斗轮取料机的有限元分析与优化

2019-06-30付玉婷穆广金

航海 2019年3期

关键词：优化设计有限元

付玉婷穆广金

摘要：本文是根据某项目设计的3 000 t/h的斗轮取料机为研究对象，使用有限元分析软件ansys对整机建模并进行有限元分析与计算，为优化设计提供理论依据。

关键词：斗轮取料机;有限元;优化设计

0 前言

斗轮取料机是一种用于对散料进行挖取搬运的连续式大型机械设备。由于其工作动作灵活、作业范围广、效率高，并且对场地要求低，被广泛用于港口码头、矿山、电厂等散料储运场地。

大型设备的安全性至关重要。因此，我们对斗轮机设计时进行计算分析，模拟其实际工作状态，在满足工作要求的前提下，对危险的设计进行改进，避免工作时发生事故。

1 斗轮取料机介绍

斗轮取料机主要由斗轮机构、门架结构、回转机构、俯仰机构、上部钢结构、行走机构、司机操作室、电气房等组成。上部钢结构又包含臂架、塔架、拉杆和配重等结构。图1是斗轮取料机的结构总图。跟斗轮堆取料机相比，它没有尾车，不能进行堆料作业，只有斗轮取料功能。取料作业时，臂架绕回转中心作往复回转运动，同时斗轮转动挖取物料，靠自重使物料卸到向机器回转中心方向运动的臂架皮带机上，臂架每完成一次回转动作，主机前进一个吃料厚度，之后，臂架反向回转进行下一次取料[1]。

2 载荷计算

2.1 许用应力

由于整机结构主要采用Q345B的钢板，根据规范[2]，不同工况对应的许用应力见表2。

2.2 载荷分析计算

斗轮取料机的前臂架位置主要考虑前臂架水平（0°）、前臂架上仰至上限位（17.5°）及前臂架下俯至下限位（-12°）3种状态。考虑3种不同的基本载荷情况[3]：

（1）无风工作时工况LCI;

（2）工作风工作加工况LCII;

（3）受到特殊载荷作用的工作情况或非工作情况LCIII。主要包含有碰撞载荷工况LCIII-1和暴风工况LCIII-2。

这几种工况下的载荷组合见表3。

3 有限元分析与优化

3.1 有限元模型

根据结构特点，本次模型采用四种单元类型来完成建模。分别为beam44、mass21、link8、pipe16。其中，beam44单元为两节点六自由度梁单元，用于模拟变截面的梁。通过释放节点自由度，模拟结构中的铰接情况;mass21是质量单元，用于模拟集中质量;link8为两节点三自由度桁架单元，用于模拟两端均为铰接的构件，pipe16是管单元，用来模拟圆管构件。图2至图4分别是臂架俯仰0°、-12°、17.5°时，取料机的有限元模型。

3.2 约束與加载

工作工况时，对四个门腿进行约束，图5是门腿的示意图，约束情况见表5。0表示该方向自由度被约束。

暴风情况下还需要对锚定位沿着大车轨道的方向进行位移约束。根据约束条件按照不同工况分别对模型进行加载。

3.3 强度分析

图6是臂架俯仰角度0度，LCI工况应力云图。可以看出最大应力值为217.864 MPa，已经接近许用值，而最大应力值出现的位置是撑杆上部连接俯仰钢丝绳处，考虑到积料等不稳定因素，最大应力还会增大，此处需要进行优化设计。

3.4 优化分析

应力最大处是箱梁结构，考虑增大横截面积或者增加板厚等来改善受力情况。本次结合实际情况，选择了增加腹板和翼板的板厚，从图7可以看出，最大应力值为178.52 MPa，受力情况明显改善。

表6列出了优化后不同工况下臂架分别俯仰0°、-12°和17.5°时，各部件的最大应力结果。

4 总结

从表6中可以看出，同一工况下，臂架俯仰角度不同，受力情况会有变化，大多数部件在臂架下俯到最大角度12°时的受力情况比俯仰0°和17.5°的大，而臂架在水平时受力最大;不同工况下，受力情况也有差异。根据表2给出的许用应力，整体受力情况满足许用值，达到了设计优化要求。

参考文献

[1] 代向歌.斗轮堆取料机回转平台的结构优化研究[D].中南大学. 2012.