側式懸臂堆料機來料車大支腿應力應變分析

崔 強，蔡 琳

CUI Qiang1, CAI Lin2

（1.安徽機電職業技術學院，蕪湖 241000；2.江西新余學院 現代教育技術中心，新余 338004）

0 引言

自80年代初期以來，側式懸臂堆料機在我國水泥、煤炭、冶金等行業的原料預均化堆場已得到廣泛的應用，其優越性已越來越被認可。來料車大支腿是堆料機的重要鋼結構部件和主要受力部件。堆料機工作時，堆料機行走機構帶動來料車大支腿帶動堆料機縱向運動(矩形料場)，或者繞著中心軸回轉運動(圓形料場)，同時來料車大支腿支撐側式懸臂來料車帶式供料系統，將帶式供料輸送機上的物料，按要求堆積到料場的指定位置。

懸臂式堆料機的來料車大支腿結構大、支承條件有限，大支腿的受力對其自身和整個堆料機的強度、剛度和穩定性都有較大影響。以徐州礦務集團水泥廠實際應用的側式懸臂堆料機為例，使用中發現局部大支腿因疲勞撕裂，需要停機補焊，耽誤水泥生產線正常生產。因此在保證來料車大支腿功能的前題下，合理確定來料車大支腿各部分尺寸，可改善來料車大支腿與整機的受力，減少堆料機后期維護費用[1]。

1 有限元模型的建立

側式懸臂堆料機主要由行走機構、液壓變幅機構、懸臂部分、來料車、電纜卷盤、司機室、軌道系統等組成，如圖1所示。其工況條件為： 裝機功率：70kw；堆料能力：正常800t／h；皮帶速度：3m/s；行走速度：20m/min；變幅范圍：最大+20.5°到-11.5°；工作+18°到-11°；側式堆料機自重：110t左右。

本文以側式懸臂堆料機來料車大支腿作為研究對象，從側式懸臂堆料機來料車大支腿結構的特點和實際的分析目的出發，對側式懸臂堆料機來料車大支腿的模型作如下簡化[2]：

1）由于來料車大支腿的各桿之間為焊接結構，焊接可靠，可以認為是剛性連結；

2）略去對來料車大支腿剛度影響小的小孔和附屬物，例如皮帶，扶梯、護欄等；

3）來料車大支腿與其余各構件的連接，視為完全接觸。

圖1 側式懸臂堆料機

利用SolidWorks軟件對側式懸臂堆料機來料車大支腿進行精確的三維實體模型繪制。為了能完整地表征側式懸臂堆料機的力學特性，首先將裝配圖另存為‘*.part’零件格式，通過SolidWorks自帶‘合并’命令將兩兩位置不變的構件定義成一個剛體，并去掉不必要的機構，這樣來料車大支腿就簡化為1個剛體。

由于ANSYS的支持導入文件格式是Para solid格式的模型文件，所以把在SOLIDWORKS生成的來料車大支腿模型轉換成Para solid格式的‘*.x-t’文件就可以了。 將模型文件導入到ANSYS軟件中，ANSYS自動生成該模型，定義模型材料類型，泊松比和密度等，按solid45單元網格劃分[3]，得有限元模型有182929個單元和593868個節點，有限元模型如圖2所示。

圖2 來料車大支腿有限元模型

2 計算與分析

分別分析側式懸臂堆料機來料車大支腿在不同工作狀態下的的力學性能：1）靜止狀態滿負荷情況下；2）逆向勻速行駛狀態（與皮帶行駛方向相反）滿負荷情況下；3）正向勻速行駛狀態（與皮帶行駛方向相同）滿負荷情況下。

側式懸臂堆料機來料車大支腿在靜止狀態滿負荷情況下，受力主要是斜梁和物料對支腿頂面A的重力G1，斜梁對支腿頂面A的側向力F1，皮帶對大支腿上滾輪B作用力P1， 皮帶對大支腿下滾輪C作用力P2，大支腿的自重G和滾輪對地板D的支撐力，考慮ANSYS中分析方便，將滾輪對地板D的支撐設為固定約束，如圖3所示。

側式懸臂堆料機來料車大支腿在逆向行駛狀態滿負荷情況下，受力包括靜止狀態時的G1，F1，P1，P2，G以及來料車底盤對大支腿前連接板E的壓力N1和牽引桿對大支腿后連接板H的壓力N2，將滾輪對地板D的支撐設為固定約束，如圖4所示。

圖3 大支腿靜止狀態受力示意圖

圖4 大支腿逆行狀態受力示意圖

側式懸臂堆料機來料車大支腿在正向行駛狀態滿負荷情況下，受力包括靜止狀態時的G1，F1，P1，P2，G以及來料車底盤對大支腿前連接板E的拉力N3和牽引桿對大支腿后連接板H的拉力N4，將滾輪對地板D的支撐設為固定約束，如圖5所示。

在ANSYS中對側式懸臂堆料機來料車大支腿模型按照上面分析的結果施加載荷和約束。以左底板D面中心為原點， D-H方向為x軸正方向，D-A方向為y軸正方向，D-C方向為z軸正方向建立笛卡爾坐標系，通過ANSYS后處理，在大支腿外表面X點附近建立x軸方向路徑，繪制路徑節點在xy方向上的的應變曲線，圖6-8所示。

從圖6-8可得，側式懸臂堆料機來料車大支腿外表面X點（x=0.04）在xy方向上的的應變值。在靜止狀態下，X點應變理論計算值約為1.114με；在逆向行駛狀態下，X點應變理論計算值約為-7.8με；在正向向行駛狀態下，X點應變理論計算值約為13.89με。

圖5 大支腿正行狀態受力示意圖

圖6 靜止狀態X點應變曲線

圖7 逆行狀態X點應變曲線

3 現場測量應變

應力應變電測方法是實驗應力應變分析方法中應用最廣泛和適用性最強的技術之一。對于多通道應變測量系統，為了減少測量前的準備工作，提高測試效率，一般都采用單臂工作橋路。此處我們使用TST3827動靜態應變測試分析系統，將X點位置的油漆和鐵銹等雜物清理干凈，粘貼箔式金屬應變片，連續測量X點在三種不同工況下的應變曲線，測量結果如圖9所示。

圖8 正行狀態X點應變曲線

圖9 測量結果

在圖9中，0-30s側式懸臂堆料機來料車大支腿在靜止狀態（0-29.9s）滿負荷情況下，穩定運行時其應變平均值為3.2858με；

在逆向行駛狀態（29.9s-83.7s）滿負荷情況下，穩定運行時其應變平均值為-8.7072με；在正向行駛狀（83.7s-114s）態滿負荷情況下，穩定運行時其應變平均值為15.0868με。X點應變仿真與測量比較，如表1所示。

測量結果中，應變突變主要發生在工作條件變化時。即當堆、取料機以30m/min速度運行時，電動機轉向發生變化， 由于大型設備自重較大，因此保持慣性運行的能力較大，所以短時內設備仍會保持高速運行，造成沖擊過大，引起晃動現象，對金屬結構造成一定影響。

表1 X點應變仿真值與測量值比較

理論計算值和實驗相關測點的應變對比可以發現，模型計算結果要普遍小于試驗結果但相差不大，即可認為模型可靠的，其結果是可用的。通過分析對比結果，筆者認為造成仿真結果和實驗誤差的原因主要有以下兩點：

1）模擬仿真時， 運物料皮帶張緊力采用了理論計算值，而且認為是傳動勻速穩定的，但實際生產現場皮帶是變速的和強烈震動的，所以模型計算雖然與實驗結果相差不大，但仿真結果應比實驗結果略小。

2）側式懸臂堆料機大立柱腿主要基于多剛體建模，模型比較復雜，在建模時做了過多簡化。機體其他部分作為一個剛體處理，而且在各零部件的接觸處理上只有相關的約束副，沒有考慮零部件間的碰撞和摩擦，模型中作用力低于實驗值。

4 結論

1）通過實驗及有限元的分析計算，可認為模型可靠的，其結果是可用的機身的。側式懸臂堆料機大立柱腿強度與剛度都符合要求，而且整個的計算結果具有較高的計算精度。

2）側式懸臂堆料機來料車大支腿在三種工況下，其應力應變均在其屈服極限內，但在電機反轉時應變突增，因此應考慮改進電控通過重新設定減速時間參數，從而降低了減速引起的沖擊。

3）根據得到應力應變分布情況，建議對關鍵結構尺寸作了一些調整，如加大支腿梯形下拐角處角度和牽引桿與支腿連接處板材厚度，減少應力應變，以達到結構優化的目的。

4）應用虛擬樣機建模和有限元分析方法， 對堆料機大立柱腿受力作了仿真分析，可以簡化堆料機的設計開發過程，減少開發成本。

[1]馬魁文, 楊好志.懸臂式堆料機臂架的優化設計.起重運輸機械, 第8期, 20O7, 7-12.

[2]李 媛.石油修井機井架的有限元應力應變分析.青島農業大學學報(自然科學版)第26卷, 第1期, 2009, 49-51.

[3]楊明.Ansys軟件與其它CAD/CAE/CAM軟件的接口問題.哈爾濱鐵道科技, 2004, 13-15.

[4]薛永杰, 李宏堆.取料機行走減速過程中整機結構沖擊過大原因分析及對策.港口科技, 第9期, 2006, 36-37.