橋式取料機(jī)行走車架力學(xué)性能分析

岑 武，王世輝

（1湖北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢430068；2武漢理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢430070）

橋式取料機(jī)主要用于水泥建材、煤炭、電力、冶金、鋼鐵、化工等行業(yè)，特別是對(duì)石灰石、煤、鐵礦石、水泥廠等物料予均化要求較高的行業(yè)尤為重要［1－2］。其主要有箱型橋梁、行走機(jī)構(gòu)、刮板輸送機(jī)構(gòu)、料耙機(jī)構(gòu)、固定端梁、擺動(dòng)端梁、動(dòng)力電纜卷盤等主要部分組成。箱型橋梁結(jié)構(gòu)與取料行走機(jī)構(gòu)連接，通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)的臺(tái)車組，臺(tái)車沿著軌道運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)取料機(jī)的前后運(yùn)動(dòng)。由于箱型橋梁鋼結(jié)構(gòu)重量龐大，取料行走機(jī)構(gòu)的性能好壞直接影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定以及取料機(jī)的正常運(yùn)行，而且對(duì)于整個(gè)取料機(jī)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性有很大影響，因此有必要對(duì)取料機(jī)行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行深入分析［3］。本文對(duì)行走機(jī)構(gòu)的行走車架進(jìn)行基于Ansys Wor kbench的有限元分析，結(jié)合分析結(jié)果對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證，有效改善受力情況。其分析過(guò)程可以為橋式取料機(jī)行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供有效參考。

1 橋式取料機(jī)行走車架建模

1.1 三維實(shí)體模型建立

研究的橋式取料機(jī)行走車架的結(jié)構(gòu)，主體采用Q235鋼板和鋼管焊接而成。行走車架主體尺寸為7 760 mm×740 mm×1 435 mm。行走車架主要由受力鋼板（頂端和低端）厚25 mm與四周厚16 mm連接板焊接而成。為滿足其力學(xué)性能，在受力鋼板與連接板之間焊接了大量厚12 mm肋板，以增加主要受力面的承載能力。行走車架在的模型屬于復(fù)雜模型，在Ansys Wor kbench中建模，沒(méi)有效率優(yōu)勢(shì)，故這里選擇第三方三維建模軟件Solid Wor ks進(jìn)行建模。由于在進(jìn)行Ansys靜力分析和模態(tài)分析時(shí)，節(jié)省計(jì)算機(jī)的計(jì)算資源，需要對(duì)復(fù)雜模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。故在建模中對(duì)行走車架進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，以方便進(jìn)行有限元分析。由Solid Wor ks建立的行走車架三維實(shí)體模型（圖1）。

圖1 橋式取料機(jī)行走車架三維實(shí)體模型

1.2 Ansys Wor kbench中的模型建立

將上述簡(jiǎn)化后的模型整體直接導(dǎo)入有限元分析軟件中。在Solid Works中將建好的行走車架模型保存為IGES格式，然后，在Ansys Workbench中新建Pr oject Sche matic，接著將保存好的IGES文件導(dǎo)入到Geo metr y中［4］。行走車架的材料采用Q235鋼材，密度為7 850 kg／m3，彈性模量為2×105 MPa，泊松比為0.3。接著是進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)行走車架結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格劃分采用自動(dòng)網(wǎng)格生成法，網(wǎng)格單元設(shè)為100 mm。行走車架的有限元網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 行走車架有限元網(wǎng)格劃分效果圖

2 橋式取料機(jī)行走車架的分析

2.1 行走車架結(jié)構(gòu)的靜力分析

行車車架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在使用過(guò)程中所受載荷隨外部條件和工作量的變化差異較大，計(jì)算施加載荷時(shí)適當(dāng)作了等效簡(jiǎn)化［5］。車架上的載荷，首先是車架結(jié)構(gòu)自重載荷，此處結(jié)構(gòu)由密度為7850 kg／m的Q235鋼板組成，經(jīng)計(jì)算得出車架自身重量P＝3 463.3×9.8＝33.940 34 k N；然后是工作負(fù)載，行走車架的工作負(fù)載，主要是安裝箱型橋梁結(jié)構(gòu)后施加在車架頂端而形成的載荷。為了簡(jiǎn)化分析，通過(guò)計(jì)算得出箱型橋梁施加在車架的上額載荷P1＝170kN，方向垂直向下；最后是活動(dòng)載荷，主要來(lái)自車架行走、料耙往復(fù)運(yùn)動(dòng)和刮板運(yùn)動(dòng)綜合作用的結(jié)果。為了簡(jiǎn)化分析，通過(guò)計(jì)算得出活動(dòng)載荷P2＝38kN，方向垂直于重力方向和長(zhǎng)度邊方向。

行走車架的力學(xué)性能主要體現(xiàn)為，在彈性范圍內(nèi)，正常的工作條件下，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)能夠滿足強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，即考核鋼材的許用應(yīng)力［6］

式中：σ為材料的許用應(yīng)力；σs為材料的屈服應(yīng)力極限；n為安全系數(shù)，根據(jù)載荷不同，可在1.15～1.5之間選擇。不同材料有不同的特性，這里采用Q235，其材料特性及載荷情況具體選擇方式見(jiàn)表1。

表1 Q235許用應(yīng)力

將上述載荷分別加入到Ansys Wor kbench的靜力分析模塊Static Str uctural中進(jìn)行強(qiáng)度和剛度的有限元分析，結(jié)果如圖3所示。行走車架結(jié)構(gòu)選用材料Q235的屈服應(yīng)力極限為235 MPa，此處受力面鋼板厚度為25 mm，由表1查得，材料的許用應(yīng)力σ＝200 MPa。由圖3a可以看出，車架結(jié)構(gòu)在自重和工作負(fù)荷下的最小組合應(yīng)力發(fā)生在車架左右兩側(cè)凹槽處，最大屈服應(yīng)力σs＝71.261 MPa，即σs＜σ，因此行走車架滿足強(qiáng)度方面的要求。圖3b中看出，行走車架最大變形量為0.465 56 mm，在安全范圍內(nèi)。

圖3 橋式取料機(jī)行走車架靜力學(xué)分析云圖

2.2 行走車架結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析

行走車架固有動(dòng)態(tài)特性是指在受到激勵(lì)時(shí)，車架隨之做出的響應(yīng)，這是產(chǎn)生振動(dòng)的原理。而激勵(lì)振動(dòng)頻率與固有振動(dòng)頻率的相似會(huì)引起共振。為了避免共振的出現(xiàn)，通常用模態(tài)分析進(jìn)行評(píng)價(jià)。在Workbench中，模態(tài)分析和靜力分析有很多的相似之處，都包含了定義單元類型、定義材料屬性、進(jìn)行網(wǎng)格劃分、施加邊界約束條件和求解。因此，在Wor kbench的項(xiàng)目管理區(qū)靜力分析后面鏈接上模態(tài)分析項(xiàng)目，使其相關(guān)的數(shù)據(jù)同步，避免重復(fù)定義，節(jié)省分析操作時(shí)間。模態(tài)分析主要側(cè)重于模型動(dòng)態(tài)特性，一般考慮行走車架的幾階模態(tài)與振型，特別是有實(shí)際參考價(jià)值的低階模態(tài)。利用Wor kbench軟件求得了車架前6階模態(tài)，各階模態(tài)計(jì)算的結(jié)果等效云圖如圖4所示。

圖4 橋式取料機(jī)行走車架6階振型等效云圖

由分析云圖可知行走車架如表2所示模態(tài)分析數(shù)據(jù)。根據(jù)分析結(jié)果，行走車架最小變形產(chǎn)生于第1階振型，變形主要集中在頂端受力面正下方結(jié)構(gòu)體處，車架表現(xiàn)為扭曲狀態(tài)；第2、3、4階振型變形均集中在車架幾何中心對(duì)稱區(qū)，三個(gè)階段變形幅度變化不大，車架表現(xiàn)為彎曲狀態(tài)；車架在第5階振型中變形開(kāi)始向長(zhǎng)度方向擴(kuò)散；最大變形產(chǎn)生于第6階振型，變形區(qū)由正下方想兩端擴(kuò)散，車架表現(xiàn)為彎曲狀態(tài)。

表2 行走車架模態(tài)分析數(shù)據(jù)

模態(tài)分析的核心目的是避免共振，只要低階模態(tài)滿足不發(fā)生共振的要求，行走車架的動(dòng)態(tài)特性就比較好。由結(jié)果知，車架的前三階頻率為56.562 Hz，64.627 Hz、66.93 Hz。行走車架工作與電動(dòng)機(jī)引起的振動(dòng)頻率變化范圍：25～30 Hz，安全范圍為固有頻率遠(yuǎn)離激勵(lì)頻率10%～20%。車架一階模態(tài)固有頻率56.562 Hz，故遠(yuǎn)離激勵(lì)頻率88.54%，顯示出車架動(dòng)態(tài)性能良好［7］。

3 總結(jié)

本文采用了Solid Works替代 Ansys Wor kbench對(duì)行走車架進(jìn)行三維建模，使工作量大為減少，大大提高了研發(fā)效率，縮短了設(shè)計(jì)周期。通過(guò)對(duì)行走車架模型進(jìn)行靜力分析計(jì)算可以看出，車架在實(shí)際工況下能夠滿足其力學(xué)性能要求；通過(guò)對(duì)行走車架進(jìn)行模態(tài)分析知，車架能夠避開(kāi)共振頻率，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。從分析結(jié)果里知道，可以對(duì)行走車架內(nèi)部肋板部分，進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，減小車架的變形。這里同時(shí)驗(yàn)證了，Wor kbench對(duì)行走車架進(jìn)行的有限元分析方法的可靠性，為車架的強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

［1］李 雪，宋 光，佟云龍.論橋式刮板取料機(jī)［J］.中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2012（01）：104－105.

［2］郭天綱.橋式刮板取料機(jī)結(jié)構(gòu)分析及料耙研究［D］.沈陽(yáng)：遼寧工程技術(shù)大學(xué)圖書(shū)館，2007.

［3］唐興華.圓形料場(chǎng)取料行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012（11）：195－197.

［4］呂 端，曾東建，于曉洋，等.基于 ANSYS Wor kbench的V8發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸有限元模態(tài)分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012（08）：11－13.

［5］吳丙勝，胡明偉，陳秋平.基于 Ansys Workbench的圓管帶式輸送機(jī)桁架結(jié)構(gòu)的有限元分析［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，2013（03）：6－9.

［6］李海洋.刮板式取料機(jī)取料臂的結(jié)構(gòu)形式分析［D］.北京：清華大學(xué)圖書(shū)館，2012.

［7］衛(wèi)良保，曾龍修.叉車車架有限元模態(tài)分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)［J］.工程機(jī)械，2012（43）：47－50.