懸臂鋼結構的計算

摘 要:本文對某一堆料機懸臂的結構作了介紹，重點介紹了堆料機臂架的有限元分析情況。

關鍵詞:堆取料機 堆料臂架 有限元

中圖分類號:TH248文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)04(b)-0133-02

頂堆側取式堆取料機是一種新型堆取料設備。霍林河堆取料機是我國目前自行研發的最大直徑的頂堆側取式堆取料機，采用錐殼法定點堆料和分區分層側式刮板取料的工藝，具有占地面積小，儲量大、環保性能好等特點。該設備主要由堆料機、取料機、中心柱及中心落料斗組成。

1 堆料機及結構介紹

堆料機部分主要由兩層回轉平臺、堆料懸臂、配重箱、膠帶機、回轉驅動等幾部分組成，通過一套與中心柱固定的回轉支承繞中心柱回轉，上部通過一套回轉支承支撐來料棧橋。臂架采用桁架結構，應用各種圓鋼管、方鋼管、矩形管、H型鋼等制作梁體本身。兩轉臺間通過立柱支撐，立柱采用H型鋼制造，中間采用角鋼及小H型鋼連接，形成一體結構。小H型鋼同時作為流槽的支撐架。如果將上下轉臺看作一個整體的剛性體，臂架一端通過拉桿與上部轉臺鉸接，臂架根部與下部轉臺鉸接，形成一個三點靜定結構。配重箱上側采用拉桿與上部轉臺鉸接，下側采用壓桿與下部轉臺鉸接，形成一個靜定結構。由于臂架較長，布置上將臂架盡可能向下布置，使得拉桿的角度盡可能增加，減少拉桿對臂架產生的附加壓力。臂架中膠帶機的布置形式與普通地面膠帶機接近，有中間架、支腿等部件。頭尾滾筒與臂架及平臺固定，為有效降低臂架重量，驅動和張緊均布置在膠帶機尾部靠近中心柱。頭部卸料滾筒與臂架固定，不移動。尾部驅動滾筒和增面滾筒通過一個支架連接到一起，驅動裝置也直接固定在該支架上。螺旋拉緊機構則一端與平臺固定，另一端與該支架固定。受空間限制，張緊機構行程較小，為達到較長的張緊行程，在平臺上開有一排距離相同的孔，該孔距離與張緊底座與平臺固定的孔呈倍數關系。張緊到一定行程后，可以將張緊底座移動一個距離繼續張緊。

2 懸臂載荷

作用在懸臂上的載荷主要有:膠帶機懸臂段的自重，包括膠帶、托輥及中間架、支腿等重量，這些重量通過支腿均布在臂架和平臺上，膠帶機頭部的膠帶張力、頭部改向滾筒、張緊裝置等作為集中載荷作用在相應位置上;懸臂走臺，走臺重量近似均布在臂架上;回轉慣性阻力;其它活載等。

主要計算用載荷如下:

a)結構自重:臂架鋼結構重量;b)部件重量:臂架上所安裝的膠帶機、托輥、皮帶架的重量;c)膠帶機輸送帶的張力及滾筒的自重;d)物料重量;e)走臺鋼板重量;f)其他設備:擋料板、頭罩等設備的重量。

3 堆料臂架的力學模型的建立

臂架鋼結構是由多種型鋼桿件和鋼板組合成的空間結構，受有三維方向的力和彎矩作用，根據結構特點和受力情況，有限元分析時簡化成空間鋼架，各桿件均等效為三維彈性梁單元(BEAM189)和三維桿單元(link180)。建立的力學模型如圖1所示。

模型中節點的確定遵循如下原則:

(1)臂架節點為模型的節點;

(2)臂架的連接點或施力點為模型的節點;

為了描述節點坐標、節點位移及節點載荷方向等有關參數，建立模型時取整體坐標系為右手系OXZY，其中Y軸垂直向上。

基于堆料臂架鋼結構一端通過上弦桿用螺栓與支撐聯接，另一側通過吊點聯結。有限元分析時將與支撐聯接點約束，約束X、Y、Z三個方向的線位移為零，和X、Y二個方向的角位移為零。另一吊桿與上平臺鉸接處X、Y、Z三個方向的線位移為零(如圖1）。

4 臂架的計算結果

計算結果主要針對臂架的應力分布和位移分布情況，首先確定臂架各桿件的應力值是否在許可范圍之內，根據我公司習慣，桿件的使用應力不大于120MPa(材質為Q235)，最大變形量不超過1/300，由于臂架自重較大，在保證上述要求的同時需要降低臂架重量，以保證配重量較小。根據計算得到以下的應力云圖和變形云圖。

堆料臂架總體應力圖如圖2所示，詳細應力云圖如圖3所示。

5 臂架自振頻率分析

模態分析用于確定設計結構或機器部件的振動特性(固有頻率和振型)，即結構的固有頻率和振型，它是承受動態載荷結構設計中的重要參數。在進行模態分析時，有限元模型是采用靜力分析時由梁單元構成的線單元模型。模型的質量由密度反映，有限元程序自動計算線單元的體積。在模態分析時唯一的載荷是約束，約束形式與靜力分析相同。經過模態計算得到的臂架的前4階固有頻率如表1所示。前4階振型如圖4~7所示。

根據各階振形圖可以看出，臂架的第1階振型為臂架的左右相對擺動振動，第2階振型為拉桿的伸縮引起的臂架垂直方向的振動，第3階振型為臂架桿件的波浪彎曲振動，第4階振型為左右桿件擺動的扭轉振動。

懸臂上膠帶帶速為4m/s，托輥輥徑159mm，則托輥轉速為8轉/秒，即托輥的振動頻率為0.125Hz，說明托輥的振動不會產生共振現象，頭部改向滾筒直徑為800mm，則滾筒振動頻率為0.628Hz，說明頭部改向滾筒的振動也不會產生共振現象;遠離臂架的驅動滾筒與增面滾筒直徑分別為1000mm和500mm，則驅動滾筒和增面滾筒振動頻率分別為0.785Hz和0.393Hz，均不在臂架固有頻率范圍內，說明上述振源雖然會引起振動，但不會與臂架發生共振現象。

6 結論

基于有限元技術進行數值分析模擬，為堆取料機鋼結構的合理設計提供了有力保證。

參考文獻

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