基于有限元法的頂堆側取中堆料裝置鋼結構分析

摘 要：通過有限元法對頂堆側取中堆料裝置的鋼結構進行了靜力學分析，得出了變形和強度；并對其進行了模態分析，得出其固有頻率和振型，為設計提供了理論依據。

關鍵詞：頂堆側取；鋼結構；有限元

1 頂堆側取式堆取料機是一種新型的混勻堆取料機，一般用于大型原煤儲料車間。由于采用封閉式廠房，對于環境保護有著很大的好處，現在廣泛應用于電廠、鋼廠等領域。

作為頂堆側取中重要的一部分，堆料裝置承擔了堆料的任務。由于其承受了來料棧橋的重量，同時由于自身重量過大，以及堆料時很容易產生振動的現象，因此其結構的合理性是頂堆側取產品設計和提高性能的關鍵。

2 堆料裝置鋼結構強度、剛度分析

2.1 有限元分析模型的建立

堆料裝置采用懸臂式帶式輸送機堆料，不帶有俯仰功能。堆料裝置布置在中心柱上部，通過兩套回轉支承分別與中心柱和來料棧橋固定并繞中心柱回轉；堆料裝置主要由上部回轉平臺、下部回轉平臺、堆料臂架、配重箱、膠帶機等幾部分組成。

為了更好的模擬整個堆料裝置，在各個位置采用不同類型的單元進行模型。在上部回轉平臺、中部回轉平臺處模擬成板單元，堆料臂架處模擬成梁單元，前后拉桿則模擬成桿單元。整體有限元分析模型如圖1所示。

2.2 載荷、約束及工況的確定

堆料裝置的載荷包括配重、改向滾筒、驅動滾筒、擋料板、平臺欄桿、物料、驅動裝置重量、張緊機構、溜槽重量以及棧橋對整個堆料裝置的作用力。載荷多數為鋼結構上面的機構的重量。

約束中部回轉平臺下面與回轉軸承連接的坐圈，約束三個方向線位移即可。

本次計算分為二種工況進行，工況一為空載沒有物料的情況，工況二為滿載有物料的情況。

2.3 配重的確定

配重的作用為平衡前臂架以及上面的膠帶機和物料的重量。配重選取的依據為在滿載有物料工況上，整個堆料裝置的重心在回轉中心處。這樣空載時，堆料裝置的重量比較輕，由于偏心所產生的對于中柱的彎矩相對比較小。

2.4 計算結果

通過對堆料裝置的計算，得出總變形云圖如圖2所示，各主要部位的應力及整機最大位移如表1所示。

由表1的數據清楚的看出，各主要部位的應力均小于其許用應力，整機的變形也小于其許用變形。由此可以看出，結構的剛度、強度均滿足要求。其中一些部位的應力比較小，有必要對其進一步優化。

3 頂堆側取堆料裝置臂架的模態分析

3.1 模態分析方法

在模態分析時，必須用質量單元去模擬堆料裝置上面機構的重量。這樣計算出的結果才準確。而約束則可以與靜力學計算的方式相同。其余模型均與靜力學計算的模型一致。

本文模態計算方法采用分塊BlockLanczos法。通過計算得出鋼結構前4階振動的固有頻率和振型。

3.2 模態分析結果

經過計算，堆料裝置的前四階固有頻率及主要振型如表2所示。第1階振型（如圖3所示）為臂架垂直方向的振動，為影響鋼結構的主要振型。

堆料裝置上面膠帶機中托輥、頭部滾筒和驅動滾筒為主要激勵源。膠帶機帶速為4m/s，托輥的輥徑159mm，得出托輥振動頻率為8Hz，頭部滾筒直徑為800mm，即滾筒振動頻率為1.59Hz，驅動滾筒直徑為1000mm，則驅動滾筒振動頻率為1.27Hz，均不在臂架固有頻率范圍內，說明上述激勵源雖然會引起振動，但不會與堆料裝置發生共振現象。

4 結束語

堆料裝置在實際工作中，鋼結構及其受力均較為復雜，使用有限單元法分析，可以很好的模擬其真實的應力情況。大幅提高了設計的可靠性及安全性。

通過計算，得到了各部分的應力及變形，均滿足強度及剛度要求。并且其部分區域應力較小，可對其進行進一步的優化，使整體應力分布最優化。計算得出其固有頻率和相應的振型，可判定能否發生共振，為設計提供了重要的依據。

參考文獻

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作者簡介：趙興鋼，男，北方重工集團有限公司裝卸設備分公司，碩士，專業：載運工具運用工程，工程師。