斗輪取料機(jī)臂架鉸點(diǎn)座開裂分析及改進(jìn)措施

尹德輝

（河北港口集團(tuán)港口機(jī)械有限公司，河北秦皇島 066002）

0 引言

斗輪取料機(jī)是現(xiàn)代化工業(yè)大宗散狀物料連續(xù)裝卸的高效設(shè)備，廣泛應(yīng)用于港口、碼頭、冶金、水泥、發(fā)電廠等散料存儲料場的取料作業(yè)。它利用斗輪連續(xù)取料，通過機(jī)上的帶式輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)連續(xù)送料，可與帶式輸送機(jī)、裝船機(jī)等組成儲料場運(yùn)輸機(jī)械化系統(tǒng)，生產(chǎn)能力每小時(shí)可達(dá)近萬噸。斗輪堆取料機(jī)的作業(yè)有很強(qiáng)的規(guī)律性，易實(shí)現(xiàn)自動化，控制方式有手動、半自動和自動等。

1 問題

秦皇島港股份公司第九分公司13號斗輪取料機(jī)于2006年正式投產(chǎn)使用（圖1）。前期設(shè)備點(diǎn)檢時(shí)發(fā)現(xiàn)臂架鉸點(diǎn)座與加固座結(jié)構(gòu)部件焊縫出現(xiàn)裂紋，對該處裂紋進(jìn)行過2次修復(fù)，但依然出現(xiàn)裂紋，為保證設(shè)備使用安全，按照GB 6067.1—2010的要求，必須修復(fù)后才能繼續(xù)使用。

圖1 斗輪取料機(jī)整機(jī)圖

2 原因分析

分析取料機(jī)取料時(shí)的動載荷可知，載荷通過臂架傳遞給臂架鉸點(diǎn)座，支座鋼結(jié)構(gòu)承受較大的交變應(yīng)力，致使鋼結(jié)構(gòu)焊縫疲勞產(chǎn)生裂紋。由于焊縫處已經(jīng)返修過2次，Q345鋼在補(bǔ)焊冷卻過程中，熱影響區(qū)易形成淬火馬氏體組織，使近縫區(qū)的硬度提高，塑性下降。同時(shí)原焊縫中偏析嚴(yán)重部位處于補(bǔ)焊時(shí)的熔合區(qū)或過熱區(qū)，受熱循環(huán)和交變應(yīng)力的共同作用而產(chǎn)生裂紋。鉸點(diǎn)座部分母板焊縫附近受到多次焊接熱影響導(dǎo)致機(jī)械性能、焊接接頭質(zhì)量大幅下降，按照焊縫同一部位的返修次數(shù)不得超過2次的原則，建議更換鉸點(diǎn)支座部分母板、同時(shí)改變加固座結(jié)構(gòu)。

2.1 絞點(diǎn)座受力分析

整個(gè)取料機(jī)可以看做是以絞點(diǎn)座為旋轉(zhuǎn)軸的平衡系統(tǒng)，取料機(jī)處于力矩平衡狀態(tài)，即：動力臂長×動力=阻力臂長×阻力。

如圖2取料機(jī)受力情況所示，F(xiàn)y與 G1，G2達(dá)到力矩平衡狀態(tài)，F(xiàn)x為絞點(diǎn)座的受力情況。由式（1）可計(jì)算出配重對懸臂梁拉力 F=1880 kN，計(jì)算得 出 Fx=F ×cosθ=1015.2 kN。

圖2 斗輪取料機(jī)受力示意

式中 G1—— —斗輪重力（350 kN）

G2—— —懸臂梁重力（600 kN）

L1——懸臂梁中點(diǎn)與絞點(diǎn)座的垂直距離（26 m）

L2——力F與絞點(diǎn)座的垂直距離（18 m）

F——配重對懸臂梁拉力，kN

2.2 故障分析

測量絞點(diǎn)座裂紋處局部尺寸數(shù)據(jù)，并建立數(shù)學(xué)模型（圖3），對結(jié)構(gòu)加載1015.2 kN壓力，進(jìn)行應(yīng)力分析（圖4）。圖4中標(biāo)示部位為應(yīng)力危險(xiǎn)點(diǎn)，應(yīng)力分析云圖顯示模型最大應(yīng)力位置與發(fā)生裂紋位置基本吻合。分析裂紋產(chǎn)生原因是設(shè)計(jì)應(yīng)力較大，取料機(jī)絞點(diǎn)座在長期高應(yīng)力狀態(tài)下使用運(yùn)行，結(jié)構(gòu)內(nèi)部微小裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致的疲勞破壞。

3 改進(jìn)措施

由于原絞點(diǎn)座結(jié)構(gòu)在較大的交變應(yīng)力下，容易出現(xiàn)疲勞裂紋，將絞點(diǎn)座結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)見圖5。使用Pro-E在取料機(jī)絞點(diǎn)座建立三維建型（圖6），在極限載荷下，對絞點(diǎn)座進(jìn)行有限元模擬仿真，分析結(jié)果見圖7。經(jīng)Pro-E有限元分析驗(yàn)證，未發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)點(diǎn)，絞點(diǎn)座強(qiáng)度符合要求。

4 改進(jìn)技術(shù)關(guān)鍵

取料機(jī)臂架重量很大，靠平衡系統(tǒng)連接，變形后鉸點(diǎn)結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，恢復(fù)變形，還要回到原始的安裝位置保證兩側(cè)鉸點(diǎn)的同軸度，精度要求高，技術(shù)難度大。

圖3 改進(jìn)前鉸點(diǎn)座三維圖

圖4 改進(jìn)前鉸點(diǎn)座局部應(yīng)力分析圖

圖5 改進(jìn)后的鉸點(diǎn)座

（1）為消除鉸點(diǎn)處結(jié)構(gòu)受力，臂架和配重做支架支撐。設(shè)計(jì)制作配重支架，并利用固定修理架支撐臂架。

（2）為解決設(shè)計(jì)強(qiáng)度問題對結(jié)構(gòu)鋼板做加厚處理，特別是對接腹板改成折彎腹板結(jié)構(gòu)，使腹板穿透蓋板與上、下連接腹板焊接，使應(yīng)力集中的腹板與蓋板交匯處保證腹板的連續(xù)性，避免從連接處撕裂。

（3）使用Pro-E建立取料機(jī)絞點(diǎn)座三維建型，在極限載荷下，對絞點(diǎn)座進(jìn)行有限元模擬仿真。通過模擬數(shù)據(jù)結(jié)果，分析絞點(diǎn)座結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是否能夠滿足要求，為取料機(jī)絞點(diǎn)座加固設(shè)計(jì)提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。

圖6 改進(jìn)后鉸點(diǎn)座三維圖

圖7 改進(jìn)后鉸點(diǎn)座局部應(yīng)力分析圖

5 結(jié)語

斗輪取料機(jī)屬于特種設(shè)備，重量大，臂架鉸點(diǎn)座受力復(fù)雜，直接影響著整機(jī)工作時(shí)的穩(wěn)定性和安全性，用Pro-E對改進(jìn)前后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，解決了開裂問題，為取料機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行提供了技術(shù)保障。

［1］GB 6067.1—2010，起重機(jī)械安全規(guī)程［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

［2］GB 14784—2013，帶式輸送機(jī)安全規(guī)范［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.