復(fù)雜工況下拉桿結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析及優(yōu)化設(shè)計

徐玉澎

秦皇島港股份有限公司第九港務(wù)分公司

1 引言

懸臂式取料機是大型松散物料的主要取裝設(shè)備,廣泛應(yīng)用于大型散貨港口、火力發(fā)電廠的儲煤場。取料機斗輪、斗輪驅(qū)動裝置、卸料擋料裝置及皮帶鋼結(jié)構(gòu)等重約50 t,全部由臂架前段主梁結(jié)構(gòu)及斜拉桿共同支撐。該型取料機在北方使用存在著作業(yè)工況復(fù)雜,冬季低溫因素影響明顯,結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜的問題。

取料機鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計執(zhí)行FEM或ISO5049標準,標準中3類載荷主要載荷,包括正常工作運行時所出現(xiàn)的載荷、設(shè)備運行或停止時出現(xiàn)的附加載荷以及第三類如碰撞等設(shè)備工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)下不應(yīng)產(chǎn)生但又無法避免的載荷。取料機鋼結(jié)構(gòu)強度應(yīng)滿足以上載荷工況。

取料機斗輪頭部拉桿通常采用圓管與插板連接,由于拉桿拉力很大,插板端部應(yīng)力通常很高,再加上焊接工藝不合理等問題,在非工況條件下很容易造成疲勞撕裂帶來結(jié)構(gòu)安全問題。此外,北方冬季作業(yè)取煤時存在著凍煤較多,且有隱藏式凍塊(煤垛內(nèi)部)等,會對斗輪造成沖擊,給生產(chǎn)帶來安全隱患。

為了解決特殊工況下斗輪拉桿出現(xiàn)應(yīng)力集中的問題,通過對現(xiàn)場工況采集及問題溯源分析,提出了優(yōu)化提升的解決方案:對取料機頭部斗輪部分進行受力分析計算,對部件結(jié)構(gòu)進行改進設(shè)計,加強斗輪的附加載荷承載力及惡劣工作下的抗沖擊能力,提升抗沖擊能力,提高整體結(jié)構(gòu)安全性。

2 拉桿結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析及優(yōu)化改造

2.1 驅(qū)動功率計算

2.1.1 按設(shè)計取料能力計算

按照取料機取料峰值能力6 710 t/h,在正常工況的主要載荷作用下計算功率。

具體技術(shù)參數(shù)為:取料峰值能力Q1=6 710 t/h,斗輪直徑D=9.7 m,斗容q=2.8 m3,煤炭密度ρ=0.85 t/m3,斗輪轉(zhuǎn)速n=5.8 r/min,斗輪個數(shù)z=12,挖取過程中物料提升高度H=2D/3=6.47 m。

計算斗輪功率P:

P=P挖+P提+P磨

(1)

式中,P挖為取料機斗輪取料挖取時消耗的功率;P提為輪斗取料提升時消耗的功率;P磨為取料時各部分摩擦阻力消耗的功率。

(2)

(3)

(4)

式中,K為斗輪取料挖取阻力系數(shù),煤炭取值為15;Q容為取料容積能力,Q容=Q1/ρ;摩擦效率η=0.96;摩擦系數(shù)M0=0.2。

在峰值為6 710 t/h時,計算得P=P挖+P提+P磨=141.7+123.22+18.47=283.9 kW,即設(shè)計工況下所需的斗輪驅(qū)動電機功率P總=284 kW。

2.1.2 實際工況功率

堆場冬季凍煤比較嚴重,斗輪取料時切割阻力變大,同時受取料動作特性影響,也會出現(xiàn)過量取料的情況,導(dǎo)致取料機拉桿承受載荷增加。根據(jù)設(shè)備原始設(shè)計資料,以及實際的驅(qū)動電機型號,需重新對拉桿進行分析,按照實際斗輪電機額定功率315 kW進行仿真計算。

2.2 原拉桿受力分析

進行三維建模。按照1∶1比例建立拉桿、連接板、懸臂梁及主鋼結(jié)構(gòu)三維模型,并進行裝配(見圖1)。

圖1 拉桿結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)現(xiàn)場實際,拉桿連接處強度較大,以往此處也沒出現(xiàn)過損壞,為了簡化分析模型,認為螺栓連接強度足夠,拉桿、連接板及連接耳板視為一體。

設(shè)計工況分析:根據(jù)公式計算結(jié)果,將正常工作狀態(tài)下載荷施加到軸承座接觸面上,固定約束施加到主結(jié)構(gòu)的底面及后側(cè)面,進行仿真計算。應(yīng)力最大點出現(xiàn)在圓鋼與鋼板焊接部位,焊接時應(yīng)注意消除應(yīng)力集中(見圖2)。圓鋼上的載荷較為集中,最大值186 MPa,拉桿材料為Q345,按照安全系數(shù)1.5計算,材料許用應(yīng)力230 MPa,正常工況下原拉桿最大分析應(yīng)力值小于材料許用應(yīng)力,且疲勞系數(shù)小于1,說明拉桿滿足使用要求。

圖2 正常工況下拉桿應(yīng)力分布圖

實際工況分析:對原拉桿進行加強載荷分析,按照斗輪電機315 kW進行仿真計算,應(yīng)力分析結(jié)果見圖3,最大應(yīng)力達216 MPa,接近許用應(yīng)力;在冬季極寒氣溫下,鋼結(jié)構(gòu)脆性增加,加上凍煤及瞬時取料量過高等影響,極易造成拉桿撕裂。

圖3 實際工況下拉桿應(yīng)力分布圖

2.3 新拉桿優(yōu)化設(shè)計

為了滿足實際工況下的使用條件,對原拉桿進行了改造,新拉桿采用型鋼搭配連接板,可減少載荷作用下的應(yīng)力集中(見圖4)。

圖4 新拉桿結(jié)構(gòu)

對新拉桿進行三維建模和有限元分析。

在設(shè)計工況下,拉桿應(yīng)力分析結(jié)果見圖5,最大應(yīng)力出現(xiàn)在拉桿上方側(cè)面,最大應(yīng)力值為108 MPa,最大值較原拉桿明顯降低。

圖5 設(shè)計工況下新拉桿應(yīng)力云圖

在電機315 kW工作工況下,拉桿應(yīng)力值增大,與原拉桿在同工況下進行對比,最大應(yīng)力值降低34%,且在許用應(yīng)力范圍內(nèi),滿足使用要求。

2.4 新舊拉桿應(yīng)力檢測對比

對新舊拉桿在同類工況下選取相同位測點,通過貼應(yīng)變片方式進行空載與重載應(yīng)力檢測,數(shù)據(jù)對比。檢測位置為拉桿前端,應(yīng)變片貼片位置見圖6。

圖6 應(yīng)變片貼合位置

測試工況為正常取煤作業(yè),圖7為舊拉桿在逆時針取煤時的應(yīng)力測試曲線,最大應(yīng)力值為48.65 MPa,平均流量約3 500 t/h時。

圖7 舊拉桿檢測點應(yīng)力圖

圖8為新拉桿在逆時針取煤時的應(yīng)力測試曲線,最大應(yīng)力值為27.26 MPa,平均流量約4 000 t/h。

圖8 新拉桿檢測點應(yīng)力圖

通過同類工況下的最大應(yīng)力值及應(yīng)力曲線圖分析對比可知,新拉桿最大應(yīng)力減小,應(yīng)力分布比較均勻,無應(yīng)力集中現(xiàn)象,整體結(jié)構(gòu)性能明顯提升。

3 結(jié)語

以設(shè)備實際運行為基礎(chǔ),通過計算、建模,運用ANSYS分析原拉桿不同工況下的不足,優(yōu)化設(shè)計新式拉桿。新拉桿采用新型連接方式消除了焊接接口處應(yīng)力集中的現(xiàn)象,并通過現(xiàn)場應(yīng)力檢測的數(shù)據(jù)對比,驗證新拉桿滿足復(fù)雜惡劣工況條件。優(yōu)化設(shè)計可消除事故隱患,提高設(shè)備復(fù)雜惡劣工況下的工作性能,可為其他同類設(shè)備提供優(yōu)化借鑒。