斗轮堆取料机臂架结构疲劳寿命的影响因素分析

（华电郑州机械设计研究院有限公司，河南 郑州 450046）

1 斗轮堆取料机的特点

1.1 斗轮取料机的分类

斗轮取料机由于其特有的机械特点，在港口、冶金和电厂等散货堆料场中具有十分明显的优势。对于斗轮取料机而言，不同的使用场所斗轮机的种类也是不同的。例如，在港口中斗轮取料机需要进行货物的转存和堆放，而对于电厂等工作场所斗轮机则需要持续稳定的输送燃料。因此，斗轮机根据使用场所的不同可以分为臂架式、门式、桥式、刮板式取料机。根据取料方式的不同，我们又可以将斗轮堆取料机分为臂架式和门式2 种类型[1]，如图1 所示。

图1 斗轮取料机的分类

1.2 斗轮取料机的工作特点

对于斗轮取料机而言，其最早是根据挖掘机发展而来的。早期的斗轮取料机主要是在散货堆场中起到斗轮挖掘作用。随着堆场的堆存量的激增以及功能需求的变化，斗轮挖掘机逐渐与取料机的功能相结合，演化成为斗轮取料机。通过对斗轮取料机的工作特点进行分析，我们发现斗轮取料机主要是通过前端的斗齿对物料进行切割来实现对货物的挖取。然后通过斗轮的旋转来将货物进行输送。斗轮取料机的前端斗对货物的切割具有破坏力小、运输能力大和稳定等优点。斗轮取料机和其他的机械挖掘和运输设备而言具有以下4 个特点[2]。

1.2.1 挖取、转运作业能力强

斗轮取料机由于能够实现对货物的挖取和运输的一体化，能够持续地进行货物的运输和传送，同时，斗轮取料机能够自由灵活地围绕货物场地进行运转，能够实现灵活便捷不间断地进行货物的运输。因此，斗轮取料机相较于其他的机械挖掘和运输设备而言，具有工作能力强、货物运输效率高等特点。

1.2.2 单位时间内堆取料成本低

正是由于斗轮取料机具有工作效率高、适用性强等优点，具有非常高的取料成本。同时，斗轮取料机对货物的挖取是通过斗齿插入到货物当中，通过斗齿对货物进行切换来实现货物的运输。由此我们可以发现整个料斗具有非常大的填充率，在单位时间内斗轮取料机具有非常高的取料效率，具有非常高的能耗比。

1.2.3 投资回报率高

斗轮取料机的移动是通过下部的轨道进行的，所以能够沿着布置在堆料场四周的轨道进行运动取料。因此，斗轮取料机具有非常好的延伸性，能够大大的提高斗轮取料机的工作效率，一个斗轮取料机能够满足2 个甚至多个料场的货物的运输和传送，具有非常高的投资回报率。

1.2.4 自动化程度高

近年来，随着自动化控制信息技术的飞速发展，斗轮取料机已经初步实现了取料的自动化和远程操作功能。例如，操作人员能够在原理斗轮机的司机室对斗轮机进行操控，而这一操作过程具有操作简单便捷等优点。

2 斗轮堆取料机结构及臂架结构分析

2.1 斗轮堆取料机的基本结构

根据上文分析，斗轮取料机的分类非常多，但是其基本的结构是大同小异的。为了准确地对斗轮取料机的基本结构进行分析，该文以湛江港的DQ6000/4500 斗轮堆取料机为例进行分析，如图2 所示。从图2 可以发现，斗轮取料机的主要是由斗轮、臂架、皮带机、立柱、配重、行走机构、门座和回转平台等结构组成的。

进行结构仿真分析首先需要确定斗轮机的受力荷载类型。根据《散货连续装卸机械设计规范》的设计准则对斗轮取料机的平均受力荷载进行分析，斗轮取料机的臂架的常见荷载统计见表1[3]。

表1 斗轮堆取料机载荷类型

图2 斗轮堆取料机的组成示意图

2.2 斗轮堆取料机的参数

斗轮取料机中最为重要的结构为臂架，臂架工作的稳定性和寿命将直接影响着整个斗轮取料机的工作稳定性和寿命。对斗轮取料机的寿命进行仿真分析，首先需要对整个斗轮取料机的工作状态和参数进行分析，才能够确保斗轮取料机的仿真计算准确无误。该文的湛江港 DQ6000/4500 斗轮堆取料机的工作性能参数见表2。

表2 湛江港 DQ6000/4500 斗轮堆取料机主要性能参数

3 臂架结构疲劳破坏结果分析

通过计算结果分析，我们可以寻找出臂架的最薄弱位置。而这一最薄弱位置就为臂架结构的最危险截面。通过疲劳计算方法可以对结构的疲劳强度进行计算和分析，来判断斗轮对取料机的臂架的结构疲劳强度是否满足设计要求。

该文臂架的疲劳计算寿命按照公式（1）进行校核，通过公式（1）可以计算出该斗轮堆取料机臂架的实际疲劳年限，如下：

式中：Ty采用30 年疲劳寿命计算，Nf为疲劳校正系数。

根据计算公式对臂架的头部拉杆大梁、中部拉杆大梁以及尾部撑杆大梁进行疲劳寿命评估，评估结果见表3。

表3 疲劳计算评估结果

4 臂架结构疲劳强度影响因素及改进建议

计算表明，臂架的最危险截面位于箱梁薄壁以及焊缝处。但是在实际工作中，臂架的使用寿命还具有非常多的其他影响因素，例如工作温度和支撑结构的连接位置等。由于篇幅有限就不对其他因素进行分析。根据计算结果，该文提出了2 点改进建议。进行该该文

4.1 臂架结构强度

分析显示臂架结构强度的缺点，结合实际情况分析可以发现箱梁板较薄容易造成疲劳损伤，进而降低使用寿命。因此，该文提出了增加臂架箱梁翼缘板厚度的改进建议。具体改进建议为翼缘板从 16 mm 增加到 20 mm，腹板从10 mm 增加到12 mm。然后对改进后的臂架进行疲劳分析，分析结果见表4。

表4 改进后的疲劳评估结果

4.2 建议提高臂架结构的焊接工艺和焊接质量

造成臂架结构疲劳寿命短的另一个重要原因是臂架结构的焊接工艺和焊接质量低。因此，提高臂架结构的焊接工作和焊接质量也是十分必要的。通过优化焊接工艺可以避免出现几何不连续性的裂纹，提高疲劳强度[5]。

5 结语

该文通过对湛江港的 DQ6000/4500 斗轮堆取料机的臂架进行分析，对斗轮机的受力荷载状态进行分类，根据斗轮机的力学参数为基础进行仿真计算分析，通过计算结果对最危险截面进行疲劳状态分析，并对结果进行分析针对性地提出了改进措施和建议。