可折叠装船机钢丝绳作用力研究

郑建能 苏振华 王明旭 夏丽华 刘胜涛 王嘉 刘才民

(1.国机重型装备集团股份有限公司,四川 德阳 618000;2.河南工业大学,河南 郑州 450001)

装船机是目前货物在港口装船使用程度最高的装备,其大致可分为连续型和间歇型两种装船方式[1]。由于海运将不受货物体积、重量的限制,据联合国贸易发展促进会统计,海运货物总重占总出口货物的90%,其商品价值占出口总货物的70%[2-5]。

目前国内对装船机的结构分析、理论计算及控制处于飞速发展阶段。国内内河外海港口码头普遍采用抓斗式、门坐式、桥吊式装船机进行包装粮的装船,作为装船机的关键结构,钢丝绳是最脆弱的部分[6],直接决定着装船机的工作状态、折叠角度及安全性。钢丝绳的不同布置位置将直接影响其受力情况。

鉴于此,本文从包装粮装船机整体结构出发,对两节皮带机进行受力分析,建立出钢丝绳作用力在不同吊点之下与各种载荷、折叠角度的函数方程,找出在相同载荷下钢丝绳最佳吊点位置,以提高装船机整体的安全性。

1 装船机结构及工作原理

1.1 包装粮装船机整体结构

装船机整体结构如图1所示,结构主要包括水平移动行车、左右移动小车、伸缩装置、仰俯装置、回转装置、平衡装置、智能化远程控制装置等构成。装船机通过伸缩装置将皮带机输送过来的包装粮自动装船,皮带机采用基于几何学理论的平行四杆结构,利用多节皮带机搭接及钢丝绳多点支撑技术,解决高效节能自动化桥式伸缩卸料系统在港口码头、中转站多自由度大作业半径灵活装运问题。

(a)结构简图 (b)轴测图1—行车结构;2—平衡配重;3—钢丝绳组;4—皮带机(结构A);5—回转机构;6—皮带机(结构B);7—溜槽(结构C)。图1 装船机结构简图及轴测图Figure 1 Structure and axonometry of the ship loader

1.2 包装粮装船机工作原理

装船机作为一个整体,顶部与行车相连,工作时通过控制行车使装船机行驶到工作位置,根据船舱高度的不同,可通过钢丝绳的伸缩控制装船机折叠角度以达到合适的船高位置。包装粮由行车上方入料口进入装船机结构中,在溜槽与皮带机组成的通道中由上而下输送到装船机底部,进而进入到船舱中,完成装船作业。在装船作业中,包装粮会形成部分堆积,可控制行车行走以及皮带机折叠角度来完成舱中粮食平整堆放。

目前该新型结构的装船系统已在汇福粮油集团应用,物料为豆粕包装粮,装车效率达每小时2400包,图2为工作实况图。

图2 装船机工作实况图Figure 2 Actual working condition of the ship loader

2 建立数学模型与模型分析

2.1 载荷分析

本装船机的主要装船类型以包装粮为主,皮带机的输送方向由上往下,主要受四种载荷:自重载荷、非均布物料载荷、吨包粮冲击载荷与风力载荷[7]。

自重载荷为所有装备不可避免的一种载荷类型,在此不做赘述,按照正常重力分析即可。

非均布物料载荷是由于包装粮的特殊性带来的。对于散装粮,粮食颗粒呈大致均匀状平铺在运输路径上,载荷计算可按照均布载荷进行计算。而包装粮被包装袋包裹在一起,分袋依次由上往下输送,粮食呈现独立聚集状,因此载荷将呈现非均匀状态。

吨包粮冲击载荷发生在物料发生转折处,同样由于吨包粮的特殊性,在物料到达行车主架底部、第一节皮带机的末端及第二节皮带机末端发生对装船机不同方向的小幅度、规律性的冲撞。

风力载荷是因装船机在港口进行装船作业,不可避免受到海风的冲击而产生的,根据风速及作用表面进行计算。

本文主要研究现有结构下钢丝绳的作用点位置对钢丝绳作用力的影响,因此在受力分析模型中对风力载荷暂不考虑。

2.2 建立受力数学模型

对装船机的皮带机进行受力分析,并对部分力进行适当前处理,如图3所示。

(a)结构A (b)结构B (c)结构C图3 结构A、B、C受力分析模型Figure 3 Stress analysis model for structures A, B, and C

装船机结构A及B部分为皮带机,除去输送末端的电动机,其各处质量为均匀分布,在装船机的大尺寸结构之下,可忽略电动机所引起的质心偏移问题,受力模型中将皮带机质心在其几何中心位置处理。吨包粮自重载荷在皮带机上可视为均匀分布,仅在几个转轨处产生脉冲型的冲击载荷。由于皮带机自重及吨包粮自重不随皮带机角度的改变而改变,且都呈均匀分布,为简化计算,将两种载荷统一为G进行处理计算。

平行四边形结构的设计保证了结构C在Z轴方向旋转的自由度,使其永远保持竖直状态。在模型中平行四边形结构对A、B约束采用水平方向的力Fx和垂直方向的力Fy来描述,两个力之间没有固定的数值关系。

分别建立结构A、B、C三个部位的力平衡和力矩平衡方程:

(1)结构A

(2)结构B

(3)结构C

上式中,G1、G2、G3、G4为各种载荷,即可控的变量,本文拟研究钢丝绳作用点对其作用力的影响关系,因此将上述几个变量当作常数处理。Fx、Fy为平行四边形柔性结构对皮带机A、B的约束所赋予的力,其数值关系在受力模型中没有定义,在公式处理中,优先将其进行替换,以α、β、a、b作为替换参数,得到与F1、F2的关系。

求解后得:

(1)

(2)

从式(1)、(2)的分析可知,钢丝绳的作用力与物料在转轨处产生的冲击载荷F3没有直接关系,F2大小仅与所研究变量β、b有关,F1大小与α、β、a、b都有关系。

因α、β与钢丝绳在行车位置d和a、b有相应的函数关系,如图4所示,通过分析建立出α、β与a、b、d的函数关系。

图4 钢丝绳倾斜角度与各部分长度关系图Figure 4 Relationship between the inclination angle and the length of each part of steel wire rope

(3)

(4)

将式(3)、(4)带入式(1)、(2)中,得到F与a、b、d的函数关系,即钢丝绳作用力与吊点位置关系函数。

2.3 模型处理

在Matlab中输入钢丝绳受力函数,拟合出钢丝绳作用力F与自变量a、b、d的变化关系图。结果如图5所示。从公式(2)可知,F2大小仅与钢丝绳在行车上的布置位置b和在下部分皮带机的位置d有关,优先处理F2的函数。

从图5(a)可以看出,F2与b的大小呈正相关,即钢丝绳布置点越远离皮带机下端,维持工作状态钢丝绳所需提供力也越大。F2与d也呈正相关。即要使钢丝绳作用力越小,应尽可能使b与d取较小值。

(a)F2与b、d数值关系

(b)F1与a、d数值关系图5 F1、F2与a、b、d数值关系Figure 5 Numerical relationship between F1, F2 and a, b, d

由式(1)可知,F1大小与a、b、d大小均有相关性,在拟合F1的函数关系时,为使钢丝绳作用力达到最优,采用对F2的拟合结果,即将b值取最小值,考虑到皮带机末端需配置有电动机与轴承端盖,此处取b值为800 mm。在实际工程中可根据真实情况进行b大小取值。

从图5(b)可以看出,F1大小与a呈负相关,即钢丝绳缠绕位置距离皮带机下端越近,钢丝绳所需提供拉力越小。F1与d呈负相关。即要使F1的力越小,应尽可能使a与d取较大值。

对于d值大小,即钢丝绳在行车上的吊点,对F1的分析得知:要使F1越小,d应尽可能取较大值。对F2的分析可知:要使F2越小,d应尽可能取较小值。此时对F1、F2进行耦合分析,以d值作为自变量,F1、F2作为响应值,当使两处钢丝绳中的较大值达到最小,即为最省力的作用点,为行车上钢丝绳的最佳吊点,减小钢丝绳整体的负载,如图6所示。

图6 F1、F2大小与d值关系Figure 6 Relationship between F1, F2 size and value d

求解出结果,当d取4900 mm时,为钢丝绳最佳吊点位置。

3 仿真试验

3.1 模型前处理

用ANSYS有限元分析软件对受力分析模型进行仿真验证。通过SolidWorks建立装船机的简化模型,保留原始模型中的各处尺寸及平行四边形结构[8],钢丝绳简化为两侧一组,在Static Structural中对模型施加载荷与固定约束,装船机顶部为行车,固定约束采用Fixed Support完全约束,模拟在工作状态下行车处于静止状态。

对于模型处理,钢丝绳由于其受力特点,拉力仅在绳索方向上产生,即仅受沿杆方向的拉、压,不受弯矩,选择杆单元link8作为钢丝绳单元类型,ANSYS中常用link8杆单元模拟缆索[9-12]。采用mesh模块进行网格划分,由于其整体结构较大,分析主体为钢丝绳,研究其受力情况,对钢丝绳进行局部加密,其余部分采用Tetrahedrons方法划分,对划分后的模型整体进行检查,共有200 456个单元,392 143个节点,网格质量较好。网格划分如图7所示。

(a)简化模型及载荷 (b)划分网格图7 装船机简化模型、载荷及划分网格Figure 7 Simplified model, load, and grid division of ship loader

根据材料力学原理,二力杆件所受外力与应力和表面积有关,应力与材料弹性模量和应变有关。

由于应力奇异现象的存在,即最大应力值随着网格的不断加密而不断增加,仿真中不能将最大应力值作为参考而应变值不会随着网格的改变有较大差异,且在当前计算机发展状况下,运算结果中应变值与真实情况最为接近,工程中也常用应变值大小作为对象进行仿真分析准确性评估,仿真试验中以钢丝绳等效弹性应变作为观察对象。根据以下公式进行仿真数据的后处理。

F=σA

(5)

σ=Eε

(6)

式中,ε为应变,E为弹性模量,σ为应力。

3.2 拉力试验

在ANSYS静力分析模块进行简单的拉力试验,以评估等效弹性应变作为观测值的可靠性。建立简单的单杆拉伸模型,如图8所示,施加2 N的force模拟装船机中皮带机上的载荷。顶部约束仍采用Fixed Support完全约束。由实际经验可知,在底部有2 N的载荷下,若使整体结构保持静止,结构杆需对板提供垂直向上、大小为2 N的拉力。

(a)拉力试验模型 (b)等效弹性应变结果图8 拉力试验模型及等效弹性应变结果Figure 8 Tensile test model and equivalent elastic strain results

对1.2732×10-7mm/mm的弹性应变结果带入公式进行处理。

F=σA=EεA=1.99962 N

可以看出等效弹性应变作为观测值对于拉力的评估有较好的可靠性。

3.3 求解计算

仿真对钢丝绳等效弹性应变进行后处理,仿真后结果如图9所示。

(a)F1 (b)F2图9 钢丝绳等效弹性应变结果Figure 9 Equivalent elastic strain results of steel wire rope

将等效弹性应变带入公式(5)、(6)进行计算,并与理论结果进行比较,如表1所示。

表1 仿真数据与理论数据对比Table 1 Comparison of simulation data and theoretical data

经数据整理,通过仿真得到的等效弹性应变进行计算后的拉力值与理论公式得到的数据有较好的一致性,其中误差可能是由于数据处理过程中,因模型长度或弹性应变保留精度位数不够从而运算产生的结果。

通过仿真试验,可认为由理论分析得到的钢丝绳受力公式较为可靠。

4 结论

本文对新型可折叠式装船机工作状态下各种载荷进行了讨论,通过对皮带机进行载荷分析,提出了对平行四边形柔性结构受力情况的分析方法,并建立了两组钢丝绳作用力与装船机各种载荷的函数关系式,发现两组钢丝绳受力与物料在装船转弯中产生的冲击载荷无关,自重载荷与物料载荷对钢丝绳受力影响较大。通过ANSYS模拟钢丝绳受力情况,并与理论公式结果进行比较,误差小于1%,可认为理论公式较为可靠。在Matlab中对钢丝绳作用力公式进行化参求解,发现两组钢丝绳吊点位置越靠近皮带机下方,作用力越小,获得了钢丝绳在行车上方的最佳吊点,当前结构下吊点位置距离行车主架4900 mm时,钢丝绳负载最小。研究对提高装船机整体安全性有较好的帮助。