火車車廂余煤智能清理機(jī)器人龍門架有限元分析

呂 磊，董淑超，孔德龍，謝振釗，張洪言，董 超

（1.安徽華電六安發(fā)電廠有限公司，安徽 六安；2.山東智信電力科技有限公司，山東 濟(jì)南）

煤炭在長距離運(yùn)輸過程中不可避免的會出現(xiàn)粘煤和凍煤現(xiàn)象，在翻車機(jī)卸車后需要對敞車余留粘煤進(jìn)行二次清理以提高運(yùn)力，降低損失[1]。余煤清掃機(jī)的出現(xiàn)成功解決了人工清掃存在的諸多問題，但余煤清理機(jī)體積和重量都比較大，在清掃完成后需要借助上方的卷揚(yáng)機(jī)將包含煤炭的清理裝置提升，這將會對起升該裝置的龍門架有很高的要求。本文首先建立龍門架的三維模型，然后對龍門架進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，得到龍門架在最大工作狀態(tài)下是否滿足靜強(qiáng)度要求。使用subspace(子空間法)對龍門架結(jié)構(gòu)的模態(tài)進(jìn)行有限元分析，得到龍門架結(jié)構(gòu)前六階固有頻率和固有振型[2]。利用分析結(jié)果，對龍門架設(shè)計(jì)的安全性和合理性進(jìn)行評估，為余煤清掃機(jī)龍門架的安全使用提供了理論依據(jù)。

1 車廂余煤清掃機(jī)龍門架整體結(jié)構(gòu)

余煤清掃機(jī)龍門架結(jié)構(gòu)包括立柱、承重梁，導(dǎo)軌等構(gòu)件，如圖1 所示。

圖1 車廂余煤清掃機(jī)龍門架結(jié)構(gòu)

龍門架承重梁為主要的受力部件，其主要采用工字鋼，橫截面參數(shù)如表1。橋架通過四個(gè)滾輪安裝在導(dǎo)軌上，橋架上安裝有移動小車，移動小車在橋架上可橫向移動，卷揚(yáng)機(jī)就安裝在移動小車上，卷揚(yáng)機(jī)需要起重的最大重量為16 t，單根導(dǎo)軌的重量為737.9 kg，導(dǎo)軌長度為18 600 mm。其他參數(shù)如表1 所示。

表1 余煤清掃機(jī)龍門架參數(shù)

2 余煤清理機(jī)龍門架受力分析

2.1 承重梁工況與受力分析

在該清掃機(jī)龍門架結(jié)構(gòu)中，承重梁和立柱是兩個(gè)主要的承重件，承重最大且極易發(fā)生疲勞破壞結(jié)構(gòu)的是承重梁，因此在本文中主要以該清理機(jī)龍門架承重梁為研究對象展開相關(guān)研究討論。

2.2 承重梁彎曲強(qiáng)度校核

2.3 承重梁剛度計(jì)算

由于實(shí)際運(yùn)用當(dāng)中，在起重過程中會導(dǎo)致橫梁振動劇烈，因此必須對其進(jìn)行剛度校核[3]。

對于工況一，按梁跨中截面的撓度為最大撓度計(jì)算，并由疊加原理可得:

3 余煤清理機(jī)龍門架有限元分析

通過上面的理論計(jì)算我們可以得知，當(dāng)橋架的滾輪位于承重梁的中間位置時(shí)，承重梁更容易損壞，因此在進(jìn)行有限元分析時(shí)，我們只需對該工況進(jìn)行相關(guān)有限元分析即可。

3.1 模型前處理

為了保證計(jì)算結(jié)果的精確性，本文采用Beam188梁單元進(jìn)行模擬，選用ANSYS Workbench 中的Static Structural 模塊。在DM 中建立承重梁某段的三維模型，材料選用Q235 結(jié)構(gòu)鋼，彈性模量為200 GPa，泊松比0.3。采用梁單元進(jìn)行強(qiáng)度和剛度分析時(shí)對網(wǎng)格要求不高，故采用自動網(wǎng)格劃分功能，提高網(wǎng)格劃分的分辨率。

梁單元結(jié)構(gòu)，是一個(gè)線性單元加一個(gè)橫截面組成，在一端加一個(gè)簡支，限制三個(gè)移動自由度，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，在另一端加一個(gè)可以軸向約束，即一端為固定鉸支座，另一端為可動鉸支座。在梁單元的中間位置施加集中力 Fc= 1.04 ×105N，對整段梁施加0.41 N/mm 的線壓力，考慮整段梁的自重，其載荷邊界條件和位移邊界條件的施加如圖2 所示。

圖2 龍門架承重梁載荷和約束施加圖

3.2 承重梁強(qiáng)度結(jié)果與分析

對所建模型進(jìn)行求解，得到其彎矩圖如圖3 所示，由分析可知該工況下承重梁最大彎矩在梁的中間位置，為 1.6 ×1 0 N?m，與理論計(jì)算結(jié)果得到的結(jié)果1.7 ×1 0 N?m誤差較小，即說明計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確，越靠近兩端位置彎矩越小，其中兩端的彎矩為5514.1 N·m。

圖3 承重梁彎矩圖

其等效應(yīng)力云圖如圖4 所示，最大應(yīng)力出現(xiàn)在承重梁的中間位置，為96.242 MPa，小于材料的許用應(yīng)力157 MPa。即承重梁中部為橫梁的危險(xiǎn)截面，最容易發(fā)生斷裂。通過有限元仿真得到的結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果的誤差為3.6%。

圖4 承重梁等效應(yīng)力云圖

3.3 承重梁剛度結(jié)果與分析

圖5 是承重梁受力后的位移量及分布情況，由圖可知，在橫梁中間位置位移量最大為9.16 mm，小于材料的許用撓度12 mm；然后從中間向兩端位移量逐漸減小，即兩端的位移量最小為0 mm，沒有發(fā)生變形。從分析結(jié)果可知，該橫梁結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 龍門架承重梁變形圖

3.4 龍門架承重梁模態(tài)分析

為了獲取該清理機(jī)龍門架承重梁結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)振型，使用subspace（子空間法）對該主梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析。前六階頻率如表2 所示。

表2 龍門架承重梁模態(tài)固有頻率

該龍門架結(jié)構(gòu)中所用的起重機(jī)屬于軌道式起重機(jī)，主要考察起重機(jī)龍門架承重梁在垂直方向和水平方向的固有振型[4-5]，即振型五與振型三，同時(shí)設(shè)計(jì)規(guī)范考慮起重機(jī)的使用性能，要求龍門架承載結(jié)構(gòu)由起重機(jī)運(yùn)動引起的水平振動固有頻率不應(yīng)小于0.5 Hz，垂直振動固有頻率不得小于2 Hz[6]。從車廂清掃機(jī)龍門架承重梁模態(tài)固有頻率分析表中可以看出，該清掃機(jī)龍門架承重梁的第五階模態(tài)固有頻率為38.768 Hz，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)規(guī)范所要求的水平方向的固有頻率值0.5 Hz。第三階的固有頻率為33.572 Hz，大于設(shè)計(jì)規(guī)范所要求的承載結(jié)構(gòu)在垂直方向的固有頻率值2 Hz，因此該承重梁的動態(tài)剛性滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本文主要以車廂余煤清理機(jī)龍門架上的承重梁為研究對象，通過理論計(jì)算與有限元仿真，得到了以下結(jié)論：

（1） 通過有限元仿真得到的強(qiáng)度和剛度結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果的誤差僅為3.6%和6.5%，誤差率較小，因此，我們可以借助有限元方法輔助我們進(jìn)行梁類及其他類似結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析。

（2） 通過有限元仿真得到的承重梁的彎曲應(yīng)力值小于材料的許用應(yīng)力；得到的承重梁的最大位移量小于材料的許用撓度，所以承重梁所用材料滿足具體使用要求。因龍門架中的承重梁是龍門架中的主要承重架之一，是最易發(fā)生疲勞破壞的構(gòu)件，因此，承重梁滿足設(shè)計(jì)要求即說明龍門架滿足設(shè)計(jì)要求。

（3） 從龍門架承重梁模態(tài)固有頻率分析表中可以看出該承重梁的最低固有頻率為12.499 Hz，大于要求的水平和豎直的固有頻率，因此該承重梁的動態(tài)剛性符合設(shè)計(jì)規(guī)范。