斗轮堆取料机斗体强度与屈曲分析研究

闫海鹰

【摘 要】斗轮斗体的设计在斗轮堆取料机中比较复杂。其作为斗轮机工作的核心部件，要求能稳定的工作；同时，来自于优化的因素又要求其尽量的轻。本文根据实际运用的例子，对斗体在工作中的受力，静强度，疲劳强度和屈曲进行分析，以对设计进行优化和确认。

【关键词】斗轮堆取料机；斗体强度；屈曲；分析

0 背景

斗轮堆取料机是广泛用于料场堆、取散料的装置，在各个散货料场中应用十分广泛，是散货料场堆取料的主要设备。

随着当今港口料场的逐步专业化、大型化，我们对斗轮堆取料机的工作能力要求也越来越高。在取料能力增大的实践过程中，我们发现，能满足高的生产能力、高的可靠性和高的经济性的斗体设计在这一发展趋势上有很大的阻力。

斗体用来直接挖取物料，并将挖取的物料运送到卸料处。通常情况下，斗轮体上装置的斗体数目有6～12个，斗体的容积根据生产能力和其他参数而定。斗体要有合理的形状，使挖取过程中的阻力最小。斗体还要有足够的强度和耐磨性，保证工作过程安全可靠。

本次以某电厂斗轮机为例，分析斗体结构的受力，分别从静强度和屈曲方面进行判别，讨论斗体的设计。

1 斗体的受力分析[1]

在斗轮工作过程中，斗体所受的挖掘阻力是斗体所受力的主要因素。通常计算挖掘阻力的方法有两种：一种是采用单位切割长度上所受的挖掘力计算；另一种是通过计算单位切屑面积来计算挖掘阻力。由于以切割刃长度表示的单位挖掘阻力，是唯一与切片形状和面积基本无关的参数，也即不论斗体的切割刃形状如何，单位挖掘阻力基本上为一常数。因此，目前采用这一计算方法的比较多。

2 斗体的强度设计与疲劳强度分析

斗体的强度设计的原则是，在满足生产率和工况要求的前提下，合理布置斗体的形状并选择适当的板厚。斗体的工作受力是脉冲式的。所以，斗体的疲劳强度应该是强度分析中十分重要的部分，它关系到斗体的结构疲劳寿命。

2.1 静强度分析

斗体在工作过程中所受的是动载荷。本文中按照前面所分析的静载荷进行计算，相应的斗体动载荷研究受力将是笔者后续研究的内容。

本次强度计算采用有限元软件ANSYS11.0进行计算。根据前面的理论，采用三维软件INVENTOR取单个斗体进行实体建模，三维模型导入ANSYS11.0的workbench进行计算。

这里以1500t/h斗轮堆取料机的设计参数为例，对斗体的静强度进行计算。用于计算的INVENTOR模型见图1。考虑到工作时候的受力状态，对斗体的约束和加载情况如图2所示。

加载方面，给了一个斗口法向的切割力和一个平行于斗口向外的切割分量。约束方面，对斗轮铰轴处进行铰接约束和对后部进行法向位移约束。由于斗体和斗轮架支架有采用螺栓连接，因此现有的约束方式在约束面上存在失真，但这不影响对结果的判断，因为重点关注区域为斗齿和外部斗体附近，这些区域都远离约束点了。

2.2 疲劳强度分析

材料、零件和构件在循环载荷作用下，在某个点或某些点逐渐产生局部的永久性的性能变化，在一定循环次数后形成裂纹，并在载荷作用下继续扩展直到完全断裂的现象，成为疲劳断裂或疲劳破坏。

由于斗轮的轴受到循环变应力，根据疲劳破坏的定义我们知道，即使斗轮静强度满足要求，也不能保证其安全，因此需要进行疲劳强度设计。

疲劳计算通不过，通常分为两种：一种是整体截面或者板厚偏弱，不能满足工况的需要；另一种是局部结构处理不合理，导致应力集中现象严重。改进结构是减少应力集中的一个主要的措施。最简单的方法是增大零件尺寸，但势必影响其轻巧等性能。在零件设计中，应尽量避免横截面有急剧突变，在零件的横截面尺寸和形状有改变的地方，应尽可能用较大的圆角光滑过渡。铆钉孔和螺栓孔等都是产生应力集中的地方，孔的不同排列得到的峰值应力是不同的，因此要寻求最合理的排列形式，以减小峰值应力。零件或构件上应尽可能少开缺口，特别是在受拉表面尽量不开缺口。如有可能，应尽量采用对称结构，并避免带有偏心的结构。焊缝是应力集中的地部位，设计焊接件时，要合理布置焊缝。零件上用硬印打上的号码和标志，是容易被忽略的产生应力集中的地方。在应力集中的部位（如横向圆孔）附近，可开卸载沟槽，以降低峰值应力。

斗体的疲劳寿命可按照1000万次循环考虑，疲劳应力低于规定次数的疲劳许用应力，则认为疲劳计算通过。经过疲劳计算分析，根据图3的应力情况计算的斗体疲劳强度满足设计规范的要求。

3 斗体的屈曲验算

在计算局部稳定性的临界屈曲应力时，可以采用Galerkin法或者应用德国钢结构委员会颁布的薄板稳定性计算准则DASt-Richtlinie 012中提出的简化方法，后者在工程计算中的应用比较广泛。

本节利用ANSYS软件建立斗轮体的有限元分析模型，对结构进行线性稳定性分析，考虑结构的几何线性与材料线性。分析比较弹性屈曲在斗体结构破坏中的作用。

3.1 结构和载荷特征

斗体结构和受载有比较明显的特点：开口结构、开口处受力、周期性间歇载荷等。

3.2 材料特性

斗体结构的材料是Q345B钢材，密度ρ=7.85×10-9 t/mm3 ，弹性模量为2.06×105 N/mm2 ，泊松比μ=0.3。当考虑进行材料非线性时，本文采用双线性弹塑性模型，见图4。其中A点为材料的屈服极限，B点为材料的强度极限。

3.3 边界条件

对斗体铰点进行铰约束，对斗体后端进行法向的位移约束，来对斗体进行约束。载荷则以3吨力施加在斗体口上，同时对斗口施加一定的法向力（见图2）。

3.4 屈曲分析

由计算结果（图4）可知，斗体的变形载荷乘数很高，意味着屈曲安全系数很高，不会发生屈曲现象。

4 结束语

通过对斗体的结构设计、受力分析、强度计算、疲劳校核、屈曲分析，再回到斗体的结构设计。整个设计过程体现了斗体设计的精细化设计思路，再结合施工和安装中的焊接制造，安装和使用，让设计者对斗体的设计有了从感性到理性，从理论到实践的认识。

【参考文献】

[1]GB/T-14695-93 臂式斗轮堆取料机型式与基本参数[S].1993.

[责任编辑：田吉捷]