裝填設(shè)備載荷影響因素分析及動(dòng)力學(xué)仿真

屈雪蕊

【摘? 要】傳統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中，裝填產(chǎn)品和裝填設(shè)備中形成了平衡內(nèi)力體系，其載荷與規(guī)模較小，運(yùn)行時(shí)載荷影響不夠明顯。在裝填設(shè)備規(guī)模以及載荷持續(xù)擴(kuò)大的過程中，裝填過程中載荷開始顯著影響設(shè)備穩(wěn)定性，所以，應(yīng)該分析裝填設(shè)備中載荷的影響因素。論文結(jié)合某裝填設(shè)備在啟動(dòng)瞬間形成的意外躥動(dòng)問題，對裝填設(shè)備運(yùn)行過程，特別在啟動(dòng)瞬間過程中的載荷因素進(jìn)行分析，對啟動(dòng)瞬間的慣性力來源進(jìn)行全面揭示，構(gòu)建裝填設(shè)備平衡模型，為強(qiáng)化裝填設(shè)備穩(wěn)定性提供參考。

【Abstract】In the traditional design work， a balanced internal force system has been formed in the loading products and the loading equipment， whose load and scale are small， and the impact of the load in operation is not obvious. As the scale of the loading equipment and the load continue to expand， the load begins to significantly affect the stability of the equipment during the loading process. Therefore， the influencing factors of the load in the loading equipment should be analyzed. Combined with the unexpected jump problem of a loading equipment formed at the start moment， the paper analyzes the load factors during the operation of the loading equipment， especially during the start moment process， comprehensively reveals the source of inertia force at the start moment， and builds the balance model of the loading equipment to provide reference for strengthening the stability of the loading equipment.

【關(guān)鍵詞】裝填設(shè)備;載荷影響因素;動(dòng)力學(xué)仿真

【Keywords】loading equipment; influencing factors of the load; dynamic simulation

【中圖分類號】TP391.9;TH122? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）10-0176-03

1 引言

對于裝填設(shè)備而言，主要是向儲(chǔ)藏裝置中推送水平放置的貨物，裝填設(shè)備一般是由支撐車架以及施力機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。施力機(jī)構(gòu)主要是把支撐車架上的貨物向儲(chǔ)藏裝置中進(jìn)行推送，即裝填。施力機(jī)構(gòu)從儲(chǔ)藏裝置中拉出貨物的過程，即退出。

在填裝和退出等環(huán)節(jié)，不同設(shè)備之間存在正壓力與摩擦系數(shù)，材料是摩擦系數(shù)的主要影響因素，正壓力和裝填設(shè)備、儲(chǔ)藏裝置實(shí)際對中精度存在緊密關(guān)聯(lián)。

裝填產(chǎn)品借助包裹外圓面中4道彈性滑動(dòng)支撐在貯存裝置、裝填裝置內(nèi)圓面中滑動(dòng)完成裝填以及退出等操作?；瑒?dòng)支撐的外摩擦表面是聚四氟乙烯，裝填設(shè)備內(nèi)表面是打磨鋼板，對于貯存裝置，內(nèi)表面主要為玻璃布。

2 裝填設(shè)備躥動(dòng)問題分析

在某裝填設(shè)備開展產(chǎn)品退出工作時(shí)，發(fā)生了啟動(dòng)瞬間，裝填設(shè)備意外躥動(dòng)的問題，另一套裝填設(shè)備進(jìn)行裝填以及退出的啟動(dòng)瞬間也時(shí)而出現(xiàn)顫動(dòng)問題，因?yàn)檠b填產(chǎn)品、裝填設(shè)備尺寸等方面具有較大規(guī)模，可以達(dá)到數(shù)十噸以上，長度在數(shù)十米，此種顫動(dòng)與躥動(dòng)問題嚴(yán)重影響設(shè)備安全性，所以，應(yīng)該認(rèn)真分析裝填設(shè)備運(yùn)行過程的荷載影響因素，進(jìn)而防止發(fā)生顫動(dòng)與躥動(dòng)問題[1]。

發(fā)生躥動(dòng)問題時(shí)，通過觀察裝填設(shè)備，發(fā)現(xiàn)其呈現(xiàn)出如下工作狀態(tài)：

為促使裝填設(shè)備中主體結(jié)構(gòu)的撓度變形問題進(jìn)行充分抵消，保證填裝產(chǎn)品和推進(jìn)裝置之間能夠順利連接，裝填設(shè)備后排支腿頂起，鎖緊行走輪的止動(dòng)裝置。

在退出工作中，最后的彈性滑動(dòng)支撐退出長度達(dá)到自身長度1/2后，結(jié)束運(yùn)行。之后針對退出進(jìn)程展開重啟處理，裝填設(shè)備促使裝填產(chǎn)品持續(xù)由左側(cè)退出，而瞬間裝填設(shè)備朝著右側(cè)活動(dòng)，另外，支腿朝著右側(cè)傾斜。出現(xiàn)問題之后，立即進(jìn)行停機(jī)斷電動(dòng)作，對退出工作進(jìn)行中止處理，然而裝填設(shè)備繼續(xù)朝著右側(cè)滑移660mm左右，支腿盤朝著同方向滑移440mm左右。

及時(shí)開展行走輪檢查工作，在此期間發(fā)現(xiàn)止動(dòng)設(shè)備已經(jīng)發(fā)出緊鎖動(dòng)作，但是行走輪（帶有止動(dòng)設(shè)備）和止動(dòng)設(shè)備表面出現(xiàn)摩擦問題，最終導(dǎo)致行走輪滾動(dòng)。

借助千斤頂（2個(gè)）將主體結(jié)構(gòu)撐起，對支腿展開重新支撐處理，即止推盤不再觸地，未施加其他力進(jìn)行頂升處理，再次啟動(dòng)退出程序，開始正常工作，退出任務(wù)完成。

3 荷載關(guān)系分析

結(jié)合上述現(xiàn)象能夠發(fā)現(xiàn)，退出啟動(dòng)的瞬間，肯定產(chǎn)生擾動(dòng)力使得填裝設(shè)備朝著右側(cè)滑移，對行走阻力進(jìn)行有效克服，使得裝填設(shè)備朝著右側(cè)躥動(dòng)。將該填裝設(shè)備作為研究的對象，構(gòu)建產(chǎn)品退出力學(xué)關(guān)系的模型，如圖1所示。

如果填裝設(shè)備發(fā)生移動(dòng)，其主要受到以下外力：G1（產(chǎn)品重力）、G2（自身重力）、f1（行走輪與地面之間的摩擦力）、P（摩擦力）、F（填裝產(chǎn)品和填裝設(shè)備之間的拉力）、N1（地面和行走輪之間的支撐力）、N2（地面和支腿之間的支撐力）。主要受到以下內(nèi)力：f2（止動(dòng)設(shè)備以及行走輪的實(shí)際止動(dòng)摩擦力）以及行走輪阻力等，在軌道坡度形成的外力方面，可以進(jìn)行忽略處理。裝填設(shè)備中符號定義與參數(shù)如表1所示。

3.1 支腿荷載的影響分析

在整體受力方面，支腿支撐的影響程度也比較大，結(jié)合裝填設(shè)備運(yùn)行流程，在將裝填設(shè)備運(yùn)行范圍內(nèi)落放裝填產(chǎn)品前，為了對裝填設(shè)備后排撓度進(jìn)行有效抵消，應(yīng)該提前頂升后排雙支腿，因?yàn)樵撛O(shè)備支腿上下都是鉸接形式，并且直腿的長度在2m左右。所以，頂升支腿過程中，支腿存在傾斜隱患，基于此會(huì)導(dǎo)致水平分力問題，開展計(jì)算工作，基于支腿垂直支撐力達(dá)到30kN情況下，如果支腿傾斜-3°～3°，那么相應(yīng)水平分力就是：Q=-3059～3059N，方向會(huì)和？駐P（慣性力）的方向相同，還會(huì)和f0的方向相同。對于水平分力，會(huì)影響裝填設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性。

3.2 行走阻力的影響分析

因?yàn)橹壬舷轮饕x擇鉸接形式，所以地面以及支腿之間產(chǎn)生的正壓力無法轉(zhuǎn)變成為裝填設(shè)備的工作阻力，支腿以及行走輪均進(jìn)行承載，因此應(yīng)該科學(xué)分析二者承載分配情況，見下式：

科學(xué)分析支腿的具體特點(diǎn)，結(jié)合裝填設(shè)備具體空載要求，對于后排支腿，進(jìn)行向上頂緊過程中，能夠充分消除裝填設(shè)備中尾端撓度，結(jié)合手輪實(shí)際搖動(dòng)力科學(xué)開展折算工作，支腿支撐力數(shù)值基本上在30N左右，在其他支腿觸地之后會(huì)停止運(yùn)行。產(chǎn)品放到裝填設(shè)備后，所有支腿的承載力都有所提高，根據(jù)有限元分析情況，科學(xué)提取所有支腿實(shí)際反力情況，基于設(shè)備滿載狀況，支腿（8條）支撐力在270kN左右;在裝填全部運(yùn)輸?shù)劫A藏系統(tǒng)時(shí)，可以判定支腿受力就是裝填系統(tǒng)空載狀態(tài)。對于后排支腿來講，承載是60kN，就是開展裝填活動(dòng)時(shí)，則：N2=58860～264870N

相應(yīng)為：N1=8.05×105～1.01×106N

f1=0.0072N1=5797～7273N

f0=f1+f2=8314～13573N

可以認(rèn)為，隨著產(chǎn)品在裝填設(shè)備中的位置，行走阻力由左至右呈現(xiàn)遞增趨勢。

3.3 擾動(dòng)力的影響分析

基于勻速運(yùn)行狀態(tài)下，F(xiàn)=P2，f1=f2=0，然而啟動(dòng)瞬間，產(chǎn)品會(huì)形成慣性力，相應(yīng)反作用力向裝填設(shè)備進(jìn)行作用，如果該數(shù)值比f0大，那么裝填設(shè)備會(huì)出現(xiàn)躥動(dòng)。因此，需要對慣性力數(shù)值情況、來源等信息展開分析處理[2]。

①分析驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)特性，涵蓋聯(lián)軸器、減速器以及電機(jī)等部件，運(yùn)行速度最大值是1m/min，電機(jī)啟動(dòng)到運(yùn)行速度最大值時(shí)需要3s時(shí)間，啟動(dòng)電機(jī)時(shí)，會(huì)形成啟動(dòng)慣性力，即：

相比于f0，該值存在較大差異，該力并不是造成裝填設(shè)備出現(xiàn)躥動(dòng)的關(guān)鍵因素。

②分析傳動(dòng)系統(tǒng)情況，在本文的裝填設(shè)備中，傳統(tǒng)裝置主要通過大跨距傳動(dòng)鏈將驅(qū)動(dòng)力傳輸?shù)酵七M(jìn)設(shè)備中，該設(shè)備為結(jié)構(gòu)件，借助相關(guān)測試顯示，由啟動(dòng)電機(jī)至鏈條張緊，同時(shí)可以拉動(dòng)產(chǎn)品時(shí)，需要4～12s的時(shí)間，比啟動(dòng)電機(jī)的時(shí)間（3s）大，因此，傳動(dòng)系統(tǒng)能夠緩沖電機(jī)加速過程，同時(shí)不會(huì)將慣性力傳遞給推進(jìn)設(shè)備以及產(chǎn)品。

主體選擇裝填產(chǎn)品展開分析，主要受到摩擦力、F以及G1，在進(jìn)行具體工作前，和裝填系統(tǒng)的摩擦力以靜摩擦為主，則在工作的瞬間能夠形成摩擦力，基于2種摩擦力的轉(zhuǎn)變瞬間，并未使鏈條的張緊度出現(xiàn)變化，即推進(jìn)系統(tǒng)以及產(chǎn)品的互相作用力固定不變，則反作用力同樣固定不變，因此，啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)品主要手動(dòng)靜摩擦力和動(dòng)摩擦力之間合理作用，促使裝填產(chǎn)品形成加速度，合力的反作用力就是貨物運(yùn)動(dòng)瞬間裝填設(shè)備的慣性力。

對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行反復(fù)提取，對啟動(dòng)運(yùn)行0～40s的時(shí)間段電機(jī)扭矩進(jìn)行裝填力折算。通過繪制相應(yīng)數(shù)據(jù)折線圖能夠發(fā)現(xiàn)，各個(gè)折線都含有顯著最高點(diǎn)，在此點(diǎn)之前是鏈條的張緊環(huán)節(jié)，電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值，然而裝填貨物沒有出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)跡象，在此點(diǎn)之后進(jìn)入正常運(yùn)行階段，該點(diǎn)就是靜摩擦和動(dòng)摩擦之間的突變點(diǎn)。裝填環(huán)節(jié)中，鏈條拉緊的時(shí)間在10s左右，退出環(huán)節(jié)拉緊時(shí)間在5s左右。

借助靜摩擦和動(dòng)摩擦的因數(shù)差？駐？滋=？滋1+？滋2表示摩擦力，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，能夠發(fā)現(xiàn)，裝填設(shè)備和彈性滑動(dòng)摩擦的動(dòng)靜摩擦因素為：？駐？滋=0.01～0.03。該值能夠?yàn)楹奢d影響分析提供良好依據(jù)。

基于？駐？滋=0.01～0.03條件，慣性力？駐P=P1-P2=？駐？滋G1=5650～16950N。與f0=f1+f2=8314～13573N進(jìn)行對比，能夠發(fā)現(xiàn)二者區(qū)間存在重疊現(xiàn)象?；?？駐P

4 動(dòng)力學(xué)模型

摩擦材料會(huì)影響？駐？滋，含有相應(yīng)變動(dòng)范圍，在各個(gè)裝置設(shè)備中均屬于已知量，在任一裝填設(shè)備中G1是已知量，能夠借助有限元計(jì)算對N1與N2進(jìn)行提取，同時(shí)可以借助手搖力進(jìn)行估算，進(jìn)而對裝填設(shè)備平衡情況進(jìn)行判定。

要想從根本角度對裝填設(shè)備躥動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行有效消除，可以將紙輪器設(shè)置于行走輪下方，避免其出現(xiàn)滾動(dòng)行走隱患，因?yàn)榈孛孳壍篮托凶咻喼g滑動(dòng)摩擦力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于滾動(dòng)摩擦的阻力系數(shù)，所以基于慣性力作用，能夠保持穩(wěn)定的平衡狀態(tài)[4]。

開展裝填作業(yè)活動(dòng)時(shí)，貨物和圓筒中心之間橫向偏差達(dá)到0.3mm情況下，實(shí)際狀態(tài)與仿真載荷選線和裝填距離關(guān)系如圖2所示。

通過圖2與表2能夠發(fā)現(xiàn)，實(shí)際荷載高出理論值10%左右，主要原因在于，進(jìn)行仿真模擬過程中，并未對結(jié)構(gòu)變形以及其他因素進(jìn)行充分考慮。

5 結(jié)語

在裝填設(shè)備不斷朝著重載化與大型化發(fā)展的過程中，在裝填作業(yè)實(shí)踐中，外部載荷與內(nèi)部載荷影響，特別在啟動(dòng)瞬間載荷方面，對于裝載設(shè)備的影響程度日益增加，還會(huì)對裝載設(shè)備安全性以及穩(wěn)定性等方面造成嚴(yán)重威脅。大型裝填設(shè)備在運(yùn)行過程中，因?yàn)榇嬖阪湕l張緊特性、靜摩擦與動(dòng)摩擦因素差等，在裝填以及退出的啟動(dòng)瞬間會(huì)形成較大慣性力，會(huì)對裝填設(shè)備平衡狀態(tài)造成破壞，使其克服了行走阻力進(jìn)而形成躥動(dòng)問題，造成安全事故。所以，開展裝填設(shè)備設(shè)計(jì)工作過程中，應(yīng)該充分分析裝填設(shè)備外部載荷與內(nèi)部載荷等方面影響因素，對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行科學(xué)設(shè)定，必要時(shí)應(yīng)該采用止輪器以及其他輔助手段，對裝填設(shè)備運(yùn)行過程中保持平衡的條件進(jìn)行充分驗(yàn)證，進(jìn)而充分為強(qiáng)化裝填系統(tǒng)安全性與穩(wěn)定性提供保障。另外，開展裝填作業(yè)時(shí)，還應(yīng)該對對中精度加以重視，在對中偏差不斷增加的過程中，裝填載荷也會(huì)隨之增加。在位置平差較大的情況下，會(huì)導(dǎo)致裝填載荷超出裝填設(shè)備額定承受范圍，所以可以通過強(qiáng)化結(jié)構(gòu)剛度與對中精度減小裝填載荷。

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