì)斗輪機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為斗輪機(jī)的推廣使用提供有力的支持。

1 基于可靠性斗輪機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

1.1 斗輪機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理簡(jiǎn)介

斗輪機(jī)的主要結(jié)構(gòu)有回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、斗輪機(jī)構(gòu)、行走臺(tái)車(chē)尾車(chē)、帶式輸送機(jī)以及俯仰結(jié)構(gòu)。斗輪機(jī)構(gòu)是用于取料的執(zhí)行結(jié)構(gòu)，由斗輪和斗輪的驅(qū)動(dòng)裝置組成；俯仰結(jié)構(gòu)是斗輪機(jī)進(jìn)行工作的核心結(jié)構(gòu)，也是整個(gè)斗輪機(jī)中受力最復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，它的工作方式有取料和堆料兩種，在進(jìn)行取料工作時(shí)，物料由斗輪帶動(dòng)進(jìn)入帶式輸送機(jī)，由帶式輸送機(jī)運(yùn)走，同時(shí)通過(guò)俯仰結(jié)構(gòu)的選擇和上下移動(dòng)選擇取料位置，以便于將料堆取盡，而堆料過(guò)程與之相反，由輸送機(jī)將物料放在臂架的傳輸帶上，由傳輸帶送到斗輪處，拋灑在料場(chǎng)上，然后通過(guò)臂架的旋轉(zhuǎn)、俯仰保證料堆成梯形斷面分布。斗輪機(jī)是連續(xù)規(guī)律工作的，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，在控制方式上分為手動(dòng)、半自動(dòng)以及自動(dòng)三種，而俯仰結(jié)構(gòu)是斗輪機(jī)的核心結(jié)構(gòu)，它的靈活性是斗輪機(jī)工作效率的關(guān)鍵，所以對(duì)俯仰結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的，將它的重量作為一個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，在滿(mǎn)足其它條件的情況下，重量越小越好，所以文章以斗輪機(jī)的俯仰結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象進(jìn)行可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)。

1.2 斗輪機(jī)俯仰結(jié)構(gòu)可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)的理論分析

在傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)中，大多采用材料強(qiáng)度的許用應(yīng)力作為約束條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣的方法簡(jiǎn)單易行，具有一定的參考價(jià)值，已經(jīng)被大多數(shù)的設(shè)計(jì)者采用，但是卻忽略了參數(shù)的隨機(jī)性和離散性?xún)蓚€(gè)最很重要的因素，所以設(shè)計(jì)的工業(yè)產(chǎn)品在進(jìn)行安全系數(shù)選擇時(shí)具有很強(qiáng)大的近似性和經(jīng)驗(yàn)性，不是符合客觀實(shí)際的最優(yōu)方案，也不能定量的反應(yīng)工程系統(tǒng)的可靠性，所以有必要引入機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)對(duì)斗輪機(jī)俯仰機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

在機(jī)械設(shè)計(jì)中，為了保證結(jié)構(gòu)的安全工作，通常將設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高于系統(tǒng)的工作壓力，但對(duì)于可靠性設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，由于結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度值與應(yīng)力值都具有很大的離散性，所以應(yīng)力強(qiáng)度仍然有可能高于結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，即結(jié)構(gòu)存在失效的可能性。因此，我們應(yīng)該運(yùn)用現(xiàn)代機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的理論，在忽略設(shè)計(jì)參數(shù)的隨機(jī)性和離散型條件下，建立了基于可靠性的斗輪機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，對(duì)斗輪機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，引入可靠性許用應(yīng)力的新概念。

對(duì)于可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，主要目的是研究將機(jī)械設(shè)計(jì)與機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合的可能性。綜合兩種機(jī)械設(shè)計(jì)理念，使設(shè)計(jì)在滿(mǎn)足定量可靠性的前提下，進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)不能定量的可靠性設(shè)計(jì)，用精確的理論設(shè)計(jì)取代傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)近似設(shè)計(jì)，使斗輪機(jī)在作業(yè)中能夠靈活俯仰以及選擇，對(duì)它的俯仰結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有很大的經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)用價(jià)值。

1.3 斗輪機(jī)俯仰結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)斗輪機(jī)俯仰結(jié)構(gòu)的可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)，主要是對(duì)機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)中基礎(chǔ)理論公式進(jìn)行變差系數(shù)的計(jì)算，即不能將參數(shù)當(dāng)成定值，而是視為離散的隨機(jī)變量，從而減輕有關(guān)作業(yè)負(fù)荷、結(jié)構(gòu)尺寸、材料強(qiáng)度等統(tǒng)計(jì)特征數(shù)據(jù)的影響。

選定設(shè)計(jì)變量，建立目標(biāo)函數(shù)。選取水平臂架、立柱截面尺寸、前拉桿、平衡重拉桿以及撐桿截面積為設(shè)計(jì)變量，以俯仰結(jié)構(gòu)的總體積最小，即結(jié)構(gòu)自身種量最輕為優(yōu)化目標(biāo)。

約束條件的選取及原因分析?？紤]俯仰結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)制造工藝和維護(hù)保養(yǎng)的需要，鋼板厚度不能低于6mm，同樣考慮到鋼板的焊接性能和機(jī)械性能，鋼板的厚度不能超過(guò)20mm，考慮到料場(chǎng)使用的方便，立柱高度不得超過(guò)8m，俯仰結(jié)構(gòu)的水平臂架要采用雙工字鋼做組合梁，立柱采用雙箱型鋼作組合梁，這些組合在工作過(guò)程中反復(fù)受到壓力、彎矩的組合負(fù)載，為了保證俯仰結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性，工字鋼的寬度、厚度、寬厚比以及高厚比必須符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的工字鋼選用標(biāo)準(zhǔn)。

可靠性許用應(yīng)力和剛度的計(jì)算。進(jìn)行可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于可靠性許用應(yīng)力的計(jì)算，根據(jù)機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的選用標(biāo)準(zhǔn)可知：斗輪機(jī)結(jié)構(gòu)的16Mn鋼的可靠性參數(shù)為：μδ=345MPa，Cδ=0.054，σδ=μδXCδ=18.63MPa。取斗輪機(jī)俯仰結(jié)構(gòu)的可靠度為0.999，則可靠性系數(shù)為z=3.09，所以可靠性許用應(yīng)力公式應(yīng)為：

根據(jù)此公式求得各構(gòu)件在可靠性為0.999時(shí)的許用應(yīng)力如表1所示：

優(yōu)化算法選擇。對(duì)于斗輪機(jī)俯仰結(jié)構(gòu)這樣的多變量、多約束條件的非線(xiàn)性?xún)?yōu)化問(wèn)題，常用的優(yōu)化計(jì)算方法有模擬退火、遺傳算法、拉格朗日法等。其中模擬退火算法比較適合解決這種大規(guī)模組合優(yōu)化問(wèn)題，能夠受較少的初始條件和初始點(diǎn)的限制，在一定的條件下收斂于整體最優(yōu)解集。

計(jì)算結(jié)果分析。經(jīng)過(guò)生產(chǎn)實(shí)際運(yùn)算結(jié)果證明：使用可靠性結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，斗輪機(jī)俯仰結(jié)構(gòu)的各個(gè)截面明顯減小，與優(yōu)化前相比，重量下降了27.6%。

1.4 可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)的意義

經(jīng)過(guò)可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)的研究分析發(fā)現(xiàn)，它具有以下特點(diǎn)：首先可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)考慮了設(shè)計(jì)參數(shù)的隨機(jī)性和離散性，比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)更接近客觀實(shí)際；其次可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)在滿(mǎn)足傳統(tǒng)的定量可靠度的基礎(chǔ)上，使設(shè)計(jì)方案更優(yōu)，這對(duì)大型工程機(jī)械優(yōu)化應(yīng)力分布和結(jié)構(gòu)布局，減輕設(shè)備重量，節(jié)省材料，降低工程造價(jià)，具有重要意義；再次這種可靠性許用應(yīng)力的設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單有效，具有很大的可推廣性，可以廣泛在同類(lèi)型機(jī)械中使用。

2 結(jié)束語(yǔ)

文章首先對(duì)斗輪機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的描述，并論述了斗輪機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的必要性，然后通過(guò)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法對(duì)比，說(shuō)明了可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)的理論和優(yōu)勢(shì)，最后對(duì)斗輪機(jī)俯仰機(jī)構(gòu)的可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵理論進(jìn)行了探討，并結(jié)合優(yōu)化結(jié)果與生產(chǎn)實(shí)際說(shuō)明了這種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的意義，為斗輪機(jī)的生產(chǎn)者和使用者提供了有效的理論支持，也為同類(lèi)型的工程機(jī)械進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種有效的借鑒方案。

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