基于ANSYS的裝船機(jī)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

車路

(大連華銳重工集團(tuán)股份有限公司港口機(jī)械設(shè)計(jì)院，遼寧 大連116013）

0 引 言

裝船機(jī)是一種港口大型散料裝卸設(shè)備，其主要用于散料碼頭，將堆場(chǎng)中的散料（如鐵礦石、煤炭、糧食等）通過帶式輸送系統(tǒng)裝入船舶的連續(xù)轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械設(shè)備。裝船機(jī)作為主要的碼頭裝船設(shè)備，通常為連續(xù)工作，其特點(diǎn)為工作載荷較大、工作環(huán)境復(fù)雜、工作時(shí)間較長(zhǎng)，它的運(yùn)行狀態(tài)在一定程度上直接決定了該碼頭的物料輸送能力[1]。近幾年，因鐵礦石及煤炭散貨海運(yùn)量逐年增加，為了滿足轉(zhuǎn)運(yùn)散貨船舶的大型化發(fā)展需求，進(jìn)一步提高碼頭運(yùn)營效率，裝船機(jī)正在向大型化和高效化方向發(fā)展[2]。裝船機(jī)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)裝船作業(yè)，物料經(jīng)由帶式輸送機(jī)從料場(chǎng)運(yùn)送到裝船機(jī)尾車，再通過裝船機(jī)上轉(zhuǎn)載溜槽、臂架帶式輸送機(jī)送到臂架頭部，經(jīng)過拋料溜筒或拋料勺輸送到船艙中，從而完成整個(gè)裝船作業(yè)[3]。因裝船機(jī)設(shè)備在碼頭工作，長(zhǎng)期負(fù)載運(yùn)行，同時(shí)由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故對(duì)裝船機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算分析尤為重要，對(duì)保障港口碼頭企業(yè)正常運(yùn)行及安全生產(chǎn)具有重要意義。本文以大型裝船機(jī)金屬結(jié)構(gòu)為主要研究對(duì)象，進(jìn)行結(jié)構(gòu)載荷組合與強(qiáng)度計(jì)算研究，運(yùn)用有限元分析理論，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，確保設(shè)備在使用中安全可靠，以滿足裝船作業(yè)的需要。

1 裝船機(jī)的組成

裝船機(jī)主要由門架、臂架及臂架皮帶機(jī)、伸縮溜筒、尾車及過渡皮帶機(jī)、大車走行裝置、俯仰裝置、回轉(zhuǎn)裝置等組成[4]。裝船機(jī)主機(jī)的主要結(jié)構(gòu)包括大車行走、門架、回轉(zhuǎn)架、主梁、平衡臂、立柱、臂架、拉板等設(shè)備。裝船機(jī)的主要機(jī)構(gòu)包括大車行走機(jī)構(gòu)、臂架俯仰機(jī)構(gòu)、臂架回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。

2 裝船機(jī)基本載荷計(jì)算

裝船機(jī)在整個(gè)工作過程中主要承受自重載荷、物料載荷、殘余物料載荷、持久性動(dòng)態(tài)載荷、帶式輸送機(jī)張緊力引起的最大載荷、臂架前端完全受阻載荷、風(fēng)載荷等。

1) 自重載荷。自重載荷由機(jī)器固定質(zhì)量和活動(dòng)零部件的質(zhì)量（總是出現(xiàn)在運(yùn)行中）組成，同時(shí)包括壓載、保護(hù)涂層及永久安裝在機(jī)器上的輔助和備用部件質(zhì)量。

2) 傳送帶物料載荷F。計(jì)算公式為

式中：f為動(dòng)荷系數(shù)；Q為生產(chǎn)能力，t/h；l為傳送帶的長(zhǎng)度，m；Vb為傳送帶的速度，m/s。

3) 殘余物料載荷V。在輸送裝置上，殘余物料載荷按輸送機(jī)均勻分布的理論設(shè)計(jì)物料載荷F的10%來計(jì)算，計(jì)算公式為

式中，F(xiàn)為傳送帶物料載荷。

4) 持久性動(dòng)態(tài)載荷。持久性動(dòng)態(tài)載荷是由部件和機(jī)器總體運(yùn)動(dòng)的加速或減速引起的慣性力。持久性動(dòng)態(tài)載荷必須取為以下較大值：a.由于主驅(qū)動(dòng)裝置（如運(yùn)行、回轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)向）運(yùn)行（包括制動(dòng)）引起的載荷;b.通過將動(dòng)態(tài)效應(yīng)系數(shù)應(yīng)用到相關(guān)的結(jié)構(gòu)組件所計(jì)算的垂直和水平載荷。

5) 帶式輸送機(jī)張緊力引起的最大載荷。輸送機(jī)在活載荷下啟動(dòng)、停止或正常運(yùn)行期間發(fā)生的由于皮帶張緊力引起的最大載荷。

6) 臂架前端完全受阻載荷。臂架前端碰到船體，前端被架起，鋼絲繩完全松弛。在采用許用應(yīng)力設(shè)計(jì)方法的情況下，有關(guān)強(qiáng)度的安全系數(shù)不得小于1.1。

7) 滑槽堵塞載荷。考慮到物料從尾車到裝船機(jī)的落料點(diǎn)的堵料及溜筒堵料。被堵塞的溜槽、裝船機(jī)溜筒、料斗等內(nèi)的物料質(zhì)量的計(jì)算必須以物料松散狀態(tài)密度與以下容積總和的乘積為基準(zhǔn)：a.溜槽或料斗容積；b.考慮物料休止角的溜槽或料斗上任何可能出現(xiàn)的過載容積;c.考慮物料休止角的停留在次要結(jié)構(gòu)或表面上任何可能出現(xiàn)的溢出物料的容積。

8) 運(yùn)行偏斜載荷。對(duì)于軌道式機(jī)器，車輪與軌道接觸時(shí)的總運(yùn)行偏斜力必須是為偏斜運(yùn)行確定的偏斜反作用力加上為采用與質(zhì)心不一致的驅(qū)動(dòng)力前行確定的偏斜反作用力之和。

在驅(qū)動(dòng)力Hx與機(jī)器質(zhì)心不一致的情況下，由于前行運(yùn)動(dòng)引起的偏斜反作用力的計(jì)算必須假定在適當(dāng)?shù)那闆r下所有的Hyij均相等，并且假定能承受住與Md·Hx·lg等效的慣性力矩，如圖1所示。

圖1 由于前行引起的偏斜反作用力

式中：Md為動(dòng)力系數(shù)；lg為驅(qū)動(dòng)作用線距質(zhì)心的距離,m；a為軌距，m。

9) 風(fēng)載荷計(jì)算。結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)元件的設(shè)計(jì)風(fēng)壓，應(yīng)按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：q為正常作用于表面的設(shè)計(jì)風(fēng)壓，Pa；V為設(shè)計(jì)風(fēng)速，m/s。

3 裝船機(jī)載荷組合

1) 裝船機(jī)工作狀態(tài)。a.臂架水平，大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)靜止，皮帶機(jī)正常工作;b.臂架向下，各機(jī)構(gòu)均處于靜止，皮帶機(jī)停止工作，錨定狀態(tài)。

2) 工況組合。工況組合分為無風(fēng)工作工況、有風(fēng)工作工況及暴風(fēng)非工作工況。

無風(fēng)工作工況。此時(shí)臂架保持相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，大車移動(dòng)，帶式輸送機(jī)正常工作，由自重載荷、傳送帶物料載荷、殘余物料載荷、持久性動(dòng)態(tài)載荷、帶式輸送機(jī)張緊力引起的最大載荷、運(yùn)行偏斜載荷等形成的載荷組合。

有風(fēng)工作工況。此時(shí)臂架保持相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，大車移動(dòng)，帶式輸送機(jī)正常工作，由自重載荷、傳送帶物料載荷、殘余物料載荷、持久性動(dòng)態(tài)載荷、帶式輸送機(jī)張緊力引起的最大載荷、運(yùn)行偏斜載荷、風(fēng)載荷等形成的載荷組合。

暴風(fēng)非工作工況。此時(shí)各機(jī)構(gòu)均處于靜止，皮帶機(jī)停止工作，臂架及整機(jī)處于錨定狀態(tài)，由自重載荷、殘余物料載荷、風(fēng)載荷等形成的載荷組合。

4 ANSYS力學(xué)建模與分析

現(xiàn)以某裝船機(jī)的主要參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，額定裝船效率為12 000 t/h，軌距為14 m，臂架俯仰最大為15°、最小為-10°，臂架回轉(zhuǎn)角度為±40°。因該裝船機(jī)的各個(gè)結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)型式主要由工字鋼、箱型梁、管等桿件組成，故將裝船機(jī)模型按照各個(gè)結(jié)構(gòu)形式，采用ANSYS[5]不同的單元類型，分為臂架、立柱、平衡臂、主梁、回轉(zhuǎn)架、門架和大車行走等幾類建立模型，如此形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)模型，有限元模型如圖2所示。針對(duì)不同工況下的有限元模型進(jìn)行計(jì)算，可以計(jì)算其應(yīng)力、變形。

圖2 裝船機(jī)有限元模型圖

對(duì)所有工作工況進(jìn)行分析，各部件最大應(yīng)力如表1所示，均滿足要求；對(duì)非工作工況進(jìn)行分析，各部件最大應(yīng)力如表2所示，均滿足要求。

表1 工作工況中最大應(yīng)力

表2 非工作工況中最大應(yīng)力

5 結(jié) 論

本文對(duì)裝船機(jī)的基本載荷及工況進(jìn)行了討論，應(yīng)用ANSYS建立裝船機(jī)有限元模型，對(duì)裝船機(jī)各結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的力學(xué)分析，得出各結(jié)構(gòu)的應(yīng)力大小，從分析結(jié)果可以看出，其在非工作工況下，風(fēng)載荷對(duì)設(shè)備造成較大的影響，在設(shè)計(jì)中對(duì)強(qiáng)度薄弱部位應(yīng)進(jìn)行加強(qiáng)。實(shí)踐證明，利用有限元軟件對(duì)裝船機(jī)等結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜、組成部件大型化的港口機(jī)械進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析是一種可靠的計(jì)算方法。