基于ANSYS的装船机结构力学分析

车路

(大连华锐重工集团股份有限公司港口机械设计院，辽宁 大连116013）

0 引 言

装船机是一种港口大型散料装卸设备，其主要用于散料码头，将堆场中的散料（如铁矿石、煤炭、粮食等）通过带式输送系统装入船舶的连续转运机械设备。装船机作为主要的码头装船设备，通常为连续工作，其特点为工作载荷较大、工作环境复杂、工作时间较长，它的运行状态在一定程度上直接决定了该码头的物料输送能力[1]。近几年，因铁矿石及煤炭散货海运量逐年增加，为了满足转运散货船舶的大型化发展需求，进一步提高码头运营效率，装船机正在向大型化和高效化方向发展[2]。装船机可实现连续装船作业，物料经由带式输送机从料场运送到装船机尾车，再通过装船机上转载溜槽、臂架带式输送机送到臂架头部，经过抛料溜筒或抛料勺输送到船舱中，从而完成整个装船作业[3]。因装船机设备在码头工作，长期负载运行，同时由于其结构复杂，故对装船机进行结构强度计算分析尤为重要，对保障港口码头企业正常运行及安全生产具有重要意义。本文以大型装船机金属结构为主要研究对象，进行结构载荷组合与强度计算研究，运用有限元分析理论，在产品设计阶段进行结构力学分析，确保设备在使用中安全可靠，以满足装船作业的需要。

1 装船机的组成

装船机主要由门架、臂架及臂架皮带机、伸缩溜筒、尾车及过渡皮带机、大车走行装置、俯仰装置、回转装置等组成[4]。装船机主机的主要结构包括大车行走、门架、回转架、主梁、平衡臂、立柱、臂架、拉板等设备。装船机的主要机构包括大车行走机构、臂架俯仰机构、臂架回转机构。

2 装船机基本载荷计算

装船机在整个工作过程中主要承受自重载荷、物料载荷、残余物料载荷、持久性动态载荷、带式输送机张紧力引起的最大载荷、臂架前端完全受阻载荷、风载荷等。

1) 自重载荷。自重载荷由机器固定质量和活动零部件的质量（总是出现在运行中）组成，同时包括压载、保护涂层及永久安装在机器上的辅助和备用部件质量。

2) 传送带物料载荷F。计算公式为

式中：f为动荷系数；Q为生产能力，t/h；l为传送带的长度，m；Vb为传送带的速度，m/s。

3) 残余物料载荷V。在输送装置上，残余物料载荷按输送机均匀分布的理论设计物料载荷F的10%来计算，计算公式为

式中，F为传送带物料载荷。

4) 持久性动态载荷。持久性动态载荷是由部件和机器总体运动的加速或减速引起的惯性力。持久性动态载荷必须取为以下较大值：a.由于主驱动装置（如运行、回转、转向）运行（包括制动）引起的载荷;b.通过将动态效应系数应用到相关的结构组件所计算的垂直和水平载荷。

5) 带式输送机张紧力引起的最大载荷。输送机在活载荷下启动、停止或正常运行期间发生的由于皮带张紧力引起的最大载荷。

6) 臂架前端完全受阻载荷。臂架前端碰到船体，前端被架起，钢丝绳完全松弛。在采用许用应力设计方法的情况下，有关强度的安全系数不得小于1.1。

7) 滑槽堵塞载荷。考虑到物料从尾车到装船机的落料点的堵料及溜筒堵料。被堵塞的溜槽、装船机溜筒、料斗等内的物料质量的计算必须以物料松散状态密度与以下容积总和的乘积为基准：a.溜槽或料斗容积；b.考虑物料休止角的溜槽或料斗上任何可能出现的过载容积;c.考虑物料休止角的停留在次要结构或表面上任何可能出现的溢出物料的容积。

8) 运行偏斜载荷。对于轨道式机器，车轮与轨道接触时的总运行偏斜力必须是为偏斜运行确定的偏斜反作用力加上为采用与质心不一致的驱动力前行确定的偏斜反作用力之和。

在驱动力Hx与机器质心不一致的情况下，由于前行运动引起的偏斜反作用力的计算必须假定在适当的情况下所有的Hyij均相等，并且假定能承受住与Md·Hx·lg等效的惯性力矩，如图1所示。

图1 由于前行引起的偏斜反作用力

式中：Md为动力系数；lg为驱动作用线距质心的距离,m；a为轨距，m。

9) 风载荷计算。结构和结构元件的设计风压，应按下式进行计算：

式中：q为正常作用于表面的设计风压，Pa；V为设计风速，m/s。

3 装船机载荷组合

1) 装船机工作状态。a.臂架水平，大车运行机构静止，皮带机正常工作;b.臂架向下，各机构均处于静止，皮带机停止工作，锚定状态。

2) 工况组合。工况组合分为无风工作工况、有风工作工况及暴风非工作工况。

无风工作工况。此时臂架保持相对静止状态，大车移动，带式输送机正常工作，由自重载荷、传送带物料载荷、残余物料载荷、持久性动态载荷、带式输送机张紧力引起的最大载荷、运行偏斜载荷等形成的载荷组合。

有风工作工况。此时臂架保持相对静止状态，大车移动，带式输送机正常工作，由自重载荷、传送带物料载荷、残余物料载荷、持久性动态载荷、带式输送机张紧力引起的最大载荷、运行偏斜载荷、风载荷等形成的载荷组合。

暴风非工作工况。此时各机构均处于静止，皮带机停止工作，臂架及整机处于锚定状态，由自重载荷、残余物料载荷、风载荷等形成的载荷组合。

4 ANSYS力学建模与分析

现以某装船机的主要参数进行分析计算，额定装船效率为12 000 t/h，轨距为14 m，臂架俯仰最大为15°、最小为-10°，臂架回转角度为±40°。因该装船机的各个结构件的结构型式主要由工字钢、箱型梁、管等杆件组成，故将装船机模型按照各个结构形式，采用ANSYS[5]不同的单元类型，分为臂架、立柱、平衡臂、主梁、回转架、门架和大车行走等几类建立模型，如此形成一个整体结构模型，有限元模型如图2所示。针对不同工况下的有限元模型进行计算，可以计算其应力、变形。

图2 装船机有限元模型图

对所有工作工况进行分析，各部件最大应力如表1所示，均满足要求；对非工作工况进行分析，各部件最大应力如表2所示，均满足要求。

表1 工作工况中最大应力

表2 非工作工况中最大应力

5 结 论

本文对装船机的基本载荷及工况进行了讨论，应用ANSYS建立装船机有限元模型，对装船机各结构进行了详细的力学分析，得出各结构的应力大小，从分析结果可以看出，其在非工作工况下，风载荷对设备造成较大的影响，在设计中对强度薄弱部位应进行加强。实践证明，利用有限元软件对装船机等结构组成复杂、组成部件大型化的港口机械进行结构分析是一种可靠的计算方法。