裝船機(jī)俯仰機(jī)構(gòu)計(jì)算和L架結(jié)構(gòu)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）

0 引言

在能源、電力、冶金、港口等行業(yè)，特別是一些大宗散料集散中心的高速、穩(wěn)定、集效、滾動(dòng)式發(fā)展中，大型港口散料裝船機(jī)發(fā)揮著重要作用。本文分析的裝船機(jī)是三一海洋重工1 600 t/h 移動(dòng)回轉(zhuǎn)式糧食裝船機(jī)。該裝船機(jī)為目前國(guó)內(nèi)最大噸位糧食裝船機(jī)。相對(duì)其他裝船機(jī)，具有整機(jī)重量輕、生產(chǎn)率高和載荷大等特點(diǎn)。俯仰機(jī)構(gòu)作為裝船機(jī)的核心部件，安全方面尤其重要。本文通過(guò)建立裝船機(jī)俯仰機(jī)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖，得到俯仰鋼絲繩最大拉力，又根據(jù)其載荷條件，對(duì)上部金屬結(jié)構(gòu)通過(guò)有限元HyperMesh 軟件建立三維模型，對(duì)關(guān)鍵部件L 架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。并將計(jì)算結(jié)果用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)，為相關(guān)領(lǐng)域提供設(shè)計(jì)依據(jù)和參考。

1 裝船機(jī)裝卸工藝流程及金屬結(jié)構(gòu)組成

1.1 裝卸工藝流程和主機(jī)參數(shù)

裝船機(jī)裝船工藝流程如下：倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)→碼頭皮帶機(jī)→轉(zhuǎn)運(yùn)站→碼頭皮帶機(jī)→裝船機(jī)尾車(chē)皮帶機(jī)→中繼皮帶機(jī)→臂架皮帶機(jī)→伸縮溜管→船艙。

表1 糧食裝船機(jī)主要參數(shù)

1.2 上部金屬結(jié)構(gòu)組成

上部金屬結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱(chēng)為回轉(zhuǎn)支撐以上部分，它實(shí)現(xiàn)了上部回轉(zhuǎn)、臂架俯仰和安全掛鉤等動(dòng)作。包括伸縮溜管、臂架、臂架皮帶機(jī)和L 架等結(jié)構(gòu)及部件，如圖1。

圖1 上部鋼結(jié)構(gòu)各部件分布圖

2 力學(xué)模型建立

分析簡(jiǎn)化后的裝船機(jī)模型，其中主臂和溜筒，L 架、司機(jī)室、除塵系統(tǒng)和機(jī)器房等之間相對(duì)位置固定，在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析時(shí)作為整體，取其質(zhì)心位置進(jìn)行力學(xué)分析。臂架系統(tǒng)各部分質(zhì)心位置如圖2 所示，以臂架鉸點(diǎn)O 為坐標(biāo)原點(diǎn)，各質(zhì)心點(diǎn)坐標(biāo)為：

溜筒G1（X1，Y1）；臂架G2（X2，Y2）；臂架皮帶機(jī)G3（X3，Y3）；物料質(zhì)量G4（X4，Y4）。

重心分布如圖2。

圖2 重心分布圖

建立力矩平衡方程：

式中，G1、G2、G3、G4依次為溜筒、臂架、臂架皮帶機(jī)、物料自重的各部件重心位置。

表2 臂架水平滿(mǎn)載時(shí)質(zhì)心參數(shù)

根據(jù)表2 中臂架水平滿(mǎn)載時(shí)質(zhì)心參數(shù)數(shù)據(jù)，求解方程（1）得：

俯仰機(jī)構(gòu)中，同一零件上各鉸點(diǎn)的相對(duì)距離是根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)固定不變的，隨著俯仰鋼絲繩長(zhǎng)度的變化，發(fā)生變化的是臂架系統(tǒng)與轉(zhuǎn)臺(tái)之間鉸點(diǎn)連線(xiàn)的夾角，這些夾角都是隨著俯仰鋼絲繩長(zhǎng)度這一個(gè)變量發(fā)生變化的，直接反映為臂架俯仰角度的變化。為更加明確地建立起各變量之間內(nèi)在的幾何聯(lián)系，將變幅機(jī)構(gòu)的夾角及相對(duì)鉸點(diǎn)距離均歸結(jié)為臂架俯仰角度θ 有關(guān)的函數(shù)。裝船機(jī)俯仰機(jī)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖3 所示。

圖3 俯仰機(jī)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖3 中：A（X1，Y1）為L(zhǎng) 架滑輪組中心位置；B（X2，Y2）為臂架滑輪組中心位置；D（X3，Y3）為臂架部分重心坐標(biāo)，同式（2）；α 為臂架滑輪組中心與坐標(biāo)軸原點(diǎn)連線(xiàn)和X 軸夾角；θ 為臂架俯仰過(guò)程中角度變化；γ 為變化過(guò)程中L架滑輪組和臂架滑輪組相對(duì)坐標(biāo)軸夾角；β 為L(zhǎng) 架滑輪組與Y 軸夾角。

根據(jù)已知條件，臂架水平狀態(tài)下，得出各夾角值和各點(diǎn)之間間距，如表3。

本文選擇臂架在幾種工況（θ=10°～68°）下電機(jī)所需功率、鋼絲繩拉力和俯仰時(shí)間等進(jìn)行對(duì)比，如表4。

根據(jù)以上表格確認(rèn)鋼絲繩在整個(gè)俯仰過(guò)程中最大拉力F=5×104N，所需最大功率M=29.98 kW，單根鋼絲繩最大行程L=13.3 m 等。

表3 各夾角值和距離

表4 各工況下計(jì)算結(jié)果

3 有限元計(jì)算模型

裝船機(jī)上部金屬結(jié)構(gòu)模型如圖4 所示。

圖4 上部金屬結(jié)構(gòu)模型

本文以臂架下俯10°時(shí)，分別在無(wú)風(fēng)、工作風(fēng)載荷垂直于大車(chē)軌道方向吹（X 方向）、工作風(fēng)載荷垂直于大車(chē)軌道方向吹（-X 方向）以及工作風(fēng)載荷平行于大車(chē)軌道方向吹（Z 方向）幾種工況下分析L 架最大應(yīng)力。

3.1 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(guò)更改材料密度來(lái)調(diào)整模型自重，其余集中載荷構(gòu)件，采用質(zhì)量載荷來(lái)施加，見(jiàn)表2。

2）制動(dòng)載荷Kr。Kr=ψλcma。其中：λc為載荷系數(shù)；ψ 為慣性載荷增大系數(shù)，取值2.0，參考《FEM 設(shè)計(jì)規(guī)范》；m 為結(jié)構(gòu)自重；a 為行走加速度。

通過(guò)給有限元模型輸入行走加速度，由軟件自動(dòng)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)下，最大風(fēng)速vi=20 m/s，風(fēng)壓qi=245.2 N/m2。非工作狀態(tài)下，最大風(fēng)速vo=55 m/s，風(fēng)壓qo=1854.325 N/m2。工作狀態(tài)下，風(fēng)載Wi=CfqiAsin2α，非工作狀態(tài)下，風(fēng)載Wo=CfQoAsin2α。式中：C 為風(fēng)力系數(shù)；A 為垂直于風(fēng)向的迎風(fēng)面積；α 為風(fēng)向與結(jié)構(gòu)縱軸的夾角。

風(fēng)沿垂直軌道方向（X 方向）風(fēng)載Wix、Wox如表5。

表5 風(fēng)沿大車(chē)方向各部件迎風(fēng)面積等

風(fēng)沿大車(chē)方向（Z 方向）風(fēng)載WiZ、WoZ如表6。

表6 風(fēng)沿大車(chē)方向各部件迎風(fēng)面積等

4）載荷系數(shù)。根據(jù)整機(jī)工作級(jí)別A8 級(jí)，增大系數(shù)λc=1.2（F.E.M 2.3.4）。

3.2 位移約束條件

約束L 型架底部回轉(zhuǎn)部分的全部自由度。

3.3 材料屬性

金屬結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件所用材料為Q345 鋼，在各種工況下的安全系數(shù)和許用應(yīng)力見(jiàn)表7。

表7 Q345 鋼許用應(yīng)力表

3.4 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(jiàn)圖5。

圖5 裝船機(jī)上部金屬結(jié)構(gòu)有限元模型

裝船機(jī)上部金屬結(jié)構(gòu)有限元模型共有317 070 個(gè)節(jié)點(diǎn)，318 712 個(gè)單元，銷(xiāo)軸采用釋放旋轉(zhuǎn)自由度的梁?jiǎn)卧?，鋼絲繩采用桿單元。

本文主要針對(duì)L 架進(jìn)行分析，分析結(jié)果見(jiàn)圖6～圖8。

由表8 及圖6～圖8 可知，水平工況立柱頂端最大位移20.87 mm，出現(xiàn)在X 向風(fēng)載時(shí)，其余工況出現(xiàn)在Z 向風(fēng)載，最大位移為11.71 mm。

另得出L 架最大應(yīng)力工況及其最大應(yīng)力，最大應(yīng)力為236.8 MPa＜282 MPa，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。如圖9。

圖6 水平0°時(shí)X 向風(fēng)載位移云圖

圖7 上仰10°時(shí)Z 向風(fēng)載位移云圖

圖8 下俯10°時(shí)Z 向風(fēng)載位移云圖

圖9 下俯10°時(shí)-X 向風(fēng)載立柱應(yīng)力云圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)計(jì)算實(shí)例詳細(xì)闡明了裝船機(jī)俯仰機(jī)構(gòu)和L架結(jié)構(gòu)計(jì)算方法，為實(shí)際設(shè)計(jì)工作提供了翔實(shí)的數(shù)據(jù)依據(jù)，同時(shí)對(duì)相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作提供參考依據(jù)。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)維修操作人員反饋問(wèn)題，如站立在L 架上部時(shí)結(jié)構(gòu)存在前后晃動(dòng)工況提供理論依據(jù)，主要是L 架在有風(fēng)工況下?lián)闲宰冃螌?dǎo)致，此種工況屬正常工作工況。

表8 立柱頂端位移計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)表

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