“O”型不解列雙車翻車機(jī)轉(zhuǎn)子鋼結(jié)構(gòu)多工況有限元分析

曲太旭

(大連科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116052)

翻車機(jī)是一種大型、高效率的機(jī)械化卸車設(shè)備，用于翻卸鐵路敞車所裝載的煤礦石、糧食等散狀物料，廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、發(fā)電廠、港口等大中型企業(yè)。為了翻卸C80專用不解列鐵路敞車，對(duì)原有翻車機(jī)卸車系統(tǒng)進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)一種新型 “O”形不解列雙車翻車機(jī)。

1 “O”型不解列雙車翻車機(jī)

如圖1所示，“O”形不解列雙車翻車機(jī)主要由托輥裝置1、緩沖裝置2、壓車靠車裝置3、上纜裝置4、導(dǎo)料裝置5、配重裝置6、液壓系統(tǒng)7、傳動(dòng)裝置8等組成。

1—托輥裝置；2—緩沖裝置；3—壓車靠車裝置；4—上纜裝置；5—導(dǎo)料裝置；6—配重裝置；7—液壓系統(tǒng)；8—傳動(dòng)裝置

為了翻卸C80專用不解列鐵路敞車，“O”形不解列雙車翻車機(jī)的旋轉(zhuǎn)中心和鐵路敞車車鉤的旋轉(zhuǎn)中心在同一高度。根據(jù)鐵路機(jī)車車輛界限要求，設(shè)計(jì)端環(huán)直徑為9 m。翻車機(jī)采用垂直壓車結(jié)構(gòu)，具有不堆積物料的優(yōu)點(diǎn)。其采用液壓缸驅(qū)動(dòng)，夾緊力根據(jù)負(fù)載的變化，通過液壓系統(tǒng)和彈簧力相互作用進(jìn)行調(diào)整，減輕了對(duì)鐵路敞車的損害。傳動(dòng)裝置采用兩臺(tái)90 kW交流變頻電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，兩套傳動(dòng)裝置采用同步軸進(jìn)行連接，保證翻車機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的同步性。雙車翻車機(jī)在翻卸物料時(shí)現(xiàn)場(chǎng)工況復(fù)雜，負(fù)載時(shí)時(shí)變化，在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)存在很多問題。如：前后梁強(qiáng)度不夠，出現(xiàn)變形過大的問題；端環(huán)底出現(xiàn)焊接裂紋；“C”型雙車翻車機(jī)轉(zhuǎn)子鋼結(jié)構(gòu)整體斷裂；整機(jī)配重重心不合理，質(zhì)量大，驅(qū)動(dòng)力矩大。這些問題需要通過有限元計(jì)算解決。

2 轉(zhuǎn)子鋼結(jié)構(gòu)有限元仿真分析

2.1 仿真單元類型

轉(zhuǎn)子鋼結(jié)構(gòu)材料物理屬性：材料為Q345B；彈性模量E=206 GPa；泊松比μ=0.3；屈服極限σs=345 MPa；材料抗拉強(qiáng)度σb=630 MPa；密度ρ=7.85×103kg/m3。

轉(zhuǎn)子鋼結(jié)構(gòu)的端環(huán)、平臺(tái)、前梁、后梁都由鋼板焊接而成，為箱型結(jié)構(gòu)。根據(jù)結(jié)構(gòu)和受力特點(diǎn)，其所有單元都可以采用4節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)殼單元(shell63)。shell63殼單元在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上有6個(gè)自由度：繞節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系X,Y,Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，以及沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系X,Y,Z方向的平面移動(dòng)，既具備彎曲和膜力的特性，又能承受平面內(nèi)和法線方向荷載[1]。由于雙車翻車機(jī)具有對(duì)稱性，因此可取一半建立力學(xué)模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，力學(xué)模型簡圖如圖2所示。

圖2 力學(xué)模型簡圖

2.2 工況、載荷與邊界條件

雙車翻車機(jī)所受的載荷主要有:1)自重與配重；2)物料和車輛自重(C80型敞車)；3)液壓夾緊力；4)液壓系統(tǒng)自重。轉(zhuǎn)子鋼結(jié)構(gòu)在工作中所承受的載荷除自重由程序計(jì)算外,其他載荷(包括車體及物料產(chǎn)生的輪壓、液壓系統(tǒng)自重、靠車板支撐桿的作用力、夾緊鉤的重力及夾緊力、靠車板油缸作用力、走臺(tái)欄桿的重力和夾緊鉤導(dǎo)向套的重力)均按實(shí)際位置加到結(jié)構(gòu)上[2-4]。

翻車機(jī)工況復(fù)雜，本文選取4種最重要的工況進(jìn)行有限元分析。4種工況以端環(huán)工作位置來定義。工況1：傾角0°時(shí)，翻車機(jī)空載；工況2：傾角60°時(shí)，翻車機(jī)滿載100 t，壓車力6 t；工況3：傾角90°時(shí)，翻車機(jī)滿載100 t，壓車力8 t；工況4：傾角150°時(shí)，翻車機(jī)滿載100 t，壓車力8 t，凍車(煤沒有翻卸)[5]。轉(zhuǎn)子鋼結(jié)構(gòu)工況與載荷見表1。

雙車翻車機(jī)靠底座上的托輥組來支承,托輥處即為邊界。其邊界條件為:對(duì)稱面內(nèi)節(jié)點(diǎn)約束了繞X軸、Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和Z向移動(dòng)自由度；端環(huán)托輥處約束了徑向移動(dòng)自由度；在端環(huán)驅(qū)動(dòng)處約束了X方向、Y方向移動(dòng)自由度,平臺(tái)、前梁、后梁允許5 mm軸向變形。

表1 轉(zhuǎn)子鋼結(jié)構(gòu)工況與載荷

2.3 有限元計(jì)算結(jié)果與分析

用ANSYS有限元軟件對(duì)轉(zhuǎn)子鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖3～6所示。

轉(zhuǎn)子鋼結(jié)構(gòu)的材料主要是Q345B，σs=345 MPa，安全系數(shù)取值為1.33，許用應(yīng)力[σ]=259 MPa。

工況1：傾角0°時(shí)，雙車翻車機(jī)空載，無壓車力，轉(zhuǎn)子鋼結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力σmax=25.2 MPa，切應(yīng)力τmax=12.8 MPa，最大應(yīng)力發(fā)生在托輥支撐端環(huán)的立板處，板厚為16 mm。最大變形為2.02 mm，發(fā)生在平臺(tái)中部靠近垂直壓車部位的立板處。

工況2：傾角60°時(shí)，翻車機(jī)滿載100 t，壓車力6 t，σmax=103.0 MPa，τmax=53.5 MPa，最大應(yīng)力發(fā)生在靠板后梁側(cè)端環(huán)與托輥支撐的立板處，板厚為20 mm。最大變形為9.90 mm，發(fā)生在靠板側(cè)后梁中間與靠板相連接處。

圖3 30°轉(zhuǎn)子鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖 圖4 60°轉(zhuǎn)子鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖5 90°轉(zhuǎn)子鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖 圖6 150°轉(zhuǎn)子鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

工況3：傾角90°時(shí)，翻車機(jī)滿載100 t，壓車力8 t，σmax=73.0 MPa，τmax=36.8 MPa。最大應(yīng)力發(fā)生在靠板側(cè)后梁中間與靠板相連蓋板處，板厚為25 mm。最大變形為9.51 mm, 發(fā)生在靠板側(cè)后梁中間與靠板相連接處。

工況4：傾角150°時(shí)，翻車機(jī)滿載100 t，壓車力8 t，凍車，σmax=93.0 MPa，τmax=47.1 MPa。最大應(yīng)力發(fā)生在靠板側(cè)后梁托輥支撐與端環(huán)的立板處，板厚為20 mm。最大變形為5.3 mm，發(fā)生在靠板側(cè)后梁中間與靠板相連接處。

3 結(jié)論與現(xiàn)場(chǎng)使用情況

本文設(shè)計(jì)了一種新型的“O”型不解列雙車翻車機(jī) ，得到如下結(jié)論：

1)工況2傾角為60°時(shí)，雙車翻車機(jī)滿載100 t，壓車力6 t，應(yīng)力值與變形最大，工況最惡劣。原因是：翻車機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置處于加速階段，垂直壓車夾緊裝置處于壓緊狀態(tài)，液壓系統(tǒng)沒有卸荷，夾緊力最大，物料剛開始翻卸，自重大。

2)端環(huán)與托輥支撐處應(yīng)力值比較大，轉(zhuǎn)子鋼結(jié)構(gòu)所有的力都是通過此處傳遞給托輥，設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行加強(qiáng)。

3)后梁與靠板中間連接處變形最大。雙車翻車機(jī)在翻卸物料時(shí)，敞車與物料自重都要靠板支撐，壓車力作用在靠板上。后梁相當(dāng)于簡支梁，所以中間受力最大，變形最大，設(shè)計(jì)時(shí)需要加強(qiáng)。

4)雙車翻車機(jī)所有工況計(jì)算應(yīng)力值都小于材料Q345B許用應(yīng)力值，翻車機(jī)轉(zhuǎn)子鋼結(jié)構(gòu)安全。

該“O”型不解列雙車翻車機(jī)卸車系統(tǒng)2011年在鋼廠投入使用，已經(jīng)使用了8年，翻車效率高。雙車翻車機(jī)沒有出現(xiàn)任何問題，效果非常好，說明有限元計(jì)算結(jié)果真實(shí)可靠。