DBK2000.43型堆料機(jī)門座架及行走機(jī)構(gòu)靜力學(xué)分析

朱明

（安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002）

0 引言

堆料機(jī)是一種目前世界上最大的散裝物料堆垛輸送機(jī)械，因其自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)率高、能耗低、成本低等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于碼頭及鋼鐵冶金、煤礦、火力發(fā)電廠、化工等原料儲(chǔ)運(yùn)廠［1-2］。DBK2000.43型堆料機(jī)自20世紀(jì)90年代設(shè)計(jì)投產(chǎn)，至今已運(yùn)行二十余年，從未進(jìn)行過(guò)大面積的停機(jī)檢修，所以對(duì)堆料機(jī)進(jìn)行靜力學(xué)分析十分必要。同時(shí)也為該廠的設(shè)備維護(hù)和更新提供技術(shù)支持。

門座架是由厚度不同的鋼板通過(guò)焊接而成，最小厚度為10 mm，最大厚度為20 mm，局部位置用鋼板加厚且由高強(qiáng)度螺栓連接，以提高強(qiáng)度剛度。它的作用是支撐回轉(zhuǎn)軌道、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、主體梁以及俯仰機(jī)構(gòu)。同時(shí)還起到與行走臺(tái)車連接的作用。

行走機(jī)構(gòu)的主要作用是用來(lái)移動(dòng)和支撐整個(gè)堆料機(jī)，主要由支撐機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置組成。支撐機(jī)構(gòu)主要包括：鞍座、主動(dòng)臺(tái)車和從動(dòng)臺(tái)車。支撐機(jī)構(gòu)底部通過(guò)臺(tái)車車輪與地面軌道接觸而支撐在地面上，上部分通過(guò)連接銷軸將鞍座與門座架連接起來(lái)，從而支撐堆料機(jī)的上面部分。驅(qū)動(dòng)裝置主要包括電機(jī)、減速器、制動(dòng)器等。司機(jī)室內(nèi)通過(guò)開關(guān)啟動(dòng)電機(jī)，使得主動(dòng)臺(tái)車轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)從動(dòng)臺(tái)車在軌道上前后移動(dòng)，通過(guò)控制制動(dòng)器使得行走機(jī)構(gòu)停止。

該型號(hào)堆料機(jī)由20世紀(jì)90年代設(shè)計(jì)生產(chǎn)。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法主要是依靠經(jīng)驗(yàn)，往往會(huì)造成外形尺寸偏大，而易忽略內(nèi)部的薄弱環(huán)節(jié)［3］。本文以堆料機(jī)門座架和行走機(jī)構(gòu)為研究目標(biāo)，在危險(xiǎn)工況下（即懸臂架與X軸成45°角），運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到其應(yīng)力和變形值，分析其安全性。

1 堆料機(jī)質(zhì)心位置計(jì)算

由于堆料機(jī)結(jié)構(gòu)的整體性，在研究門座架和行走機(jī)構(gòu)的同時(shí)，還應(yīng)考慮其他部分機(jī)構(gòu)對(duì)其的影響，因此本文將其他部分機(jī)構(gòu)的質(zhì)量等效成質(zhì)量節(jié)點(diǎn)，通過(guò)質(zhì)量節(jié)點(diǎn)對(duì)回轉(zhuǎn)軌道的作用力來(lái)模擬真實(shí)情況。

對(duì)于質(zhì)心坐標(biāo)過(guò)程中用到的坐標(biāo)系做如下設(shè)定：以回轉(zhuǎn)軌道上表面圓心為原點(diǎn)；X軸正方向沿懸臂架方向；Z軸為豎直方向，向上為正；Y軸為水平垂直懸臂架方向，司機(jī)室側(cè)為負(fù)。根據(jù)式（1）計(jì)算出其他部分機(jī)構(gòu)的質(zhì)心位置：

式中：x1、x2、……xi為各機(jī)構(gòu)質(zhì)心 x 軸坐標(biāo)；y1、y2、……yi為各機(jī)構(gòu)質(zhì)心y軸坐標(biāo)；z1、z2、……zi為各機(jī)構(gòu)z軸坐標(biāo)；m1、m2、……mi為各機(jī)構(gòu)質(zhì)量；x0、y0、z0為堆料機(jī)質(zhì)心坐標(biāo)。

根據(jù)廠方提供的圖紙資料和三維建模軟件，計(jì)算出質(zhì)心位置，并將其轉(zhuǎn)換成ANSYS中的坐標(biāo)為：x=-0.7032，y=6.8047，z=9.9706。

2 有限元模型的建立

針對(duì)堆料機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)下部的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、有限元分析特點(diǎn)和現(xiàn)有計(jì)算機(jī)資源的綜合考慮，對(duì)該堆料機(jī)門座架和行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行如下的簡(jiǎn)化并在ANSYS中建立整體的有限元模型。

1）只考慮主要金屬結(jié)構(gòu)，對(duì)其他附帶結(jié)構(gòu)僅考慮其重量并放在主要結(jié)構(gòu)的重量?jī)?nèi)考慮。2）忽略焊縫、高強(qiáng)度螺栓等，由于堆料機(jī)回轉(zhuǎn)下部機(jī)構(gòu)主要由金屬鋼板焊接而成，考慮到整體模型的龐大，忽略焊縫的影響；回轉(zhuǎn)軌道支撐部分除了與門座架焊接之外，還設(shè)有軌道夾，由于軌道夾數(shù)量過(guò)多，會(huì)導(dǎo)致有限元網(wǎng)格過(guò)多，計(jì)算量大幅增加，故本算例省略軌道夾。3）忽略連接銷軸及傳動(dòng)軸的軸承蓋，改用綁定接觸綁定軸承和軸承座。忽略下部行走軌道，通過(guò)對(duì)行走輪施加約束來(lái)模擬真實(shí)情況。4）將回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)上部機(jī)構(gòu)的質(zhì)量等效成質(zhì)量節(jié)點(diǎn)施加在回轉(zhuǎn)軌道受力面上。

2.1 網(wǎng)格劃分

考慮到主要金屬結(jié)構(gòu)都是由鋼板焊接而成，門座架、回轉(zhuǎn)軌道支撐部分以及其他薄壁部分使用殼單元（Shell 181單元），為了更好地模擬焊接情況，使用工作平面（Work Plane）將相交的兩個(gè)面沿相交線切開，切開后相交線處會(huì)出現(xiàn)兩條重合的線，然后使用Merge Items命令將重合線的關(guān)鍵點(diǎn)（Key point）合并，使之成為一條線；行走臺(tái)車殼體、行走車輪、連接銷軸、傳動(dòng)軸及回轉(zhuǎn)軌道等使用實(shí)體單元（Solid 186單元）。其中Shell 181為4節(jié)點(diǎn)6 自由度，Solid 186 為 20 節(jié)點(diǎn) 6 自由度［4］。

在網(wǎng)格劃分之后，設(shè)置各部分的材料屬性，其中Q235 鋼彈性模量 E=2.1×1011，泊松比為 0.3，密度 ρ=7.85×103kg/m3。根據(jù)金屬結(jié)構(gòu)部分使用的鋼板厚度，設(shè)置殼單元實(shí)常數(shù)。

2.2 約束條件與載荷的施加

1）約束條件。根據(jù)實(shí)際情況，由于省略了行走機(jī)構(gòu)的行走軌道，將行走輪組中一個(gè)車輪施加全約束，其余車輪施加豎直方向上的約束。行走臺(tái)車的車輪與殼體之間、殼體與殼體之間以及門座架與行走臺(tái)車之間的連接通過(guò)設(shè)置接觸對(duì)來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)的裝配關(guān)系。

2）施加載荷。計(jì)算出堆料機(jī)其他部分機(jī)構(gòu)質(zhì)量和質(zhì)心位置，通過(guò)在其質(zhì)心位置添加一個(gè)集中質(zhì)量，并將此質(zhì)心節(jié)點(diǎn)與回轉(zhuǎn)軌道和回轉(zhuǎn)臺(tái)車接觸面通過(guò)無(wú)質(zhì)量梁?jiǎn)卧M(jìn)行連接。風(fēng)載取25 kg/m2，加在門座架和行走機(jī)構(gòu)迎風(fēng)面上。懸臂膠帶機(jī)質(zhì)量與工作載荷等效到回轉(zhuǎn)上部機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等效質(zhì)心上。在堆料機(jī)門座架和行走機(jī)構(gòu)施加載荷和約束后的情況如圖1所示。

圖1 門座架和行走機(jī)構(gòu)有限元模型圖

3 有限元分析結(jié)果

對(duì)堆料機(jī)門座架和行走機(jī)構(gòu)整體進(jìn)行有限元計(jì)算，得出結(jié)果顯示，整體最大米塞斯應(yīng)力為219 MPa，如圖2所示，出現(xiàn)在行走臺(tái)車外殼之間連接處。整體最大變形為4.1 mm，如圖3所示。

圖2 整體米塞斯應(yīng)力圖

圖3 整體變形圖

圖4 門座架有限元分析結(jié)果

圖5 行走機(jī)構(gòu)有限元分析結(jié)果

4 結(jié)論

運(yùn)用ANSYS對(duì)堆料機(jī)門座架和行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到其應(yīng)力與變形情況。分析結(jié)果表明：門座架最大米塞斯應(yīng)力為145 MPa，出現(xiàn)在薄板焊接處，最大變形為3.6 mm；行走機(jī)構(gòu)最大米塞斯應(yīng)力為219 MPa，出現(xiàn)在臺(tái)車殼體連接軸處，最大變形為2.5 mm。最大米塞斯應(yīng)力均小于Q235屈服極限（σs=235MPa），因此可以得出結(jié)論：DBK2000.43型堆料機(jī)門座架和行走機(jī)構(gòu)強(qiáng)度剛度符合要求，設(shè)備運(yùn)行正常。但是，在日常設(shè)備維護(hù)和保養(yǎng)的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)著重注意這些危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力變形情況，以保證生產(chǎn)的連續(xù)和安全。

［1］ 彭白水.華泰重工：領(lǐng)跑中國(guó)散料輸送設(shè)備制造業(yè)［J］.建筑機(jī)械與管理，2006，19(8)：50.

［2］ 耿華.斗輪堆取料機(jī)工作裝置動(dòng)態(tài)特性研究［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2007.

［3］ 王玉梅.斗輪堆取料機(jī)門座架有限元分析及優(yōu)化［J］.企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2011，30(5)：92.

［4］ 王新敏.ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元與應(yīng)用［M］.北京：人民交通出版社，2011.