基于ANSYS的懸臂堆料機(jī)行走機(jī)構(gòu)選型設(shè)計(jì)及優(yōu)化

邵翠榮， 牛軍燕

（華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州 450015）

0 引言

懸臂堆料機(jī)在我國水泥、大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)、冶金及發(fā)電企業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。堆料機(jī)主要由懸臂膠帶機(jī)、尾車、機(jī)架、卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)等組成。而行走機(jī)構(gòu)承載了堆料機(jī)的絕大部分重量和懸臂膠帶機(jī)產(chǎn)生的側(cè)向力，所以，如何在滿足強(qiáng)度、剛度、安全性、穩(wěn)定性的條件下，減輕行走機(jī)構(gòu)的重量的研究至關(guān)重要。本文針對(duì)徐礦集團(tuán)哈密能源公司大南湖礦區(qū)選煤廠輸煤系統(tǒng)的堆料機(jī)行走機(jī)構(gòu)為例，利用ANSYS有限元分析軟件，建立了SHELL63彈性殼單元模型［1］，分析在多載荷共同作用下結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變情況，并在有限元計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行了選型設(shè)計(jì)和優(yōu)化分析。通過分析計(jì)算，不僅縮短設(shè)計(jì)周期，而且保證行走機(jī)構(gòu)的安全可靠，為后續(xù)堆料機(jī)系列化生產(chǎn)或者新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)提供參考。

1 懸臂堆料機(jī)結(jié)構(gòu)原理

懸臂堆料機(jī)主要由懸臂膠帶機(jī)、尾車、機(jī)架、卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)組成。其工作原理就是物料通過尾車上的進(jìn)料皮帶機(jī)輸送到懸臂膠帶機(jī)上，然后通過行走機(jī)構(gòu)在條形料場的往復(fù)運(yùn)動(dòng)將物料均勻地散布在料場內(nèi)。本次主要針對(duì)行走機(jī)構(gòu)在強(qiáng)度、剛度等方面進(jìn)行選型的優(yōu)化設(shè)計(jì)。行走機(jī)構(gòu)正上面承載了機(jī)架、懸臂膠帶機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)、各輔助機(jī)構(gòu)的全部豎向力，側(cè)面則承受懸臂膠帶機(jī)產(chǎn)生的較大的側(cè)向力。經(jīng)過結(jié)構(gòu)分析和前期計(jì)算，行走機(jī)構(gòu)上承受的豎向力主要是機(jī)架傳遞給行走機(jī)構(gòu)的豎向壓力和卷揚(yáng)支撐施加給行走機(jī)構(gòu)的豎向分力，兩處分別為387 600N，而側(cè)向力主要是機(jī)架傳遞給行走機(jī)構(gòu)的水平分力和卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)施加給行走機(jī)構(gòu)水平分力，左側(cè)為414 700N，右側(cè)為314 700N。

2 ANSYS軟件在行走機(jī)構(gòu)選型及設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

本文將在ANSYS軟件中直接建模并分析，將有效縮短開發(fā)設(shè)計(jì)周期［2］。本次設(shè)計(jì)的行走機(jī)構(gòu)由箱型梁組成，一般的箱型梁結(jié)構(gòu)在有限元建模中可以采用Beam188單元。但是，本次設(shè)計(jì)的行走機(jī)構(gòu)雖然由箱型梁組成，但是由于本身承載的豎向力和水平力較大，故在箱型梁內(nèi)部關(guān)鍵的受力部位做加筋處理。為了使ANSYS中建的模型與實(shí)際模型更接近及分析的結(jié)果更準(zhǔn)確，本次分析采用Shell63板殼單元，更具體地把箱型梁的每塊板材及每塊筋板都進(jìn)行建模，以便使得出的結(jié)論更具有可靠性。

2.1 分析過程

ANSYS可以直接讀取Pro/E生成的幾何實(shí)體，將三維模型導(dǎo)入后進(jìn)行有限元分析。但是本次主要作為選型計(jì)算，故在ANSYS中直接建模更便于后期的優(yōu)化分析。建立三維模型時(shí)應(yīng)保證虛擬模型和實(shí)際模型盡可能一致，特別是工況一定要符合實(shí)際情況，以使受力分析能夠符合實(shí)際的受力情況，在這個(gè)原則下再對(duì)模型做適當(dāng)?shù)暮喕?/p>

2.2 前處理過程

設(shè)置ANSYS模版，選擇分析類型，定義材料、屬性、實(shí)常數(shù)卡等準(zhǔn)備建模。其中查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［3］得，235鋼屈服強(qiáng)度σs=235 MPa，安全系數(shù)取1.5，材料參數(shù)為：彈性模量E=1.07×105MPa，泊松比 λ=0.3，密度 ρ=7.8×10-6kg/mm3。

利用Shell63殼單元建立模型。根據(jù)需要及在關(guān)鍵的受力部位加筋方案確定了80個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，這里不再一一指出。然后選擇各段的截面序號(hào)，將各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)連接起來生成面，然后再給面賦予面單元屬性。本次初步設(shè)計(jì)箱型梁的上下翼緣板采用δ=20 mm，兩側(cè)的腹板采用 δ=16 mm，所有筋板采用δ=12 mm。在ANSYS中建成的三維模型劃分網(wǎng)格后如圖1所示。

圖1 行走結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖

2.3 后處理過程

1）添加約束。由于懸臂堆料機(jī)行走結(jié)構(gòu)采用4個(gè)承載車輪，左右各2個(gè)車輪支撐在行走機(jī)構(gòu)兩側(cè)，其中左右分別有一個(gè)車輪為主動(dòng)輪，左右同步單輪驅(qū)動(dòng)，而車輪支架和行走機(jī)構(gòu)底面為面接觸，故約束的部位即車輪支架和行走機(jī)構(gòu)底面接觸的面約束。

2）施加載荷。行走機(jī)構(gòu)的自重可以通過Loads＞Define loads＞Inertia＞Gravity＞Global添加；其他的載荷為：箱型梁側(cè)面與卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)接觸的兩處面壓力分別為387600/（1525×925）≈0.27 N/mm2，箱型梁上面與機(jī)架接觸的面壓力，左側(cè)為414700/（630×500）≈1.32 N/mm2，右側(cè)為314700/（630×500）≈0.99 N/mm2。

圖2 優(yōu)化前行走機(jī)構(gòu)應(yīng)力云圖

2.4 分析結(jié)果

Solve運(yùn)行分析后得到應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D，優(yōu)化前行走機(jī)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖2所示，應(yīng)變?cè)茍D如圖3所示。

由圖2可知，這種選型在實(shí)際載荷下的最大應(yīng)力為 166.158 MPa，而［δ］=235/1.5=156.67 MPa，最大應(yīng)力超過了該材料的許用應(yīng)力，并且最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置在行走機(jī)構(gòu)承受卷揚(yáng)支撐的側(cè)面上，說明箱型梁的腹板初步選型不能滿足應(yīng)力要求。由圖3可知，最大應(yīng)變量為2.41 mm，而該結(jié)構(gòu)相應(yīng)的許用撓度為7832/800=9.79 mm，最大變形量沒有超過許用撓度。初步分析該選型剛度滿足要求，強(qiáng)度稍微有點(diǎn)薄弱，所以需要進(jìn)行優(yōu)化分析。

圖3 優(yōu)化前行走機(jī)構(gòu)應(yīng)變?cè)茍D

3 優(yōu)化過程

根據(jù)圖2可以看出受力薄弱的部位在腹板上，所以優(yōu)化方案是將和卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)接觸的腹板的厚度從δ=16 mm變成δ=18mm。打開ANSYS建模模塊，在RealConstants把腹板的厚度改成18mm，將相對(duì)應(yīng)的尺寸參數(shù)更改后保存，然后重新運(yùn)行求解。優(yōu)化后的皮帶機(jī)架應(yīng)力云圖如圖4所示，應(yīng)變?cè)茍D如圖5所示。

圖4 優(yōu)化后行走機(jī)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖5 優(yōu)化后行走機(jī)構(gòu)應(yīng)變?cè)茍D

由圖4可知，這種選型在實(shí)際載荷下的最大應(yīng)力為118.93 MPa，小于該材料的許用應(yīng)力；由圖5可知，最大變形量為1.796 mm，小于該結(jié)構(gòu)相應(yīng)的許用撓度，故此時(shí)安全可靠。該方法大大提高了工作效率及選型的準(zhǔn)確性，值得在設(shè)計(jì)中推廣應(yīng)用。

4 結(jié)語

通過該實(shí)例可以看出，本文采用Shell63殼單元更詳細(xì)地建模，能夠使模型更接近實(shí)際，得出的應(yīng)力應(yīng)變值更準(zhǔn)確。這種方法不僅可用在行走機(jī)構(gòu)的選型設(shè)計(jì)上，還可為其他鋼結(jié)構(gòu)的選型設(shè)計(jì)提供參考。

［1］ 博弈創(chuàng)作室.ANSYS經(jīng)典產(chǎn)品基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解［M］.北京：中國水利水電出版社，2006.

［2］ 周寧.ANSYS機(jī)械工程應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：中國水利水電出版社，2006.

［3］ 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.5版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.