單臂堆料機(jī)堆料臂鋼結(jié)構(gòu)有限元分析★

楊 佐

（1.礦山采掘裝備及智能制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030024； 2.太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西 太原 030024）

引言

在露天礦開采中，廢石剝離量大、排土場距離遠(yuǎn)的礦山，廢石運(yùn)輸成本占生產(chǎn)成本比重很大。露天礦開采初期廢石的運(yùn)輸多采用汽車運(yùn)輸就近排土的原則， 但隨著露天采場的不斷延伸降段，露天采場周邊可利用的排土場地已被廢石堆滿，廢石需要被運(yùn)輸?shù)骄嚯x遠(yuǎn)、容積大的排土場堆存。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，汽車運(yùn)輸?shù)暮侠磉\(yùn)距不宜超過，超過合理運(yùn)距后，運(yùn)輸成本將顯著增加。因此，廢石破碎- 膠帶運(yùn)輸- 排土機(jī)排土系統(tǒng)作為一種多機(jī)械、連續(xù)排土工藝在大型露天礦山已得到廣泛應(yīng)用[1]，但在某些露天礦山的建設(shè)初期，排土機(jī)受排土場地的限制不具備使用條件，依然需要大量的汽車來運(yùn)輸廢石；當(dāng)排土機(jī)需要移設(shè)整個露天礦剝離系統(tǒng)又沒有可以替代的排土機(jī)排土系統(tǒng)時，也需要大量的汽車來運(yùn)輸廢石。采用“廢石破碎- 膠帶運(yùn)輸- 排土機(jī)”與“廢石破碎- 膠帶運(yùn)輸- 單臂堆料機(jī)- 汽車”聯(lián)合堆排工藝可以降低汽車運(yùn)輸工作量，充分發(fā)揮膠帶機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)節(jié)能高效的優(yōu)越性。

太原重工股份有限公司開發(fā)的某型單臂堆料機(jī)由行走裝置、底架梁、回轉(zhuǎn)平臺、堆料臂、潤滑系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等組成，如圖1。其中，堆料臂包含堆料臂鋼結(jié)構(gòu)、堆料臂帶式輸送機(jī)組件、受料槽、走臺等。堆料臂鋼結(jié)構(gòu)采用桁架焊接結(jié)構(gòu)，由多段焊接而成，承載帶式輸送機(jī)組件，因此結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度影響到整機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性，進(jìn)行有限元分析具有很大的工程意義。

1 模型概況

圖1 單臂堆料機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)堆料臂鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際形狀，通過UG NX 軟件中的NX Nastran 建立有限元模型，NX Nastran 源于有限元軟件MSC.Nastran[2]。對堆料臂鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析時，結(jié)構(gòu)中的主梁采用二維殼單元劃分，其余斜桿采用一維梁單元進(jìn)行劃分。劃分后的堆料臂鋼結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2。

圖2 堆料臂鋼結(jié)構(gòu)的有限元模型

該模型單元尺寸約為50mm，單元總數(shù)為471 332。有限元模型中的坐標(biāo)系根據(jù)后續(xù)分析需求所建立。模型所用材料的力學(xué)性能如表1 所示。

表1 模型材料力學(xué)性能表

如下頁圖3，根據(jù)堆料臂左側(cè)支撐位置不同，分為三種載荷工況：工況1，車輪支撐位于導(dǎo)軌的跨中位置；工況2，車輪支撐位于導(dǎo)軌前極限位置；工況3，車輪支撐位于導(dǎo)軌后極限位置。

2 邊界條件

堆料臂鋼結(jié)構(gòu)主要承受自重、托輥重量、輸送帶重量、物料重量等，這些靜載荷作為外力施加在鋼結(jié)構(gòu)相應(yīng)的作用位置上。堆料臂鋼結(jié)構(gòu)與回轉(zhuǎn)平臺采用銷軸連接，在回轉(zhuǎn)平臺處施加固定約束；在堆料臂鋼結(jié)構(gòu)的車輪支撐處施加Z 向簡支約束。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 工況1 計(jì)算結(jié)果

圖3 載荷工況示意圖

堆料臂鋼結(jié)構(gòu)工況1 的Z 向有限元位移云圖如圖4 所示，工況1 的最大應(yīng)力及局部有限元應(yīng)力云圖如圖5 所示。

3.2 工況2 計(jì)算結(jié)果

圖4 工況1 的Z 向位移云圖

圖5 工況1 的最大應(yīng)力及局部應(yīng)力分布云圖

堆料臂鋼結(jié)構(gòu)工況2 的Z 向有限元位移云圖如圖6 所示，工況2 的最大應(yīng)力及局部有限元應(yīng)力云圖如圖7 所示。

圖6 工況2 的Z 向位移云圖

3.3 工況3 計(jì)算結(jié)果

堆料臂鋼結(jié)構(gòu)工況3 的Z 向有限元位移云圖如圖8 所示，工況3 的最大應(yīng)力及局部有限元應(yīng)力云圖如圖9 所示。

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

上述云圖中，不同的顏色表示不同的位移或應(yīng)力，值與圖中左側(cè)的標(biāo)尺上數(shù)字相對應(yīng)。其中，VON-MISES等效應(yīng)力σcf是按第四強(qiáng)度理論確定的[3]：

圖7 工況2 的最大應(yīng)力及局部應(yīng)力分布云圖

圖8 工況3 的Z 向位移云圖

圖9 工況3 的最大應(yīng)力及局部應(yīng)力分布云圖

式中：σ1、σ2、σ3為主應(yīng)力，且有σ1＞σ2＞σ3。

三種工況下的堆料臂鋼結(jié)構(gòu)有限元靜力計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?。

表2 堆料臂鋼結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算結(jié)果

參照GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》，由額定起升載荷與自重載荷產(chǎn)生的垂直靜撓度f 與有效懸臂長度L 的關(guān)系為：

式中：L 為鉸接中心到堆料臂鋼結(jié)構(gòu)最右端的距離；[fz]為有效懸臂端許用垂直靜撓度。

依據(jù)JB/T 8849—2005《移動式散料連續(xù)搬運(yùn)設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》以及工程經(jīng)驗(yàn)，選擇結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)為1.7，即材料的許用應(yīng)力[σ]為：

式中：σs為材料的屈服強(qiáng)度。

通過有限元計(jì)算結(jié)果與上述分析可知：

1）三種工況下的結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度均滿足要求。

2）堆料臂鋼結(jié)構(gòu)懸臂端的結(jié)構(gòu)靜剛度符合要求。

3）通過對三種工況的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，可以看出：在工況2 下，堆料臂鋼結(jié)構(gòu)的最大位移相對較??；在工況3 下，堆料臂鋼結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力相對較??；三種工況下，最大位移均位于堆料臂鋼結(jié)構(gòu)右端區(qū)域，最大應(yīng)力均位于堆料臂鋼結(jié)構(gòu)筋板附近。

4 結(jié)語

本文通過建立有限元模型，按三種不同工況施加載荷，進(jìn)行靜強(qiáng)度和靜撓度校核。有限元靜力分析結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)滿足不同工況要求，為開發(fā)大運(yùn)量單臂堆料機(jī)提供了理論依據(jù)。