翻車機鋼結構優化設計

（北方重工集團有限公司，遼寧 沈陽 110027）

翻車機鋼結構優化設計

李紹偉 呂 卓 呂家歡

（北方重工集團有限公司，遼寧 沈陽 110027）

本研究采用Ansys有限元分析軟件對翻車機進行計算，根據不同工況的受力情況得出主體鋼結構在5種工況下的變形情況及應力水平。分析發現，翻車機主體鋼結構的剛度及強度都有很大的富余，因而對翻車機主體鋼結構進行了優化處理，經過優化處理的翻車機鋼結構總體質量輕了24.6%。降低了制造成本。

翻車機；鋼結構；有限元分析；優化設計

一、概述

C型轉子翻車機（圖1）在火力發電廠使用到設備中最為常見，其端梁又開口，并呈現出倒扣的C形，能夠允許撥車機通過，同時也對其配置了撥車機，在進行作業的過程中需要對鐵路敞車進行脫鉤處理。采用液壓壓車以及靠車是其設備的最大特點，使得靠車力以及壓車力得到了顯著的減少，一次降低了列車的損耗，得到了鐵路部門以及用戶的好評。此外該機型具有合理科學的結構、質量較輕，旋轉中心同中心幾乎在一處，并且驅動功率較小，該轉動功率是目前國際中翻車機本體所需的最小值。

二、結構的設計分析

停車平臺、側梁以及頂梁和C型的兩個端梁共同組成了翻車機的主體鋼結構。停車平臺以及頂梁、側梁均為箱型結構，由鋼板焊接而成，其獨自成為一個個體，通常在安裝時使用焊接的方式將其同端梁連接。由于端梁結構為C型結構，使得撥車機能夠準確在翻車機中對重車進行定位，實現作業的自動化。但是該種端梁在結構上存在不足，因此其結構采用箱型截面用以對其不足進行彌補，大大的提高了端梁的抗扭性以及抗彎性。該轉子翻車機中主要設置了液壓夾緊裝置、活動靠板以及固定平臺等。待貨車開入設備后，活動靠板便向貨車的一側靠近，拖住其側墻板，車幫受到壓車裝置固定，當完成靠車和壓車后才能進行旋轉卸車。通過液壓釋能系統將貨車彈簧力逐漸隨著荷載的減小而釋放，避免由于過大的壓車力造成敞車車幫受到外力損壞。端梁外圓處有專門的軌道用以承受載荷，并設置大齒圈結構，使得其同驅動裝置小齒輪相互嚙合，用以翻轉車機的主體，完成整個卸料的過程。在頂梁中設置有配重結構，用以對鋼結構的主體偏載進行平衡，以此降低由于力的不平衡造成的驅動功率降低幾率，減少由于翻轉對車機造成的沖擊。

圖1

圖 2

表1

三、翻車機主體鋼結構有限元分析

翻車機的整個工作周期最終需要轉至165°位置，起始位置為0°，待所有物料全部卸除后，在由最終的165°逐步轉回0°位置，從實際的現場工作情況需要，以下歸納了十一種工況的計算情況。文章中所提到的情況僅僅是由于翻車機的角度有所差異，各工況下的翻車機作用角度都根據實際情況的不同而不同，但荷載方向基本相同，僅僅大小具有差異，因此不同的工況下，因此，需要根據工況確定重力加速度轉動方向，實際的工況可以通過對各個荷載大小計算方式進行改變予以實現。經過相關有限元分析以及計算，得出翻車及的載荷分布及載荷大小如表1。

翻車機的具有較為龐大復雜的結構。為了對建模的工作量予以減少，從而提高計算速度，首先應當對翻車機鋼結構的主體予以簡化。翻車機主體鋼結構的端梁，平臺，側梁，頂梁采用4節點結構殼單元。翻車機的鋼結構主體在設備中呈現為對稱性平面結構，在建模的過程中主要以中間面作為兩端梁對稱面，對稱邊界的條件則在頂梁、側梁以及平臺同對稱面相交的位置進行施加。在有限元模型建立的過程中省略了位于端梁邊緣的鋼軌，在極坐標系下限定接觸處的UX方向自由度。在托輥同端梁之間的接觸點，選取一節點，對UZ方向以及UX方向的自由度在極坐標系下進行限定，經過建模、劃分網格、加載、限定邊界條件后。

表2

經過計算各種工況并對比發現最大應力及變形發生在0°工況，其應力最大值達到155.099MPa，在驅動小齒輪同其嚙合的位置，該處板厚大約是20mm，小于許用應力[σa]=244MPa，最大變形為10.377mm（見圖2）。對移動式連續散料搬運設備的鋼結構設計相關規定要求都能夠予以滿足。

四、優化設計

由分析得出翻車機主體鋼結構應力水平普遍較小，因此很有必要進行優化設計。本文采用ANSYS軟件提供的零階方法，使用狀態變量和目標函數的逼近對結構進行優化。

設計變量：根據翻車機主體鋼結構鋼板的位置不同及厚度不同，設定了單元15個參數設計變量。

目標函數：選取以重量最輕為優化目的。其密度為定值，所以只要整體的體積得到優化即可達到整體質量優化的目的，因此本文選取了翻車機主體鋼結構所有材料的體積和作為優化的目標函數。

狀態變量：本文所確定的狀態優化過程的狀態變量為結構的強度、剛度。

通過20次迭代后完成計算，優化前后的翻車機主體鋼結構設計參數前后對比見表2。按照設計變量優化取整后的數據重新對翻車機主體鋼結構進行靜態分析，結果表明這種方式很大程度的降低了制造成本。

結語

文章所研究的兩臺翻車機在投入使用的三年中，運行狀態一直良好，因此就說明文章中所介紹的設計方式具有一定的可行性。

[1]趙連琦.國內外翻車設備的發展及使用簡介[J].機械化設備，1998（04）：18-24.

[2]張文生，戴財生.翻車機卸車系統發展方向的探討港工技術[J]，2007（06）：24-28.

TG45 < class="emphasis_bold"> 文獻標識碼：A

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