基于ANSYS 的臂式斗輪堆取料機上部鋼結(jié)構(gòu)分析

呂 巖 趙興鋼

（北方重工集團有限公司，遼寧 沈陽 110027）

1 概述

斗輪堆取料機是最大的散料處理成套設備，隨著火力發(fā)電廠、港口碼頭、鋼鐵、礦山等散料輸送系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，斗輪堆取料機開始向大型化的方向發(fā)展。斗輪機的上部鋼結(jié)構(gòu)承受著自重、物料、挖掘力、風載荷等垂直、水平及側(cè)向等多種載荷，同時，由于結(jié)構(gòu)的非對稱性，還承受著附加扭矩載荷，因此其結(jié)構(gòu)的合理性是斗輪堆取料機產(chǎn)品設計和提高性能的關鍵。

2 研究內(nèi)容及方法

本文以非洲礦業(yè)項目DQL4000/3000·45 臂式斗輪堆取料機上部鋼結(jié)構(gòu)為研究對象，應用大型有限元分析軟件ANSYS對初始設計方案進行有限元建模，并進行靜力學分析和模態(tài)分析，達到既滿足結(jié)構(gòu)強度又達到降低成本的目的。

2.1 上部鋼結(jié)構(gòu)計算

2.1.1 計算工況

該斗輪機俯仰形式采用整體液壓俯仰，計算臂架水平、臂架上仰至上限位置（11.3°）及臂架下俯至下限位（-10.5°）三種狀態(tài)。以及三種工況，分別是：工況Ⅰ，斗輪機受自重載荷作用；工況Ⅱ，斗輪機正常取料；工況Ⅲ，斗輪機超載挖掘取料。

2.1.2 載荷種類

斗輪堆取料機鋼結(jié)構(gòu)的載荷分為主要載荷和附加載荷。主要載荷有：①恒載荷；②變動有效載荷；③動載荷；④正常挖掘阻力。附加載荷：①風載荷；②非正常挖掘阻力。

2.1.3 有限元模型的建立

基于上部鋼結(jié)構(gòu)的特點，型鋼以及銷軸等主要承受拉伸、壓縮和彎曲的長細比構(gòu)件均采用梁單元BEAM44 模擬，拉桿兩端鉸接主要是軸向力，因此用桿單元LINK10 模擬。臂架、塔架完全采用板殼單元SHELL63 建立模型，從而反映其復雜的受力情況。有限元模型如圖1 所示。

圖1 結(jié)構(gòu)模型及加載情況

2.1.4 應力計算結(jié)果

上部鋼結(jié)構(gòu)的等效應力云圖如圖2所示，各部分的應力值見表1。所有應力值均小于Q345 號鋼的屈服極限。其最大應力發(fā)生在塔架上，大小為193.9MPa，而其他部位的應力有的比較少，因此可以進一步優(yōu)化，使鋼結(jié)構(gòu)更合理。

圖2 上部鋼結(jié)構(gòu)應力云圖

表1 上部鋼結(jié)構(gòu)應力

2.2 上部鋼結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

對于斗輪堆取料機上部鋼結(jié)構(gòu)這樣的大型鋼結(jié)構(gòu)求解低階固有頻率網(wǎng)格的劃分與靜態(tài)分析有所不同，整個模型應采取比較均勻的網(wǎng)格。這是因為固有頻率和振型僅與結(jié)構(gòu)總體的質(zhì)量分布和剛度分布有關，不存在類似應力集中的現(xiàn)象，其次，均勻網(wǎng)格可使結(jié)構(gòu)剛度矩陣和元素大小不至相差太大，可以減小數(shù)值計算誤差。

計算模態(tài)采用分塊BlockLanczos 法。通過對上部鋼結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析,得出鋼結(jié)構(gòu)前4 階振動的固有頻率和振動模型（見如下圖表）。

2.2.1 上部鋼結(jié)構(gòu)模態(tài)分析結(jié)果

表2 模態(tài)分析結(jié)果

2.2.2 上部鋼結(jié)構(gòu)振動振源及頻率

圖3 上部鋼結(jié)構(gòu)滿載時前四階振型

（1）設備振源主要存在于以下幾個位置：①斗輪裝置工作產(chǎn)生的振動；②膠帶機滾筒產(chǎn)生的振動；③膠帶產(chǎn)生的振動；④物料運行產(chǎn)生的振動。

（2）振源頻率分析計算：①料斗的沖擊頻率：0.933Hz；②驅(qū)動滾筒產(chǎn)生的頻率：1.162Hz；③頭部卸料滾筒產(chǎn)生的頻率：1.452Hz。

可見，激勵頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率間的差值較大，可以認為這些激勵源不會引起共振。這對實際生產(chǎn)時，避開這些容易引起共振的頻段有一定的指導意義。

結(jié)語

上部鋼結(jié)構(gòu)是斗輪堆取料機的重要組成部分，由于斗輪機的結(jié)構(gòu)構(gòu)成及受力狀態(tài)復雜，用傳統(tǒng)的力學方法很難準確地對其進行受力狀態(tài)分析。借用現(xiàn)代有限元分析方法，能夠模擬實際結(jié)構(gòu)和多種工況，得到比較真實的受力狀態(tài)分析結(jié)果，模態(tài)分析得出其固有頻率，并與激勵源頻率做出比較，避免共振發(fā)生，也為結(jié)構(gòu)動力特性的優(yōu)化設計提供依據(jù)。

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