悬臂式斗轮取料机臂架优化设计

2015-05-14汤建国贺水冰

机械工程师 2015年11期

汤建国，贺水冰

（南通润邦重机有限公司技术中心，江苏南通 226013）

0 引言

悬臂式斗轮取料机（以下简称取料机）是现代化工业散状物料连续装卸的高效设备，目前已经广泛应用于港口、码头、矿厂等散料（矿石、煤、砂石）存储料场的取料作业。其取料过程是通过斗轮旋转和臂架输送配合实现的。物料通过臂架带式输送机输送至中心料斗处，卸至料场带式输送机运走。通过整机的运行，臂架的回转、俯仰，可使斗轮将储料堆的物料取尽。因此臂架结构设计要求极高，必须同时满足在各工况下强度、稳定性的要求。

本文就优化臂架桁架结构设计，在臂架自重基本不变的情况下，提高臂架的机械性能，以及便于后期维修、更换等，同时大幅减少臂架结构耗材和制作成本。

1 臂架结构分析

臂架一般选用桁架结构，桁架结构有重量轻、成本低的优点。本文截取了传统臂架设计的结构三维图，并以此为例来进行优化设计，如图1所示臂架部分结构。

图1 斗轮臂架部分结构

传统臂架桁架结构主框架由H型钢组成，而侧面则均采用无缝方管作为斜撑、横撑及竖撑，对于此部分臂架钢结构中无缝方管占此部分总重约30%，并且由于斜撑、横撑及竖撑均采用焊接，工艺要求高，安装、拆卸不方便。现优化设计如下：采用两角钢背靠背连接的方式，角钢之间采用连接板错位焊接，角钢端头采用钻打螺纹孔，与臂架主框架结构中连接板采用螺栓连接的方式。

传统臂架撑杆采用无缝方管焊接（图2（a）），优化后臂架撑杆采用两根角钢错位焊接（图2（b））。

由图2可见，传统撑杆只可采用焊接连接设计，焊后成密闭结构，焊接要求高（需熔透焊接，并做NDT检测），有气密性要求，根据相应设计规范及业主要求，需做气密性检测试验，工艺复杂；而优化后撑杆可采用螺栓连接（亦可采用焊接连接），工艺简单，制作方便，工人劳动强度小；更重要的是，市场上无缝方管的采购周期及采购成本远高于角钢，相差近几倍，优化设计后不仅能节约成本还能缩短制作周期。

图2 撑杆结构

2 撑杆结构优化计算

根据图2所示撑杆，得其撑杆截面图，如图3所示。

图3 撑杆截面

本文选用的无缝方管型号为150 mm×8 mm，；优化后的撑杆截面选用角钢125mm×125 mm×10 mm，考虑到撑杆连接板厚12 mm，故两角钢间设计有横竖交错间断连接板（连接板尺寸120 mm×120 mm×12 mm），经计算得到两种斜撑截面性能参数见表1所示。

表1 截面性能参数表

经对比发现，在单位重量等值的情况下，错位角钢撑杆的截面面积和抗扭截面系数均略大于方管。

由以上数据初步分析，撑杆结构在不增加臂架重量的情况下，可以采用背靠背角钢的连接方式替代原方管连接的方式，性能满足设计强度要求。

3 撑杆整体结构应力分析

通过SolidWorks三维设计软件对撑杆结构进行实体建模，在不失实际结构力学特性的基础上对基座进行简化，并忽略对分析计算影响很小的局部细节特征，模型经过网格划分后进行有限元分析计算，对撑杆结构强度、刚度等方面进行校核。采用一定的后处理方法，能够直观准确得到任意位置的应力、应变分布，应力云图如图4所示，位移云图如图5所示。