火车车厢余煤智能清理机器人龙门架有限元分析

吕 磊，董淑超，孔德龙，谢振钊，张洪言，董 超

（1.安徽华电六安发电厂有限公司，安徽 六安；2.山东智信电力科技有限公司，山东 济南）

煤炭在长距离运输过程中不可避免的会出现粘煤和冻煤现象，在翻车机卸车后需要对敞车余留粘煤进行二次清理以提高运力，降低损失[1]。余煤清扫机的出现成功解决了人工清扫存在的诸多问题，但余煤清理机体积和重量都比较大，在清扫完成后需要借助上方的卷扬机将包含煤炭的清理装置提升，这将会对起升该装置的龙门架有很高的要求。本文首先建立龙门架的三维模型，然后对龙门架进行静强度分析，得到龙门架在最大工作状态下是否满足静强度要求。使用subspace(子空间法)对龙门架结构的模态进行有限元分析，得到龙门架结构前六阶固有频率和固有振型[2]。利用分析结果，对龙门架设计的安全性和合理性进行评估，为余煤清扫机龙门架的安全使用提供了理论依据。

1 车厢余煤清扫机龙门架整体结构

余煤清扫机龙门架结构包括立柱、承重梁，导轨等构件，如图1 所示。

图1 车厢余煤清扫机龙门架结构

龙门架承重梁为主要的受力部件，其主要采用工字钢，横截面参数如表1。桥架通过四个滚轮安装在导轨上，桥架上安装有移动小车，移动小车在桥架上可横向移动，卷扬机就安装在移动小车上，卷扬机需要起重的最大重量为16 t，单根导轨的重量为737.9 kg，导轨长度为18 600 mm。其他参数如表1 所示。

表1 余煤清扫机龙门架参数

2 余煤清理机龙门架受力分析

2.1 承重梁工况与受力分析

在该清扫机龙门架结构中，承重梁和立柱是两个主要的承重件，承重最大且极易发生疲劳破坏结构的是承重梁，因此在本文中主要以该清理机龙门架承重梁为研究对象展开相关研究讨论。

2.2 承重梁弯曲强度校核

2.3 承重梁刚度计算

由于实际运用当中，在起重过程中会导致横梁振动剧烈，因此必须对其进行刚度校核[3]。

对于工况一，按梁跨中截面的挠度为最大挠度计算，并由叠加原理可得:

3 余煤清理机龙门架有限元分析

通过上面的理论计算我们可以得知，当桥架的滚轮位于承重梁的中间位置时，承重梁更容易损坏，因此在进行有限元分析时，我们只需对该工况进行相关有限元分析即可。

3.1 模型前处理

为了保证计算结果的精确性，本文采用Beam188梁单元进行模拟，选用ANSYS Workbench 中的Static Structural 模块。在DM 中建立承重梁某段的三维模型，材料选用Q235 结构钢，弹性模量为200 GPa，泊松比0.3。采用梁单元进行强度和刚度分析时对网格要求不高，故采用自动网格划分功能，提高网格划分的分辨率。

梁单元结构，是一个线性单元加一个横截面组成，在一端加一个简支，限制三个移动自由度，两个旋转自由度，在另一端加一个可以轴向约束，即一端为固定铰支座，另一端为可动铰支座。在梁单元的中间位置施加集中力 Fc= 1.04 ×105N，对整段梁施加0.41 N/mm 的线压力，考虑整段梁的自重，其载荷边界条件和位移边界条件的施加如图2 所示。

图2 龙门架承重梁载荷和约束施加图

3.2 承重梁强度结果与分析

对所建模型进行求解，得到其弯矩图如图3 所示，由分析可知该工况下承重梁最大弯矩在梁的中间位置，为 1.6 ×1 0 N∙m，与理论计算结果得到的结果1.7 ×1 0 N∙m误差较小，即说明计算结果较为准确，越靠近两端位置弯矩越小，其中两端的弯矩为5514.1 N·m。

图3 承重梁弯矩图

其等效应力云图如图4 所示，最大应力出现在承重梁的中间位置，为96.242 MPa，小于材料的许用应力157 MPa。即承重梁中部为横梁的危险截面，最容易发生断裂。通过有限元仿真得到的结果与理论计算结果的误差为3.6%。

图4 承重梁等效应力云图

3.3 承重梁刚度结果与分析

图5 是承重梁受力后的位移量及分布情况，由图可知，在横梁中间位置位移量最大为9.16 mm，小于材料的许用挠度12 mm；然后从中间向两端位移量逐渐减小，即两端的位移量最小为0 mm，没有发生变形。从分析结果可知，该横梁结构满足设计要求。

图5 龙门架承重梁变形图

3.4 龙门架承重梁模态分析

为了获取该清理机龙门架承重梁结构的固有频率和模态振型，使用subspace（子空间法）对该主梁结构进行模态分析。前六阶频率如表2 所示。

表2 龙门架承重梁模态固有频率

该龙门架结构中所用的起重机属于轨道式起重机，主要考察起重机龙门架承重梁在垂直方向和水平方向的固有振型[4-5]，即振型五与振型三，同时设计规范考虑起重机的使用性能，要求龙门架承载结构由起重机运动引起的水平振动固有频率不应小于0.5 Hz，垂直振动固有频率不得小于2 Hz[6]。从车厢清扫机龙门架承重梁模态固有频率分析表中可以看出，该清扫机龙门架承重梁的第五阶模态固有频率为38.768 Hz，远大于设计规范所要求的水平方向的固有频率值0.5 Hz。第三阶的固有频率为33.572 Hz，大于设计规范所要求的承载结构在垂直方向的固有频率值2 Hz，因此该承重梁的动态刚性满足设计要求。

4 结论

本文主要以车厢余煤清理机龙门架上的承重梁为研究对象，通过理论计算与有限元仿真，得到了以下结论：

（1） 通过有限元仿真得到的强度和刚度结果与理论计算结果的误差仅为3.6%和6.5%，误差率较小，因此，我们可以借助有限元方法辅助我们进行梁类及其他类似结构的力学分析。

（2） 通过有限元仿真得到的承重梁的弯曲应力值小于材料的许用应力；得到的承重梁的最大位移量小于材料的许用挠度，所以承重梁所用材料满足具体使用要求。因龙门架中的承重梁是龙门架中的主要承重架之一，是最易发生疲劳破坏的构件，因此，承重梁满足设计要求即说明龙门架满足设计要求。

（3） 从龙门架承重梁模态固有频率分析表中可以看出该承重梁的最低固有频率为12.499 Hz，大于要求的水平和竖直的固有频率，因此该承重梁的动态刚性符合设计规范。