斗輪取料機的有限元分析與優(yōu)化

付玉婷 穆廣金

摘? 要：本文是根據(jù)某項目設(shè)計的3 000 t/h的斗輪取料機為研究對象，使用有限元分析軟件ansys對整機建模并進行有限元分析與計算，為優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：斗輪取料機;有限元;優(yōu)化設(shè)計

0 前 言

斗輪取料機是一種用于對散料進行挖取搬運的連續(xù)式大型機械設(shè)備。由于其工作動作靈活、作業(yè)范圍廣、效率高，并且對場地要求低，被廣泛用于港口碼頭、礦山、電廠等散料儲運場地。

大型設(shè)備的安全性至關(guān)重要。因此，我們對斗輪機設(shè)計時進行計算分析，模擬其實際工作狀態(tài)，在滿足工作要求的前提下，對危險的設(shè)計進行改進，避免工作時發(fā)生事故。

1 斗輪取料機介紹

斗輪取料機主要由斗輪機構(gòu)、門架結(jié)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、俯仰機構(gòu)、上部鋼結(jié)構(gòu)、行走機構(gòu)、司機操作室、電氣房等組成。上部鋼結(jié)構(gòu)又包含臂架、塔架、拉桿和配重等結(jié)構(gòu)。圖1是斗輪取料機的結(jié)構(gòu)總圖。跟斗輪堆取料機相比，它沒有尾車，不能進行堆料作業(yè)，只有斗輪取料功能。取料作業(yè)時，臂架繞回轉(zhuǎn)中心作往復回轉(zhuǎn)運動，同時斗輪轉(zhuǎn)動挖取物料，靠自重使物料卸到向機器回轉(zhuǎn)中心方向運動的臂架皮帶機上，臂架每完成一次回轉(zhuǎn)動作，主機前進一個吃料厚度，之后，臂架反向回轉(zhuǎn)進行下一次取料[1]。

2 載荷計算

2.1 許用應力

由于整機結(jié)構(gòu)主要采用Q345B的鋼板，根據(jù)規(guī)范[2]，不同工況對應的許用應力見表2。

2.2 載荷分析計算

斗輪取料機的前臂架位置主要考慮前臂架水平（0°）、前臂架上仰至上限位（17.5°）及前臂架下俯至下限位（-12°）3種狀態(tài)?？紤]3種不同的基本載荷情況[3]：

（1）無風工作時工況LCI;

（2）工作風工作加工況LCII;

（3）受到特殊載荷作用的工作情況或非工作情況LCIII。主要包含有碰撞載荷工況LCIII-1和暴風工況LCIII-2。

這幾種工況下的載荷組合見表3。

3 有限元分析與優(yōu)化

3.1 有限元模型

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，本次模型采用四種單元類型來完成建模。分別為beam44、mass21、link8、pipe16。其中，beam44單元為兩節(jié)點六自由度梁單元，用于模擬變截面的梁。通過釋放節(jié)點自由度，模擬結(jié)構(gòu)中的鉸接情況;mass21是質(zhì)量單元，用于模擬集中質(zhì)量;link8為兩節(jié)點三自由度桁架單元，用于模擬兩端均為鉸接的構(gòu)件，pipe16是管單元，用來模擬圓管構(gòu)件。圖2至圖4分別是臂架俯仰0°、-12°、17.5°時，取料機的有限元模型。

3.2 約束與加載

工作工況時，對四個門腿進行約束，圖5是門腿的示意圖，約束情況見表5。0表示該方向自由度被約束。

暴風情況下還需要對錨定位沿著大車軌道的方向進行位移約束。根據(jù)約束條件按照不同工況分別對模型進行加載。

3.3 強度分析

圖6是臂架俯仰角度0度，LCI工況應力云圖?？梢钥闯鲎畲髴χ禐?17.864 MPa，已經(jīng)接近許用值，而最大應力值出現(xiàn)的位置是撐桿上部連接俯仰鋼絲繩處，考慮到積料等不穩(wěn)定因素，最大應力還會增大，此處需要進行優(yōu)化設(shè)計。

3.4 優(yōu)化分析

應力最大處是箱梁結(jié)構(gòu)，考慮增大橫截面積或者增加板厚等來改善受力情況。本次結(jié)合實際情況，選擇了增加腹板和翼板的板厚，從圖7可以看出，最大應力值為178.52 MPa，受力情況明顯改善。

表6列出了優(yōu)化后不同工況下臂架分別俯仰0°、-12°和17.5°時，各部件的最大應力結(jié)果。

4 總 結(jié)

從表6中可以看出，同一工況下，臂架俯仰角度不同，受力情況會有變化，大多數(shù)部件在臂架下俯到最大角度12°時的受力情況比俯仰0°和17.5°的大，而臂架在水平時受力最大;不同工況下，受力情況也有差異。根據(jù)表2給出的許用應力，整體受力情況滿足許用值，達到了設(shè)計優(yōu)化要求。

參考文獻

[1] 代向歌.斗輪堆取料機回轉(zhuǎn)平臺的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[D].中南大學. 2012.

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[3] 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].

[4] 劉錦程，李世亮，楊智.直升機與海上救助[J].世界海運，2001，（4）：15-16.

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