堆取料机门架结构的优化与机械设计

张浩，高鹏

（北方重工集团有限公司工程成套分公司，辽宁 沈阳 110141）

堆取料机门架结构的优化与机械设计

张浩，高鹏

（北方重工集团有限公司工程成套分公司，辽宁 沈阳 110141）

堆取料机是一种大型的环保机械设备，它广泛应用于港口、化工企业等，具有较强的装卸、输送等功能，其应用的稳定性和可靠性也成为了实践中所关注的内容。为了提升堆取料机的性能，我们需要关注堆取料机的门架结构设计与优化，由于堆取料机的门架是重要的承载机构，要对其进行优化设计，使堆料高度产生改变，提升机械结构的稳定性和可靠性。

堆取料机；门架结构；优化

在广泛的散装物料存储和堆取过程中，堆取料机是一种连续、高效运输的大型机械，为提升机械结构的稳定性，需要对堆料机的门架结构进行优化设计，如门架的变幅机构和截面机构，根据堆取料机的结构组成和原理，对门架结构的强度、刚度和屈曲稳定性进行优化设计，从而提高机械应用效能。

1 堆取料机综述

应用于热力发电厂、矿场之中的堆取料机根据不同的应用场所，可以呈现出不一样的特点，它分类主要为：依照应用场所的不同，可以分为圆形堆取料机和条形堆取料机；依照结构不同，可以分为门式堆取料机和悬臂式堆取料机；依照取料设备的不同，可以分为刮板式堆取料机和斗轮式堆取料机。

2 堆取料机门架结构的优化设计分析

2.1 堆取料机门架结构的变幅机构优化设计

门架式堆取料机的堆料结构是一种桁架结构，它可承载物料传送的负荷，其内部有纵向加强筋和横向加强筋，可以承受变幅钢丝绳传递而来的荷载。

2.1.1 门架结构的变幅机构受力分析

在进行取料作业时，可以根据料堆的高度，对变幅钢丝绳变幅，如图1所示。上述门架变幅机构的构成之中，1为变幅上铰点；2为门架；3为取料耙；4为变幅下铰点；5为取料耙变幅钢丝绳；6为门架跟铰点。

要对门架的变幅机构进行结构简化设计，根据力学知识，取料耙变幅机构的受力作用下面图，如图2所示。

在图2中的A坐标原点中，各个铰点的初始坐标如图，分别为A、B、C、D、E、H，а是HB与水平线之间的夹角；β是刮板与水平线之间的夹角；E是刮板中心。当其进行取料作业时，取料耙围绕铰点A进行旋转，而铰点B和铰点D是固定不动的，铰点H围绕A进行旋转。通过合理的简化设计，在力平衡和力矩平衡的状态下，可以对变幅钢丝绳和不同的铰点进行受力计算，根据不同的作业能力参数，采用MATLAB计算软件，构建堆取料机的动力仿真模型，进行模型求解。

图1 门架式堆取料机的机械结构构成

图2 取料耙变幅机构的受力作用下面图

2.1.2 优化设计变量

通过对变幅机构的受力分析，可以选取其优化变量，即：xH、XB、yB，根据如下公式，可得优化变量X为：

2.1.3 优化约束条件

对门架变幅机构的约束条件的优化，可以从边界约束和结构性能约束两个方面加以分析：

（1）边界约束。

通过优化计算，可以获取相应的变量范围，寻求最佳点，其表达式为：

（2）结构性能约束条件。

为了使门架变幅机构能够在几何约束条件下，进行优化的设计，实现良好的机械运动状态，需要对其结构约束条件加以计算，并表达如下：

2.1.4 优化目标函数

在对门架变幅机构的优化目标函数表达过程中，要明晰其受力特征，在变幅钢丝绳受力越小的状态下，门架变幅机构的荷载越小，因而，可以对变幅机构的目标函数加以优化设计，计算公式为：

2.2 堆取料机的门架截面优化与机械设计

堆取料机的门架截面在以往的实际应用中，是采用类比和试凑的方式，对门架截面的尺寸规格进行设计，这种方法较为繁琐，没有优越的实用性特征。因而，可以采用遗传算法，对堆取料机的门架截面进行初始参数的优化，从而得到最优解，合理地进行受力分布。

对门架截面尺寸的优化，可以采用遗传算法的优化方式，有效地对钢结构截面进行优化，在MATLAB遗传理论之下，可以使材料得到合理的分配，在箱形结构中，有a、b、c、d、e、f、g七个参数，根据这七个参数，可知门架截面形心轴的惯性矩计算公式为：

形心轴的抗弯截面系数公式为：

由以上两个公式，可以得出门架结构的截面面积为：

2.2.1 优化门架结构截面设计变量

对门架结构截面设计的优化是依照目标函数变量而变化的，在变量的科学合理设计前提下，可以对截面参数进行改变，从而，可以使堆取料机的门架结构的受力更为合理。其变量可以优化设计为：

在上述公式之中，a1、b2、c3、d4、e5、f6、g7主要是表示AB段的截面参数；a8、b9、c10、d11、e12、f13、g14主要是表示BC段截面参数；a15、b16、c17、d18、e19、f20、g21主要是表示CD段的截面参数。

2.2.2 优化设计约束条件

对于门架结构的优化设计，要设定其边界约束条件和结构性能约束条件的值。从边界约束条件来说，要使门架结构在合理的上下限范围之内，确保门架结构的稳固与合理，这就需要对门架结构的各个变量的取值范围加以设定，要建构21个边界约束。对于结构性能约束条件来说，主要是建构13个性能约束，以使门架结构的性能达到合理的要求，在对这两个约束条件的设计之下，可以建立如下目标函数，以达到门架体积的最小值：

在这个优化目标函数之中，l1、l2、l3是用于表达门架各段的长度，用mm表示；A1、A2、A3是用于表达门架各段的截面积，用mm2表示。

2.2.3 选取优化算法

对于门架结构的截面优化可以选用遗传算法和MATLAB遗传算法工具箱，由于它是一种非线性单目标优化问题，因而，造用遗传算法更为科学合理，可以满足不同结构的设计要求，保证结构材料的强度、刚度和稳定性。

在对堆取料机的门架结构的力学分析条件下，可以对其单位荷载进行计算分析，对堆取料机的门架变幅机构和截面结构进行优化设计和分析，并在相关参数运用的前提下，优化设计目标函数模型，并在MATLAB遗传算法工具的应用之下，可以得到优化的求解结果，从而对堆取料机的门架结构的强度、刚度和整体稳定性进行计算，在合理改善应力分布的状态下，减轻门架自重，提升其安全性能。

[1]齐宝库，滕儒民，苗明，李杰.基于遗传算法的顶堆侧取料机门架截面优化设计[J].建筑机械，2015(4).

[2]周游，张洋.关于国内外堆取料机现状智能化研究[J].科技创新与应用，2014(9).

TH237

A

1671-0711（2016）11（上）-0071-02