DBK2000.43型堆料机门座架及行走机构静力学分析

朱明

（安徽工业大学机械工程学院，安徽 马鞍山 243002）

0 引言

堆料机是一种目前世界上最大的散装物料堆垛输送机械，因其自动化程度高、生产率高、能耗低、成本低等特点，被广泛应用于码头及钢铁冶金、煤矿、火力发电厂、化工等原料储运厂［1-2］。DBK2000.43型堆料机自20世纪90年代设计投产，至今已运行二十余年，从未进行过大面积的停机检修，所以对堆料机进行静力学分析十分必要。同时也为该厂的设备维护和更新提供技术支持。

门座架是由厚度不同的钢板通过焊接而成，最小厚度为10 mm，最大厚度为20 mm，局部位置用钢板加厚且由高强度螺栓连接，以提高强度刚度。它的作用是支撑回转轨道、回转机构、主体梁以及俯仰机构。同时还起到与行走台车连接的作用。

行走机构的主要作用是用来移动和支撑整个堆料机，主要由支撑机构和驱动装置组成。支撑机构主要包括：鞍座、主动台车和从动台车。支撑机构底部通过台车车轮与地面轨道接触而支撑在地面上，上部分通过连接销轴将鞍座与门座架连接起来，从而支撑堆料机的上面部分。驱动装置主要包括电机、减速器、制动器等。司机室内通过开关启动电机，使得主动台车转动并带动从动台车在轨道上前后移动，通过控制制动器使得行走机构停止。

该型号堆料机由20世纪90年代设计生产。传统的设计方法主要是依靠经验，往往会造成外形尺寸偏大，而易忽略内部的薄弱环节［3］。本文以堆料机门座架和行走机构为研究目标，在危险工况下（即悬臂架与X轴成45°角），运用有限元分析软件ANSYS对其进行静力学分析，得到其应力和变形值，分析其安全性。

1 堆料机质心位置计算

由于堆料机结构的整体性，在研究门座架和行走机构的同时，还应考虑其他部分机构对其的影响，因此本文将其他部分机构的质量等效成质量节点，通过质量节点对回转轨道的作用力来模拟真实情况。

对于质心坐标过程中用到的坐标系做如下设定：以回转轨道上表面圆心为原点；X轴正方向沿悬臂架方向；Z轴为竖直方向，向上为正；Y轴为水平垂直悬臂架方向，司机室侧为负。根据式（1）计算出其他部分机构的质心位置：

式中：x1、x2、……xi为各机构质心 x 轴坐标；y1、y2、……yi为各机构质心y轴坐标；z1、z2、……zi为各机构z轴坐标；m1、m2、……mi为各机构质量；x0、y0、z0为堆料机质心坐标。

根据厂方提供的图纸资料和三维建模软件，计算出质心位置，并将其转换成ANSYS中的坐标为：x=-0.7032，y=6.8047，z=9.9706。

2 有限元模型的建立

针对堆料机回转机构下部的结构特点、有限元分析特点和现有计算机资源的综合考虑，对该堆料机门座架和行走机构进行如下的简化并在ANSYS中建立整体的有限元模型。

1）只考虑主要金属结构，对其他附带结构仅考虑其重量并放在主要结构的重量内考虑。2）忽略焊缝、高强度螺栓等，由于堆料机回转下部机构主要由金属钢板焊接而成，考虑到整体模型的庞大，忽略焊缝的影响；回转轨道支撑部分除了与门座架焊接之外，还设有轨道夹，由于轨道夹数量过多，会导致有限元网格过多，计算量大幅增加，故本算例省略轨道夹。3）忽略连接销轴及传动轴的轴承盖，改用绑定接触绑定轴承和轴承座。忽略下部行走轨道，通过对行走轮施加约束来模拟真实情况。4）将回转机构和回转上部机构的质量等效成质量节点施加在回转轨道受力面上。

2.1 网格划分

考虑到主要金属结构都是由钢板焊接而成，门座架、回转轨道支撑部分以及其他薄壁部分使用壳单元（Shell 181单元），为了更好地模拟焊接情况，使用工作平面（Work Plane）将相交的两个面沿相交线切开，切开后相交线处会出现两条重合的线，然后使用Merge Items命令将重合线的关键点（Key point）合并，使之成为一条线；行走台车壳体、行走车轮、连接销轴、传动轴及回转轨道等使用实体单元（Solid 186单元）。其中Shell 181为4节点6 自由度，Solid 186 为 20 节点 6 自由度［4］。

在网格划分之后，设置各部分的材料属性，其中Q235 钢弹性模量 E=2.1×1011，泊松比为 0.3，密度 ρ=7.85×103kg/m3。根据金属结构部分使用的钢板厚度，设置壳单元实常数。

2.2 约束条件与载荷的施加

1）约束条件。根据实际情况，由于省略了行走机构的行走轨道，将行走轮组中一个车轮施加全约束，其余车轮施加竖直方向上的约束。行走台车的车轮与壳体之间、壳体与壳体之间以及门座架与行走台车之间的连接通过设置接触对来模拟现实的装配关系。

2）施加载荷。计算出堆料机其他部分机构质量和质心位置，通过在其质心位置添加一个集中质量，并将此质心节点与回转轨道和回转台车接触面通过无质量梁单元进行连接。风载取25 kg/m2，加在门座架和行走机构迎风面上。悬臂胶带机质量与工作载荷等效到回转上部机构和回转机构等效质心上。在堆料机门座架和行走机构施加载荷和约束后的情况如图1所示。

图1 门座架和行走机构有限元模型图

3 有限元分析结果

对堆料机门座架和行走机构整体进行有限元计算，得出结果显示，整体最大米塞斯应力为219 MPa，如图2所示，出现在行走台车外壳之间连接处。整体最大变形为4.1 mm，如图3所示。

图2 整体米塞斯应力图

图3 整体变形图

图4 门座架有限元分析结果

图5 行走机构有限元分析结果

4 结论

运用ANSYS对堆料机门座架和行走机构进行静力学分析，得到其应力与变形情况。分析结果表明：门座架最大米塞斯应力为145 MPa，出现在薄板焊接处，最大变形为3.6 mm；行走机构最大米塞斯应力为219 MPa，出现在台车壳体连接轴处，最大变形为2.5 mm。最大米塞斯应力均小于Q235屈服极限（σs=235MPa），因此可以得出结论：DBK2000.43型堆料机门座架和行走机构强度刚度符合要求，设备运行正常。但是，在日常设备维护和保养的过程中，应当着重注意这些危险点的应力变形情况，以保证生产的连续和安全。

［1］ 彭白水.华泰重工：领跑中国散料输送设备制造业［J］.建筑机械与管理，2006，19(8)：50.

［2］ 耿华.斗轮堆取料机工作装置动态特性研究［D］.长春：吉林大学，2007.

［3］ 王玉梅.斗轮堆取料机门座架有限元分析及优化［J］.企业技术开发，2011，30(5)：92.

［4］ 王新敏.ANSYS结构分析单元与应用［M］.北京：人民交通出版社，2011.