一種新型骨料散裝機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

摘要：針對(duì)現(xiàn)有骨料散裝機(jī)控制方式落后、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理等問題，設(shè)計(jì)一種帶有旋轉(zhuǎn)閥機(jī)構(gòu)的自動(dòng)骨料散裝機(jī)。系統(tǒng)構(gòu)建了散裝機(jī)整體結(jié)構(gòu)三維模型，采用有限元方法對(duì)旋轉(zhuǎn)閥機(jī)構(gòu)在最大載荷工況下進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)閥芯結(jié)構(gòu)強(qiáng)度冗余，對(duì)閥芯進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。在保證剛度性能的前提下，使閥芯質(zhì)量從628.07 kg減輕到407.26 kg，質(zhì)量減輕35.15%，實(shí)現(xiàn)了閥芯的輕量化設(shè)計(jì)，為旋轉(zhuǎn)閥芯的設(shè)計(jì)提供一定參考。

關(guān)鍵詞：骨料散裝機(jī)；旋轉(zhuǎn)閥；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；有限元分析；拓?fù)鋬?yōu)化

中圖分類號(hào)：TH122

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1672-4348（2023）01-0001-05

Structure design and analysis of a new type of aggregate bulk loader

WANG Qianting¹， WU Peng¹， MA Ying²， LI Haoyu¹， SONG Jiang²

（1. School of Materials Science and Engineering， Fujian University of Technology， Fuzhou 350118， China;

2. School of Electronic， Electric Engineering and Physics， Fujian University of Technology， Fuzhou 350118， China）

Abstract： In view of the problems of the backward control mode and unreasonable structural design of aggregate bulk loading machine， an automatic aggregate bulk loader with rotary valve mechanism was designed.The system constructed a three-dimensional model of the overall structure of the bulk loader; the finite element method was used to simulate and analyze the rotary valve mechanism under the maximum load condition， and the structural strength of the spool was found to be redundant， and the topological optimization design of the spool was carried out to reduce the mass of the spool from 628.07 kg to 407.26 kg， with a mass reduction of 35.15%， while ensuring the stiffness performance， which realizes the lightweight design of the spool and provides a reference for the design of the rotary valve spool.

Keywords： aggregate bulk loader; rotary valve; structural design; finite element analysis; topology optimization

收稿日期：2022-08-22

基金項(xiàng)目：福建省高校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃（IRTSTFJ）；福建省自然科學(xué)基金一般項(xiàng)目（2021N5004）

第一作者簡(jiǎn)介：王乾廷（1977—），男，河南南陽人，教授，博士，研究方向：先進(jìn)技術(shù)、材料加工工程。

骨料散裝機(jī)是用于對(duì)礦山散裝熟料及散裝石子等顆粒狀物料裝車或裝船的專用設(shè)備，亦可用于冶金、煤碳以及化工等其它行業(yè)的無腐蝕、低研磨性粉粒狀物料的裝車（船）作業(yè)。

國內(nèi)現(xiàn)有的骨料散裝機(jī)主要通過人工手動(dòng)操作卸料閥門。常用的手動(dòng)控制下料流速的裝置有蝶閥、百葉閥等。前者通過開啟多個(gè)閥瓣，根據(jù)需要調(diào)節(jié)顆料的流量；后者是利用葉片的開合角度來控制下料的流速^[1-2]，整個(gè)下料時(shí)間長(zhǎng)，操作過程繁瑣，操作人員容易出現(xiàn)疏忽，造成下料裝車時(shí)骨料溢出，導(dǎo)致運(yùn)輸車輛出現(xiàn)超重和虧量現(xiàn)象。

綜上，本研究利用旋轉(zhuǎn)閥良好的動(dòng)態(tài)特性，設(shè)計(jì)含有旋轉(zhuǎn)閥機(jī)構(gòu)的骨料散裝機(jī)，可根據(jù)實(shí)時(shí)工況自動(dòng)對(duì)閥芯工作角度做出及時(shí)調(diào)整，能有效減少骨料裝車時(shí)間，提高骨料的下料效率。

1 骨料散裝機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

砂石工廠所使用的骨料散裝機(jī)主要用于將砂石骨料裝載到船舶、火車、汽車槽罐車中。本研究設(shè)計(jì)的全自動(dòng)骨料散裝機(jī)專門適用于廂式貨車的散裝作業(yè)，適用物料直徑為不大于38 mm的固體材料，旋轉(zhuǎn)閥門的開合速度為分別為：空載時(shí)40 m/min，帶載時(shí)30 m/min，下料口尺寸為430*800 mm。

1.1 旋轉(zhuǎn)閥設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)閥又稱卸料閥，是一種調(diào)節(jié)閥，通過將旋轉(zhuǎn)部件（如旋轉(zhuǎn)擋板）旋轉(zhuǎn)90°將閥門從開啟位置改變到關(guān)閉位置，旋轉(zhuǎn)部件切斷物料流通。旋轉(zhuǎn)閥機(jī)構(gòu)具有穩(wěn)定可靠和可控性強(qiáng)的特點(diǎn)，并動(dòng)態(tài)特性更好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在控制卸料的機(jī)械裝置中得到了廣泛的應(yīng)用^[3-6]。

本研究的旋轉(zhuǎn)閥是配合電機(jī)完成自動(dòng)開關(guān)閥，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。該結(jié)構(gòu)主要由殼體和閥芯兩部分組成，閥芯通過軸承端的齒輪與電機(jī)齒輪嚙合，由電機(jī)及鎖止裝置控制其運(yùn)動(dòng)及停止，可進(jìn)行360°的無阻礙旋轉(zhuǎn)，便于物料的流通；該結(jié)構(gòu)在物料流通的過程中依然可以進(jìn)行其它相關(guān)操作，閥芯旋轉(zhuǎn)的過程相當(dāng)于在剪切流通中的物料，不會(huì)出現(xiàn)卡死的情況；該結(jié)構(gòu)可以通過電機(jī)和鎖定裝置進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，確保操作者的安全。

1.2 總體設(shè)計(jì)

新型散裝機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在現(xiàn)有的傳統(tǒng)散裝機(jī)基礎(chǔ)上加入了旋轉(zhuǎn)閥機(jī)構(gòu)，主要包括百葉閥機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)閥機(jī)構(gòu)、伸縮桶機(jī)構(gòu)和電氣控制柜，總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

散裝機(jī)上部通過法蘭連接儲(chǔ)料倉下接百葉式閥門，通過旋轉(zhuǎn)葉片完成對(duì)物料流速的控制，在緊急情況下完成手動(dòng)關(guān)閥；中部的旋轉(zhuǎn)閥門內(nèi)部配合桶形閥芯，保證密封的嚴(yán)密性，使得閥門在關(guān)閉狀態(tài)下不會(huì)有物料泄露，閥芯配合電機(jī)完成對(duì)物料流速的自動(dòng)控制；下部的伸縮桶通過帶輪控制升降，當(dāng)運(yùn)輸車輛就位后，下落至車廂內(nèi)部，完成下料。

2 有限元仿真分析

通過對(duì)旋轉(zhuǎn)閥機(jī)構(gòu)的殼體和閥芯的有限元分析，驗(yàn)證旋轉(zhuǎn)閥機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度能夠滿足在極端工況下使用，即閥芯處于封閉狀態(tài)時(shí)。

利用三維建模軟件Solidworks 2018對(duì)骨料散裝機(jī)模型進(jìn)行建模，并通過添加材料，對(duì)各機(jī)構(gòu)質(zhì)量屬性進(jìn)行評(píng)估。求得百葉閥機(jī)構(gòu)質(zhì)量為628.3 kg；旋轉(zhuǎn)閥機(jī)構(gòu)質(zhì)量為1 129.92 kg，其中殼體質(zhì)量為501.85 kg、閥芯質(zhì)量為628.07 kg；伸縮桶機(jī)構(gòu)質(zhì)量為814.58 kg。將生成殼體和閥芯step模型文件后導(dǎo)入有限元分析軟件Ansys R19.2，基于Workbench對(duì)模型進(jìn)行有限元分析^[7-9]。

2.1 旋轉(zhuǎn)閥殼體的有限元分析

旋轉(zhuǎn)閥的殼體整體結(jié)構(gòu)為圓筒形，上方承載百葉閥，下方通過螺絲孔與伸縮桶機(jī)構(gòu)連接，尺寸為930 mm*870 mm*980 mm，殼體和地腳均采用Q235A型號(hào)碳素鋼，具體材料屬性如表1所示。

將殼體模型導(dǎo)入靜力學(xué)分析模塊，首先進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分采取自適應(yīng)網(wǎng)格劃分方法網(wǎng)格劃分為829 433個(gè)節(jié)點(diǎn)，523 071個(gè)單元^[10-12]。殼體承受的載荷情況來自上方百葉閥重力，內(nèi)部閥芯及堆積的骨料的重力，下方伸縮桶有向下的拉力作用。4個(gè)地腳通過螺絲與機(jī)架固定，因此將地腳施加固定約束，載荷施加和約束如圖3所示。分析得到閥芯的總變形云圖如圖4所示，應(yīng)力云圖如圖5所示。

由圖4可知，殼體的最大變形量為4.874 3 mm，最大變形處位于端蓋的下方部位，發(fā)生最大變形符合實(shí)際情況。由圖5可知，殼體的最大應(yīng)力值為141.59 MPa，由許用應(yīng)力公式（1）計(jì)算得出，許用應(yīng)力為195 MPa，最大應(yīng)力值小于許用應(yīng)力，符合要求。

[σ]=σ/n（1）

式中，σ為材料屈服強(qiáng)度，n為安全系數(shù)。

2.2 旋轉(zhuǎn)閥閥芯的有限元分析

旋轉(zhuǎn)閥的閥芯由兩端半軸通過硬焊條焊接與中間筒體成為整體，尺度為910 mm*760 mm*760 mm，其中筒體采用Q235A型號(hào)碳素鋼，半軸采用強(qiáng)度更高的45鋼，材料屬性如表1所示。

將閥芯模型導(dǎo)入靜力學(xué)分析模塊。首先進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采取自適應(yīng)網(wǎng)格劃分方法劃分為829 433個(gè)節(jié)點(diǎn)，523 071個(gè)單元。閥芯承受最大載荷情況是在封閉狀態(tài)時(shí)，正上方堆積的砂石骨料重力對(duì)閥芯的作用，通過求取上方機(jī)構(gòu)的容積為0.495 616 m³，該型散裝機(jī)主要用于粗砂，密度為1 550 kg/m³，取重力加速度為9.8 m/s²，求得重量為7 527 N。閥芯通過兩端半軸嵌套在殼體內(nèi)，因此，對(duì)兩端半軸施加固定約束，載荷施加及約束如圖6所示。分析得到閥芯的總變形云圖如圖7所示，應(yīng)力云圖如圖8所示。

由圖7可知，閥芯的最大變形量為0.015 611 mm，最大變形處位于閥芯受力的中間部位，發(fā)生最大變形符合實(shí)際情況。由圖8可知，閥芯的最大應(yīng)力值為3.005 7 MPa。由表1可知，Q235A的屈服強(qiáng)度為235 MPa，取安全系數(shù)n=1.2，由公式（1）可求得許用應(yīng)力為195 MPa，最大等效應(yīng)力遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力。

3 閥芯結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在保證閥芯應(yīng)力不超過材料許用應(yīng)力以及閥芯最大位移不超過設(shè)計(jì)要求的條件下，對(duì)閥芯進(jìn)行質(zhì)量?jī)?yōu)化。選定筒體兩端厚度和中間隔板厚度為設(shè)計(jì)變量，以整體質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)，以最大許用應(yīng)力和最大位移為約束條件進(jìn)行迭代^[13-14]。多次迭代的優(yōu)化結(jié)果如圖9所示，閥芯質(zhì)量減為原來的64.85%，減重較為明顯。

3.1 尺寸優(yōu)化模型的建立

為了驗(yàn)證優(yōu)化后的閥芯整體結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度的穩(wěn)定性，基于拓?fù)鋬?yōu)化后的模型對(duì)原有閥芯三維模型進(jìn)行重構(gòu)，重構(gòu)后模型如圖10所示，再對(duì)優(yōu)化后的閥芯進(jìn)行有限元分析并將其與優(yōu)化前的閥芯作對(duì)比分析。

對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，優(yōu)化后位移云圖和應(yīng)力云圖如圖11、12所示；優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對(duì)比如表2所示。

如表2所示，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后閥芯最大變形和最大應(yīng)力增大幅度依舊在材料允許屬性范圍內(nèi)，強(qiáng)度和剛度顯然合格。相比起優(yōu)化前的628.07 kg，閥芯質(zhì)量減小35.15%，提高了材料利用率，優(yōu)化效果顯著。

4 結(jié)論

本研究在傳統(tǒng)骨料散裝機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上加入旋轉(zhuǎn)閥機(jī)構(gòu)，進(jìn)行了新型骨料散裝機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?；贏nsys軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)閥機(jī)構(gòu)在最大載荷的工作狀態(tài)下進(jìn)行靜力學(xué)分析，并在此基礎(chǔ)上對(duì)閥芯進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析得出以下結(jié)論：

1）在極端工況下，閥芯和殼體的變形量分別為0.015 611、4.874 3 mm，最大應(yīng)力值分別為和3.005 7、141.59 MPa，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度均滿足材料使用要求，能夠正常使用。

2）以筒體兩端厚度和中間隔板厚度為設(shè)計(jì)變量，以整體質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)，以最大許用應(yīng)力和最大位移為約束條件對(duì)閥芯進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后的閥芯的變形量分別為0.483 34 mm，最大應(yīng)力值為24.685 MPa。質(zhì)量從628.07 kg減輕到407.26 kg，共輕化了220.81 kg，節(jié)約了材料成本，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的輕量化。

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（責(zé)任編輯：方素華）