基于可靠性斗輪機的結構優化

金海龍 張健睿

摘 要：現代工業的施工機械不僅要求有較高的強度和穩定性，還要求設備的輕量化，尤其針對大型工程機械，所以對大型工程機械的優化設計就顯得至關重要。文章對斗輪機的結構進行具體的分析，并提出了相應的優化設計，為斗輪機的設計者及使用者提供了有效的支持，同時為同類工程機械的結構優化提供了借鑒。

關鍵詞：斗輪機；結構優化；可靠性；分析

引言

斗輪機是一種料場散貨專用的堆取工程機械，一般用于大型散貨港口、大型鋼鐵廠的礦石或煤炭原料場以及火電廠的儲煤場等類型場所。在工業使用上會因為物料的不同以及使用工況的不同而選用不同的斗輪機參數，它的主要工作原理是通過斗輪連續取料，再用帶式輸送機進行連續堆料，從而達到連續不斷的供給原材料的機械。與間歇式工作的起重機和裝載機相比較，斗輪機具有效率高、堆取能力強、運行速度穩定、功率變化小、自動化水平高、占地面積小等優點。斗輪機作為大型工程機械同樣具有苯重、不靈活等缺相，尤其是斗輪機的俯仰結構是斗輪機的核心部件，在工作中需要上下俯仰和水平旋轉，它的重量嚴重影響了斗輪機的工作效率。文章通過對斗輪機結構的優化設計，為斗輪機的推廣使用提供有力的支持。

1 基于可靠性斗輪機的結構優化研究

1.1 斗輪機的結構及工作原理簡介

斗輪機的主要結構有回轉機構、斗輪機構、行走臺車尾車、帶式輸送機以及俯仰結構。斗輪機構是用于取料的執行結構，由斗輪和斗輪的驅動裝置組成；俯仰結構是斗輪機進行工作的核心結構，也是整個斗輪機中受力最復雜的結構，它的工作方式有取料和堆料兩種，在進行取料工作時，物料由斗輪帶動進入帶式輸送機，由帶式輸送機運走，同時通過俯仰結構的選擇和上下移動選擇取料位置，以便于將料堆取盡，而堆料過程與之相反，由輸送機將物料放在臂架的傳輸帶上，由傳輸帶送到斗輪處，拋灑在料場上，然后通過臂架的旋轉、俯仰保證料堆成梯形斷面分布。斗輪機是連續規律工作的，容易實現自動化，在控制方式上分為手動、半自動以及自動三種，而俯仰結構是斗輪機的核心結構，它的靈活性是斗輪機工作效率的關鍵，所以對俯仰結構進行優化設計是至關重要的，將它的重量作為一個優化目標，在滿足其它條件的情況下，重量越小越好，所以文章以斗輪機的俯仰結構作為研究對象進行可靠性優化設計。

1.2 斗輪機俯仰結構可靠性優化設計的理論分析

在傳統機械設計中，大多采用材料強度的許用應力作為約束條件進行設計，這樣的方法簡單易行，具有一定的參考價值，已經被大多數的設計者采用，但是卻忽略了參數的隨機性和離散性兩個最很重要的因素，所以設計的工業產品在進行安全系數選擇時具有很強大的近似性和經驗性，不是符合客觀實際的最優方案，也不能定量的反應工程系統的可靠性，所以有必要引入機械可靠性設計對斗輪機俯仰機構進行優化設計。

在機械設計中，為了保證結構的安全工作，通常將設計的結構強度高于系統的工作壓力，但對于可靠性設計來說，由于結構的強度值與應力值都具有很大的離散性，所以應力強度仍然有可能高于結構的強度，即結構存在失效的可能性。因此，我們應該運用現代機械可靠性設計的理論，在忽略設計參數的隨機性和離散型條件下，建立了基于可靠性的斗輪機結構優化設計模型，對斗輪機結構進行優化設計，引入可靠性許用應力的新概念。

對于可靠性優化設計來說，主要目的是研究將機械設計與機械可靠性設計進行有機結合的可能性。綜合兩種機械設計理念，使設計在滿足定量可靠性的前提下，進行機械設計不能定量的可靠性設計，用精確的理論設計取代傳統的經驗近似設計，使斗輪機在作業中能夠靈活俯仰以及選擇，對它的俯仰結構進行可靠性的優化設計，具有很大的經濟效益和實用價值。

1.3 斗輪機俯仰結構的優化設計

對斗輪機俯仰結構的可靠性優化設計，主要是對機械可靠性設計中基礎理論公式進行變差系數的計算，即不能將參數當成定值，而是視為離散的隨機變量，從而減輕有關作業負荷、結構尺寸、材料強度等統計特征數據的影響。

選定設計變量，建立目標函數。選取水平臂架、立柱截面尺寸、前拉桿、平衡重拉桿以及撐桿截面積為設計變量，以俯仰結構的總體積最小，即結構自身種量最輕為優化目標。

約束條件的選取及原因分析。考慮俯仰結構的生產制造工藝和維護保養的需要，鋼板厚度不能低于6mm，同樣考慮到鋼板的焊接性能和機械性能，鋼板的厚度不能超過20mm，考慮到料場使用的方便，立柱高度不得超過8m，俯仰結構的水平臂架要采用雙工字鋼做組合梁，立柱采用雙箱型鋼作組合梁，這些組合在工作過程中反復受到壓力、彎矩的組合負載，為了保證俯仰結構的整體穩定性和局部穩定性，工字鋼的寬度、厚度、寬厚比以及高厚比必須符合國家標準規定的工字鋼選用標準。

可靠性許用應力和剛度的計算。進行可靠性優化設計的關鍵在于可靠性許用應力的計算，根據機械可靠性設計的選用標準可知：斗輪機結構的16Mn鋼的可靠性參數為：μδ=345MPa，Cδ=0.054，σδ=μδXCδ=18.63MPa。取斗輪機俯仰結構的可靠度為0.999，則可靠性系數為z=3.09，所以可靠性許用應力公式應為：

根據此公式求得各構件在可靠性為0.999時的許用應力如表1所示：

優化算法選擇。對于斗輪機俯仰結構這樣的多變量、多約束條件的非線性優化問題，常用的優化計算方法有模擬退火、遺傳算法、拉格朗日法等。其中模擬退火算法比較適合解決這種大規模組合優化問題，能夠受較少的初始條件和初始點的限制，在一定的條件下收斂于整體最優解集。

計算結果分析。經過生產實際運算結果證明：使用可靠性結構優化設計后，斗輪機俯仰結構的各個截面明顯減小，與優化前相比，重量下降了27.6%。

1.4 可靠性優化設計的意義

經過可靠性優化設計的研究分析發現，它具有以下特點：首先可靠性優化設計考慮了設計參數的隨機性和離散性，比傳統設計更接近客觀實際；其次可靠性優化設計在滿足傳統的定量可靠度的基礎上，使設計方案更優，這對大型工程機械優化應力分布和結構布局，減輕設備重量，節省材料，降低工程造價，具有重要意義；再次這種可靠性許用應力的設計方法簡單有效，具有很大的可推廣性，可以廣泛在同類型機械中使用。

2 結束語

文章首先對斗輪機的結構和工作原理進行了詳細的描述，并論述了斗輪機進行優化設計的必要性，然后通過與傳統設計方法對比，說明了可靠性優化設計的理論和優勢，最后對斗輪機俯仰機構的可靠性優化設計的關鍵理論進行了探討，并結合優化結果與生產實際說明了這種優化設計方法的意義，為斗輪機的生產者和使用者提供了有效的理論支持，也為同類型的工程機械進行優化設計提供了一種有效的借鑒方案。

參考文獻

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