桥式取料机行走车架力学性能分析

岑 武，王世辉

（1湖北工业大学 机械工程学院，湖北 武汉430068；2武汉理工大学 机械工程学院，湖北 武汉430070）

桥式取料机主要用于水泥建材、煤炭、电力、冶金、钢铁、化工等行业，特别是对石灰石、煤、铁矿石、水泥厂等物料予均化要求较高的行业尤为重要［1－2］。其主要有箱型桥梁、行走机构、刮板输送机构、料耙机构、固定端梁、摆动端梁、动力电缆卷盘等主要部分组成。箱型桥梁结构与取料行走机构连接，通过驱动装置驱动行走机构的台车组，台车沿着轨道运动，实现取料机的前后运动。由于箱型桥梁钢结构重量庞大，取料行走机构的性能好坏直接影响桥梁结构的安全稳定以及取料机的正常运行，而且对于整个取料机运行的安全稳定性有很大影响，因此有必要对取料机行走机构进行深入分析［3］。本文对行走机构的行走车架进行基于Ansys Wor kbench的有限元分析，结合分析结果对其结构进行验证，有效改善受力情况。其分析过程可以为桥式取料机行走机构设计提供有效参考。

1 桥式取料机行走车架建模

1.1 三维实体模型建立

研究的桥式取料机行走车架的结构，主体采用Q235钢板和钢管焊接而成。行走车架主体尺寸为7 760 mm×740 mm×1 435 mm。行走车架主要由受力钢板（顶端和低端）厚25 mm与四周厚16 mm连接板焊接而成。为满足其力学性能，在受力钢板与连接板之间焊接了大量厚12 mm肋板，以增加主要受力面的承载能力。行走车架在的模型属于复杂模型，在Ansys Wor kbench中建模，没有效率优势，故这里选择第三方三维建模软件Solid Wor ks进行建模。由于在进行Ansys静力分析和模态分析时，节省计算机的计算资源，需要对复杂模型进行简化。故在建模中对行走车架进行适当简化，以方便进行有限元分析。由Solid Wor ks建立的行走车架三维实体模型（图1）。

图1 桥式取料机行走车架三维实体模型

1.2 Ansys Wor kbench中的模型建立

将上述简化后的模型整体直接导入有限元分析软件中。在Solid Works中将建好的行走车架模型保存为IGES格式，然后，在Ansys Workbench中新建Pr oject Sche matic，接着将保存好的IGES文件导入到Geo metr y中［4］。行走车架的材料采用Q235钢材，密度为7 850 kg／m3，弹性模量为2×105 MPa，泊松比为0.3。接着是进行网格划分，对行走车架结构的有限元网格划分采用自动网格生成法，网格单元设为100 mm。行走车架的有限元网格划分结果如图2所示。

图2 行走车架有限元网格划分效果图

2 桥式取料机行走车架的分析

2.1 行走车架结构的静力分析

行车车架结构复杂，在使用过程中所受载荷随外部条件和工作量的变化差异较大，计算施加载荷时适当作了等效简化［5］。车架上的载荷，首先是车架结构自重载荷，此处结构由密度为7850 kg／m的Q235钢板组成，经计算得出车架自身重量P＝3 463.3×9.8＝33.940 34 k N；然后是工作负载，行走车架的工作负载，主要是安装箱型桥梁结构后施加在车架顶端而形成的载荷。为了简化分析，通过计算得出箱型桥梁施加在车架的上额载荷P1＝170kN，方向垂直向下；最后是活动载荷，主要来自车架行走、料耙往复运动和刮板运动综合作用的结果。为了简化分析，通过计算得出活动载荷P2＝38kN，方向垂直于重力方向和长度边方向。

行走车架的力学性能主要体现为，在弹性范围内，正常的工作条件下，设计的结构能够满足强度标准，即考核钢材的许用应力［6］

式中：σ为材料的许用应力；σs为材料的屈服应力极限；n为安全系数，根据载荷不同，可在1.15～1.5之间选择。不同材料有不同的特性，这里采用Q235，其材料特性及载荷情况具体选择方式见表1。

表1 Q235许用应力

将上述载荷分别加入到Ansys Wor kbench的静力分析模块Static Str uctural中进行强度和刚度的有限元分析，结果如图3所示。行走车架结构选用材料Q235的屈服应力极限为235 MPa，此处受力面钢板厚度为25 mm，由表1查得，材料的许用应力σ＝200 MPa。由图3a可以看出，车架结构在自重和工作负荷下的最小组合应力发生在车架左右两侧凹槽处，最大屈服应力σs＝71.261 MPa，即σs＜σ，因此行走车架满足强度方面的要求。图3b中看出，行走车架最大变形量为0.465 56 mm，在安全范围内。

图3 桥式取料机行走车架静力学分析云图

2.2 行走车架结构的模态分析

行走车架固有动态特性是指在受到激励时，车架随之做出的响应，这是产生振动的原理。而激励振动频率与固有振动频率的相似会引起共振。为了避免共振的出现，通常用模态分析进行评价。在Workbench中，模态分析和静力分析有很多的相似之处，都包含了定义单元类型、定义材料属性、进行网格划分、施加边界约束条件和求解。因此，在Wor kbench的项目管理区静力分析后面链接上模态分析项目，使其相关的数据同步，避免重复定义，节省分析操作时间。模态分析主要侧重于模型动态特性，一般考虑行走车架的几阶模态与振型，特别是有实际参考价值的低阶模态。利用Wor kbench软件求得了车架前6阶模态，各阶模态计算的结果等效云图如图4所示。

图4 桥式取料机行走车架6阶振型等效云图

由分析云图可知行走车架如表2所示模态分析数据。根据分析结果，行走车架最小变形产生于第1阶振型，变形主要集中在顶端受力面正下方结构体处，车架表现为扭曲状态；第2、3、4阶振型变形均集中在车架几何中心对称区，三个阶段变形幅度变化不大，车架表现为弯曲状态；车架在第5阶振型中变形开始向长度方向扩散；最大变形产生于第6阶振型，变形区由正下方想两端扩散，车架表现为弯曲状态。

表2 行走车架模态分析数据

模态分析的核心目的是避免共振，只要低阶模态满足不发生共振的要求，行走车架的动态特性就比较好。由结果知，车架的前三阶频率为56.562 Hz，64.627 Hz、66.93 Hz。行走车架工作与电动机引起的振动频率变化范围：25～30 Hz，安全范围为固有频率远离激励频率10%～20%。车架一阶模态固有频率56.562 Hz，故远离激励频率88.54%，显示出车架动态性能良好［7］。

3 总结

本文采用了Solid Works替代 Ansys Wor kbench对行走车架进行三维建模，使工作量大为减少，大大提高了研发效率，缩短了设计周期。通过对行走车架模型进行静力分析计算可以看出，车架在实际工况下能够满足其力学性能要求；通过对行走车架进行模态分析知，车架能够避开共振频率，验证了设计的合理性。从分析结果里知道，可以对行走车架内部肋板部分，进行进一步改进，减小车架的变形。这里同时验证了，Wor kbench对行走车架进行的有限元分析方法的可靠性，为车架的强度设计提供了理论依据。

［1］李 雪，宋 光，佟云龙.论桥式刮板取料机［J］.中国新技术新产品，2012（01）：104－105.

［2］郭天纲.桥式刮板取料机结构分析及料耙研究［D］.沈阳：辽宁工程技术大学图书馆，2007.

［3］唐兴华.圆形料场取料行走机构设计分析［J］.机械设计与制造，2012（11）：195－197.

［4］吕 端，曾东建，于晓洋，等.基于 ANSYS Wor kbench的V8发动机曲轴有限元模态分析［J］.机械设计与制造，2012（08）：11－13.

［5］吴丙胜，胡明伟，陈秋平.基于 Ansys Workbench的圆管带式输送机桁架结构的有限元分析［J］.起重运输机械，2013（03）：6－9.

［6］李海洋.刮板式取料机取料臂的结构形式分析［D］.北京：清华大学图书馆，2012.

［7］卫良保，曾龙修.叉车车架有限元模态分析与结构改进［J］.工程机械，2012（43）：47－50.