基于有限元法的頂堆側(cè)取刮板臂架鋼結(jié)構(gòu)分析

耿 雨孔 飛（.北方重工集團有限公司，遼寧 沈陽 04；.沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司，遼寧 沈陽 04）

基于有限元法的頂堆側(cè)取刮板臂架鋼結(jié)構(gòu)分析

耿 雨1孔 飛2
（1.北方重工集團有限公司，遼寧 沈陽 110141；2.沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司，遼寧 沈陽 110141）

本文采用有限元的方法對頂堆側(cè)取中刮板臂架的鋼結(jié)構(gòu)進行了靜力學(xué)分析，得出了變形和應(yīng)力結(jié)果。為與強度、剛度相關(guān)的設(shè)計提供了數(shù)據(jù)支持。

頂堆側(cè)取；鋼結(jié)構(gòu)；有限元；靜力分析；剛度；強度

1 引言

頂堆側(cè)取式堆取料機是一種新型環(huán)保且具有混勻功能的堆取料機，多用于大容量原煤儲料車間。料場采用封閉式廠房，提高了土地利用率，杜絕了因粉塵對料場附近環(huán)境的污染。現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于煤礦、鋼廠、電廠、散料物流等領(lǐng)域。

作為頂堆側(cè)取中重要的一部分，刮板臂架起到支撐刮板輸送系統(tǒng)運行的重要作用。刮板臂架的剛度及強度是否符合要求是頂堆側(cè)取取料裝置部分能否安全、順暢運行的前提。以往的傳統(tǒng)計算方法在計算精度及局部剛度、強度計算方面還有很多無法解決之處。本文簡單論述了如何采用有限元的方法對頂堆側(cè)取中刮板臂架的鋼結(jié)構(gòu)進行靜力學(xué)分析，以校核刮板臂架的強度及剛度。

2 刮板臂架鋼結(jié)構(gòu)強度、剛度分析

2.1有限元分析模型的建立

刮板臂架底部與門架鉸接；中上部設(shè)有鋼絲繩吊點；沿刮板臂架分布著上下導(dǎo)槽；在刮板臂架頭部安裝有改向鏈輪組及液壓張緊裝置；在刮板臂架尾部有驅(qū)動鏈輪組及驅(qū)動裝置。刮板刮著物料在導(dǎo)槽中沿刮板臂架運動以實現(xiàn)取料的功能。整個刮板輸送系統(tǒng)可通過鋼絲繩對刮板臂架的牽引實現(xiàn)繞底部鉸點作從水平至上仰38.5°的俯仰運動，同時通過門架的運動實現(xiàn)在水平面內(nèi)繞料場中心的回轉(zhuǎn)運動。

為了提高計算效率，模型的建立過程中可將不重要區(qū)域的小孔、小尺寸結(jié)構(gòu)及工藝結(jié)構(gòu)忽略。在有限元分析方法中我們需要將分析模型不同的部位簡化為不同種類的離散單元來模擬結(jié)構(gòu)的實際力學(xué)性能。鋼絲繩部分采用桿單元進行模擬（為消除鋼絲繩伸長量對計算結(jié)果的影響，需將鋼絲繩材料剛度設(shè)置的非常大，使鋼絲繩伸長量近似為0）；鋼板部分采用板單元進行模擬；傳動軸部分采用剛體單元進行模擬。有限元模型如圖1所示。

2.2 載荷及約束

在刮板臂架上主要作用有如下載荷：（1）尾部鏈輪組重量580kg；（2）刮板及鏈條重量27558 kg，沿刮板臂架全長均布；（3）驅(qū)動鏈輪組重量2911 kg；（4）刮板驅(qū)動重量3435 kg；（5）張緊鏈輪張緊力61600 N；（6）物料摩擦阻力15720N；（7）切削阻力10000 N；（8）刮板回轉(zhuǎn)摩擦阻力13270 N；建模部分自重由程序自動生成。

在刮板臂架尾部回轉(zhuǎn)鉸點約束除繞俯仰鉸點俯仰轉(zhuǎn)動外所有自由度，鋼絲繩定滑輪處約束所有平移自由度。

2.3 計算工況的選取

對于刮板臂架剛度，應(yīng)選取臂架所受彎矩最大工況，即水平工況。

對于刮板臂架強度，由于刮板臂架在工作過程中存在水平與上仰38.5°兩種極限工況，所有此結(jié)構(gòu)需分兩種工況進行分析：Ⅰ、刮板臂架水平；Ⅱ、 刮板臂架上仰（臂架與水平面成38.5°角）。

2.4 計算結(jié)果

根據(jù)GB/T 3811-2008 《起重機設(shè)計規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定，刮板臂架在吊點前的懸臂部分變形量應(yīng)小于懸臂部分長度的1/300；在俯仰鉸點與鋼絲繩吊點之間部分變形量應(yīng)小于俯仰鉸點與鋼絲繩吊點間距離的1/600。

本結(jié)構(gòu)材料為Q235-A，材料的屈服強度為235MPa，鋼材的彈性模量E=206000MPa，泊松比為0.3，密度P=7.85×103。依據(jù)JB/T8849-2005《移動式散料連續(xù)搬運設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中的規(guī)定，其許用應(yīng)力為160 MPa。

經(jīng)分析計算后得出的變形結(jié)果如圖2所示。由圖2中可看出刮板臂架在吊點前的懸臂部分變形量為7.5mm，小于懸臂部分長度10000mm的1/300；在俯仰鉸點與鋼絲繩吊點之間部分變形量為28.29mm，小于俯仰鉸點與鋼絲繩吊點間距離24645mm的1/600。

經(jīng)分析計算后得出的應(yīng)力結(jié)果如圖3、圖4所示?，F(xiàn)將應(yīng)力計算結(jié)果匯總為表1。由表1可以看出；此臺設(shè)備刮板臂架各工況的應(yīng)力均未超過許用應(yīng)力；最大應(yīng)力始終在張緊液壓缸支座處，且應(yīng)力大小基本不變，這是由于液壓缸的張緊力在各個工況是相同的；主截面的應(yīng)力值在水平工況下最大，但遠小于材料的許用應(yīng)力值。

表1 應(yīng)力計算結(jié)果匯總表

圖1 刮板臂架有限元分析模型

圖2 變形云圖

圖3 工況Ⅰ應(yīng)力云圖

圖4 工況Ⅱ應(yīng)力云圖

結(jié)語

由分析結(jié)果可看出，此臺頂堆側(cè)取式堆取料機的刮板臂架剛度及強度均滿足規(guī)范要求，且整體應(yīng)力值較小，可對其進行進一步的優(yōu)化，減輕設(shè)備的重量。同時，通過計算還可以精確的得出俯仰鉸點的支反力和鋼絲繩的拉力，為頂堆側(cè)取堆取料機其它部件的設(shè)計提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

[1]GB/T 3811-2008，起重機設(shè)計規(guī)范[S].

[2]JB/T 8849-2005，移動式散料連續(xù)搬運設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

TG31

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