连续式卸船机辅链斗安装失效分析与优化设计

2020-12-30周仲元谭康超段建强

港口装卸 2020年6期

周仲元谭康超段建强

宝钢湛江钢铁有限公司

1 引言

连续式链斗卸船机是一种利用链斗从散矿船舱内挖取物料并将物料通过机内输送机系统卸至码头上的散料卸船机械。宝钢原料码头链斗卸船机辅链斗在生产作业中曾发生数次损坏现象，失效根源未能确定，给生产、设备维护造成一定的困扰。为解决链斗卸船机辅链斗安装失效问题，通过Creo Parametric 5.0对辅链斗进行数字三维建模，模拟安装装配，并利用其集成的Simulate模块进行有限元分析及优化结构设计。

2 辅链斗有限元分析

2.1 分析参数与模型

根据设计制造厂提供的随机图纸资料，通过Creo软件对辅链斗、驱动鼓盘、垫板、高分子抗磨块进行1∶1尺寸三维建模，并按装配图纸的安装装配工艺要求对其进行模拟装配。

链斗斗体设计容积0.65 m3，设计矿石比重2.0～3.3 t/m3，按设计最大比重矿种计算，即满负荷状态下，每一链斗矿石重量为：0.65×3.3=2.145 t。所以按2.145 t载荷进行静态分析，在载荷选项里面选择力/力矩选项，对辅链斗进行载荷定义，载荷面选辅链斗中心区域及前侧板。辅链斗、垫板、驱动鼓盘皆为Q235B低碳钢，故模型材料选择定义为“Steel_low_carbon_heat_treated”；高分子抗磨块材料选择“PA66-GF”[1]。本分析拟定其工作状态为辅链斗旋转作业过程中，链斗中自由落体卸下的散矿对辅料斗产生冲击力的受力状况，故约束部位设定为驱动鼓盘，约束类型为位移约束[2]。

为了得到装配模型最准确的有限元分析结果，三维建模、安装工艺都尽可能吻合设计图纸及安装工艺。图纸中的辅链斗、垫板与驱动鼓盘安装，除了螺栓装配紧固外，还通过填充焊、点焊固定。所以在分析前，需对模型进行精细化处理。通过Simulate模块内的“精细模型”工具，对辅链斗与垫板、垫板与驱动鼓盘进行焊缝处理。

2.2 静态分析及失稳分析

2.2.1 静态分析

静态分析用来模拟模型结构的刚度和强度，根据约束和载荷条件计算模型的应力和应变。从辅链斗有限元分析结果来看，其应力主要集中在辅链斗腹板与面板的焊接部位，辅链斗与驱动鼓盘连接部位，应力及应变较小，在安全范围内(见图1)。应力集中的辅链斗腹板与面板焊接部位容易最先出现失效现象，与现场辅链斗磨损情况吻合，验证了有限元分析结果的正确性。同时说明分析时设定的约束集、载荷集是正确的，分析结果可为后续分析提供条件。

图1 静态分析结果

2.2.2 失稳分析

失稳分析是在静态分析结果的基础上分析模型的稳定性，即模型在载荷作用下是如何发生变形的，以及变形量的大小等。从失稳分析结果可知，在极端情况下，辅链斗可能会发生沿驱动鼓盘轴向方向侧向偏摆位移，当偏摆位移量过大时，辅链斗侧翼可能与提升链条发生干涉，造成辅链斗损坏(见图2)。辅链斗腹板在生产运行中，由于洒落料的冲刷，会造成其一定程度的磨损，导致侧向晃动失稳加剧，这也验证了为什么辅链斗失效损坏多发生在投产1年后的原因。

图2 辅链斗失稳分析结果

2.3 失效原因分析

在设计上该结构存在轴向的偏摆位移晃动失稳，辅链斗可能与提升链条干涉导致损坏。同时，在现场调研发现，施工安装时未完全按照图纸装配工艺要求，对垫板、螺栓进行填焊、点焊处理。辅链斗受周期交变负荷冲击，未填焊、点焊处理容易导致安装螺栓松动，造成连接失效。

安装施工缺陷，可通过对垫板、螺栓填焊、点焊消除。结构失稳，可通过优化设计消除。

3 优化设计

从失稳分析结果可知，辅链斗结构腹板稳定性存在一定欠缺，可以从辅链斗腹板着手，解决辅链斗失稳问题。结构强度提升，常见方案有材料加厚、采用高标号材料及失稳处结构加筋等手段。

3.1 材料加厚

材料加厚，可通过Creo的敏感度分析来确认材料厚度变化对结构加固的影响。一般来说，模型上的应力及位移，会随着材料厚度增加而减少，但材料厚度增加，会造成构件质量大幅度增加。在允许的强度范围内，应尽量选择相对薄的厚度。对不同厚度的腹板重新进行失稳分析可知，当辅链斗的腹板厚度由8 mm加厚到10 mm后，即可解决辅链斗侧晃问题。