“O”型不解列双车翻车机转子钢结构多工况有限元分析

曲太旭

(大连科技学院机械工程学院，辽宁 大连 116052)

翻车机是一种大型、高效率的机械化卸车设备，用于翻卸铁路敞车所装载的煤矿石、粮食等散状物料，广泛应用于冶金、矿山、发电厂、港口等大中型企业。为了翻卸C80专用不解列铁路敞车，对原有翻车机卸车系统进行改造，设计一种新型 “O”形不解列双车翻车机。

1 “O”型不解列双车翻车机

如图1所示，“O”形不解列双车翻车机主要由托辊装置1、缓冲装置2、压车靠车装置3、上缆装置4、导料装置5、配重装置6、液压系统7、传动装置8等组成。

1—托辊装置；2—缓冲装置；3—压车靠车装置；4—上缆装置；5—导料装置；6—配重装置；7—液压系统；8—传动装置

为了翻卸C80专用不解列铁路敞车，“O”形不解列双车翻车机的旋转中心和铁路敞车车钩的旋转中心在同一高度。根据铁路机车车辆界限要求，设计端环直径为9 m。翻车机采用垂直压车结构，具有不堆积物料的优点。其采用液压缸驱动，夹紧力根据负载的变化，通过液压系统和弹簧力相互作用进行调整，减轻了对铁路敞车的损害。传动装置采用两台90 kW交流变频电机进行驱动，两套传动装置采用同步轴进行连接，保证翻车机转动的同步性。双车翻车机在翻卸物料时现场工况复杂，负载时时变化，在现场使用时存在很多问题。如：前后梁强度不够，出现变形过大的问题；端环底出现焊接裂纹；“C”型双车翻车机转子钢结构整体断裂；整机配重重心不合理，质量大，驱动力矩大。这些问题需要通过有限元计算解决。

2 转子钢结构有限元仿真分析

2.1 仿真单元类型

转子钢结构材料物理属性：材料为Q345B；弹性模量E=206 GPa；泊松比μ=0.3；屈服极限σs=345 MPa；材料抗拉强度σb=630 MPa；密度ρ=7.85×103kg/m3。

转子钢结构的端环、平台、前梁、后梁都由钢板焊接而成，为箱型结构。根据结构和受力特点，其所有单元都可以采用4节点结构壳单元(shell63)。shell63壳单元在每个节点上有6个自由度：绕节点坐标系X,Y,Z轴的转动，以及沿节点坐标系X,Y,Z方向的平面移动，既具备弯曲和膜力的特性，又能承受平面内和法线方向荷载[1]。由于双车翻车机具有对称性，因此可取一半建立力学模型，进行网格划分，力学模型简图如图2所示。

图2 力学模型简图

2.2 工况、载荷与边界条件

双车翻车机所受的载荷主要有:1)自重与配重；2)物料和车辆自重(C80型敞车)；3)液压夹紧力；4)液压系统自重。转子钢结构在工作中所承受的载荷除自重由程序计算外,其他载荷(包括车体及物料产生的轮压、液压系统自重、靠车板支撑杆的作用力、夹紧钩的重力及夹紧力、靠车板油缸作用力、走台栏杆的重力和夹紧钩导向套的重力)均按实际位置加到结构上[2-4]。

翻车机工况复杂，本文选取4种最重要的工况进行有限元分析。4种工况以端环工作位置来定义。工况1：倾角0°时，翻车机空载；工况2：倾角60°时，翻车机满载100 t，压车力6 t；工况3：倾角90°时，翻车机满载100 t，压车力8 t；工况4：倾角150°时，翻车机满载100 t，压车力8 t，冻车(煤没有翻卸)[5]。转子钢结构工况与载荷见表1。

双车翻车机靠底座上的托辊组来支承,托辊处即为边界。其边界条件为:对称面内节点约束了绕X轴、Y轴的转动自由度和Z向移动自由度；端环托辊处约束了径向移动自由度；在端环驱动处约束了X方向、Y方向移动自由度,平台、前梁、后梁允许5 mm轴向变形。

表1 转子钢结构工况与载荷

2.3 有限元计算结果与分析

用ANSYS有限元软件对转子钢结构进行计算，计算结果如图3～6所示。

转子钢结构的材料主要是Q345B，σs=345 MPa，安全系数取值为1.33，许用应力[σ]=259 MPa。

工况1：倾角0°时，双车翻车机空载，无压车力，转子钢结构拉应力σmax=25.2 MPa，切应力τmax=12.8 MPa，最大应力发生在托辊支撑端环的立板处，板厚为16 mm。最大变形为2.02 mm，发生在平台中部靠近垂直压车部位的立板处。

工况2：倾角60°时，翻车机满载100 t，压车力6 t，σmax=103.0 MPa，τmax=53.5 MPa，最大应力发生在靠板后梁侧端环与托辊支撑的立板处，板厚为20 mm。最大变形为9.90 mm，发生在靠板侧后梁中间与靠板相连接处。

图3 30°转子钢结构应力云图 图4 60°转子钢结构应力云图

图5 90°转子钢结构应力云图 图6 150°转子钢结构应力云图

工况3：倾角90°时，翻车机满载100 t，压车力8 t，σmax=73.0 MPa，τmax=36.8 MPa。最大应力发生在靠板侧后梁中间与靠板相连盖板处，板厚为25 mm。最大变形为9.51 mm, 发生在靠板侧后梁中间与靠板相连接处。

工况4：倾角150°时，翻车机满载100 t，压车力8 t，冻车，σmax=93.0 MPa，τmax=47.1 MPa。最大应力发生在靠板侧后梁托辊支撑与端环的立板处，板厚为20 mm。最大变形为5.3 mm，发生在靠板侧后梁中间与靠板相连接处。

3 结论与现场使用情况

本文设计了一种新型的“O”型不解列双车翻车机 ，得到如下结论：

1)工况2倾角为60°时，双车翻车机满载100 t，压车力6 t，应力值与变形最大，工况最恶劣。原因是：翻车机驱动装置处于加速阶段，垂直压车夹紧装置处于压紧状态，液压系统没有卸荷，夹紧力最大，物料刚开始翻卸，自重大。

2)端环与托辊支撑处应力值比较大，转子钢结构所有的力都是通过此处传递给托辊，设计时需要进行加强。

3)后梁与靠板中间连接处变形最大。双车翻车机在翻卸物料时，敞车与物料自重都要靠板支撑，压车力作用在靠板上。后梁相当于简支梁，所以中间受力最大，变形最大，设计时需要加强。

4)双车翻车机所有工况计算应力值都小于材料Q345B许用应力值，翻车机转子钢结构安全。

该“O”型不解列双车翻车机卸车系统2011年在钢厂投入使用，已经使用了8年，翻车效率高。双车翻车机没有出现任何问题，效果非常好，说明有限元计算结果真实可靠。