基于破碎站卸料臂结构的优化设计①

周文兵

(铜陵职业技术学院机械工程系,安徽 铜陵 244061)

0 引 言

在煤矿露天开采时物料运输非常关键，这就需要依靠大型移动破碎站这种机械设备对煤矿与土方等物料进行运移。自移动破碎站因其具有给料、破碎以及运输等多项功能，并具有运移效率高、使用寿命长和运营成本低等诸多特点成为半连续露天煤矿开采中必不可少的机械设备。相较于西方发达国家，我国在大型自破碎站的研发上起步较晚且技术水平存在着较大差距，目前主要依赖于进口，但是鉴于作业现场环境差异影响，使得自移动破碎站出现了不少的问题，严重影响了开采的效率[1]。

目前国内众多科研工作者对破碎站的性能提升方面展开了一定的研究，如张庆民(2004)对半移动式破碎站的总体钢结构进行了改进与优化[2]；陈树召(2012)通过建立综合优选模型对大型他移式破碎站的受料仓结构、移动步距等进行了优化，从而实现了性能、效益的最大化[3]；杨柳松与王炳龙等人(2018)通过仿真分析半移动破碎站平台在极限条件下的相关稳定性参数进行验算，并以欧洲规范为标准优化破碎站平台结构[4]。而自移式破碎站相较于半移动式、他移式灵活性更高，但是卸料臂结构跨度更大，这使得在恶劣作业环境下极易发生变形扭曲、断裂等问题，因此更需要加强结构设计，使之更为合理，保障煤矿作业的安全性。以3000t/h大型自移式破碎站为研究对象，针对其卸料臂结构存在的问题，并对结构进行进一步改良与优化。

1 卸料臂结构设计

自移式破碎站是集破碎、运输、给料等功能为一体的机械设备，而卸料臂是自移式破碎站不可或缺的，其主要起到破碎物料运输作用。

根据我国露天煤矿开采的现实需求，需改变引进现状，加强自移式破碎站研发与创新。在3000t/h大型自移式破碎站的基础上进行研发，其卸料臂系统的结构初始设计图见图1(a)，共由皮带运输、受料斗以及主体钢结构等构成，其中主体钢结构如图1(b)所示。卸料臂设计采用两个分肢的格构式梁搭建主体钢结构，呈现“先宽后窄”的变化特点，并且其中存在着过渡段。对此依据“先宽后窄”变化特征，可将主体钢结构梁划依次划分为始段、过渡段与末段。

卸料臂结构组成部件中承载负荷最大的是卸料臂钢结构的始段，始段不仅承载了电机、减速机、张紧机构等大重量部件，还受到了破碎后物料的冲击力[5]。

根据卸料臂三段的受力特征，对初始设计的结构做如下调整：一是改变始段分肢的腹梁结构以增强抗冲击性能；二是将始段的等截面工字钢梁更改为矩形截面箱型梁；三是采取双液压缸支撑[6,7]方案，能有效减少或避免钢结构偏载问题的出现。

图1 初始设计

2 力学特征仿真分析

自移式破碎站卸料臂在正常作业时所承受的外载荷，根据需求分别对正常气候、恶劣气候与地震三种工况条件下的力学特征进行仿真分析。

2.1 工况1：正常气候

该情况表示无大风，没有低温的条件，且卸料臂存在物料和冲击载荷。从正常气候工况条件下卸料臂总位移云图中，最大位移主要发生于末端漏料口位置，最大值为19.292mm；该工况下的等效应力最大值(85 MPa)比Q345钢的屈服强度要小得多，且主要在连接末段与过渡段的两个主梁的上下翼缘位置产生。

2.2 工况2：恶劣气候

该情况表示高寒大风的环境，且卸料臂受到物料与冲击载荷。其中最大位移为30.08mm，主要在始端横梁的上下翼缘位置产生，且易发生很大程度的扭曲与变形；等效应力最大值高达210 MPa，主要集中于始端横梁的两端。结构部件的材料受到低温影响承载能力大打折扣，很容易造成破损或断裂，影响作业安全。

2.3 工况3：地震作用

自移式破碎站还需考虑到抗震作用，本次设计成果预计在鄂尔多斯地区使用，根据《规范》查阅结果显示，设防烈度为7度，卓越周期为0.45s[8]。最大位移与最大等效应力分别为2.62mm、13.9 MPa，这表明了设计的卸料臂结构具有良好的抗震效果。

3 结果讨论

3.1 结构优化设计

根据上述的力学行为仿真分析结果可以得到，自移式卸料臂在高寒大风工况环境下存在很强的安全隐患，在始端横梁的上下翼缘位置发生扭剪与变形，对此需要对卸料臂结构的始段横梁进行改良与优化，在维持卸料臂梁结构不变的基础上将始段横梁的工型钢梁更改成矩形箱型，以提升破碎站卸料臂的安全系数，如图2所示。

图2 始段横梁截面(单位：mm)

图3 优化后卸料臂恶劣气候下总位移云图(单位：mm)

图4 优化后卸料臂恶劣气候下等效应力云图(单位：Pa)

3.2 数值模拟分析

为验证设计方案的合理性，对优化后的卸料臂结构在恶劣气候条件下的力学特征进行仿真模拟，模拟结果如下图3、图4所示，优化结构后的最大总位移和最大等效应力分别为19.683mm、86.2 MPa，相较于优化前最大总位移量减少了10.397mm，最大等效应力值也减少了123.8MPa，通过对比可知优化后的卸料臂结构更为稳定，安全系数得到明显提高，这也证明了优化设计方案的合理性。

4 结 语

通过对三种工况下卸料臂结构的力学特征进行仿真研究显示，在大风、高寒作业环境下，卸料臂结构的始段横梁容易发生扭曲与变形，安全性能受到恶劣气候环境影响大幅度下降。并根据仿真结果将原有的始段处“工”型横梁截面更改为“箱”型，数值模拟结果显示优化后的卸料臂结构更为合理化，安全系数明显增强。