DBK2000.43型堆料機門座架及行走機構靜力學分析

朱明

（安徽工業(yè)大學機械工程學院，安徽 馬鞍山 243002）

0 引言

堆料機是一種目前世界上最大的散裝物料堆垛輸送機械，因其自動化程度高、生產率高、能耗低、成本低等特點，被廣泛應用于碼頭及鋼鐵冶金、煤礦、火力發(fā)電廠、化工等原料儲運廠［1-2］。DBK2000.43型堆料機自20世紀90年代設計投產，至今已運行二十余年，從未進行過大面積的停機檢修，所以對堆料機進行靜力學分析十分必要。同時也為該廠的設備維護和更新提供技術支持。

門座架是由厚度不同的鋼板通過焊接而成，最小厚度為10 mm，最大厚度為20 mm，局部位置用鋼板加厚且由高強度螺栓連接，以提高強度剛度。它的作用是支撐回轉軌道、回轉機構、主體梁以及俯仰機構。同時還起到與行走臺車連接的作用。

行走機構的主要作用是用來移動和支撐整個堆料機，主要由支撐機構和驅動裝置組成。支撐機構主要包括：鞍座、主動臺車和從動臺車。支撐機構底部通過臺車車輪與地面軌道接觸而支撐在地面上，上部分通過連接銷軸將鞍座與門座架連接起來，從而支撐堆料機的上面部分。驅動裝置主要包括電機、減速器、制動器等。司機室內通過開關啟動電機，使得主動臺車轉動并帶動從動臺車在軌道上前后移動，通過控制制動器使得行走機構停止。

該型號堆料機由20世紀90年代設計生產。傳統(tǒng)的設計方法主要是依靠經驗，往往會造成外形尺寸偏大，而易忽略內部的薄弱環(huán)節(jié)［3］。本文以堆料機門座架和行走機構為研究目標，在危險工況下（即懸臂架與X軸成45°角），運用有限元分析軟件ANSYS對其進行靜力學分析，得到其應力和變形值，分析其安全性。

1 堆料機質心位置計算

由于堆料機結構的整體性，在研究門座架和行走機構的同時，還應考慮其他部分機構對其的影響，因此本文將其他部分機構的質量等效成質量節(jié)點，通過質量節(jié)點對回轉軌道的作用力來模擬真實情況。

對于質心坐標過程中用到的坐標系做如下設定：以回轉軌道上表面圓心為原點；X軸正方向沿懸臂架方向；Z軸為豎直方向，向上為正；Y軸為水平垂直懸臂架方向，司機室側為負。根據式（1）計算出其他部分機構的質心位置：

式中：x1、x2、……xi為各機構質心 x 軸坐標；y1、y2、……yi為各機構質心y軸坐標；z1、z2、……zi為各機構z軸坐標；m1、m2、……mi為各機構質量；x0、y0、z0為堆料機質心坐標。

根據廠方提供的圖紙資料和三維建模軟件，計算出質心位置，并將其轉換成ANSYS中的坐標為：x=-0.7032，y=6.8047，z=9.9706。

2 有限元模型的建立

針對堆料機回轉機構下部的結構特點、有限元分析特點和現(xiàn)有計算機資源的綜合考慮，對該堆料機門座架和行走機構進行如下的簡化并在ANSYS中建立整體的有限元模型。

1）只考慮主要金屬結構，對其他附帶結構僅考慮其重量并放在主要結構的重量內考慮。2）忽略焊縫、高強度螺栓等，由于堆料機回轉下部機構主要由金屬鋼板焊接而成，考慮到整體模型的龐大，忽略焊縫的影響；回轉軌道支撐部分除了與門座架焊接之外，還設有軌道夾，由于軌道夾數(shù)量過多，會導致有限元網格過多，計算量大幅增加，故本算例省略軌道夾。3）忽略連接銷軸及傳動軸的軸承蓋，改用綁定接觸綁定軸承和軸承座。忽略下部行走軌道，通過對行走輪施加約束來模擬真實情況。4）將回轉機構和回轉上部機構的質量等效成質量節(jié)點施加在回轉軌道受力面上。

2.1 網格劃分

考慮到主要金屬結構都是由鋼板焊接而成，門座架、回轉軌道支撐部分以及其他薄壁部分使用殼單元（Shell 181單元），為了更好地模擬焊接情況，使用工作平面（Work Plane）將相交的兩個面沿相交線切開，切開后相交線處會出現(xiàn)兩條重合的線，然后使用Merge Items命令將重合線的關鍵點（Key point）合并，使之成為一條線；行走臺車殼體、行走車輪、連接銷軸、傳動軸及回轉軌道等使用實體單元（Solid 186單元）。其中Shell 181為4節(jié)點6 自由度，Solid 186 為 20 節(jié)點 6 自由度［4］。

在網格劃分之后，設置各部分的材料屬性，其中Q235 鋼彈性模量 E=2.1×1011，泊松比為 0.3，密度 ρ=7.85×103kg/m3。根據金屬結構部分使用的鋼板厚度，設置殼單元實常數(shù)。

2.2 約束條件與載荷的施加

1）約束條件。根據實際情況，由于省略了行走機構的行走軌道，將行走輪組中一個車輪施加全約束，其余車輪施加豎直方向上的約束。行走臺車的車輪與殼體之間、殼體與殼體之間以及門座架與行走臺車之間的連接通過設置接觸對來模擬現(xiàn)實的裝配關系。

2）施加載荷。計算出堆料機其他部分機構質量和質心位置，通過在其質心位置添加一個集中質量，并將此質心節(jié)點與回轉軌道和回轉臺車接觸面通過無質量梁單元進行連接。風載取25 kg/m2，加在門座架和行走機構迎風面上。懸臂膠帶機質量與工作載荷等效到回轉上部機構和回轉機構等效質心上。在堆料機門座架和行走機構施加載荷和約束后的情況如圖1所示。

圖1 門座架和行走機構有限元模型圖

3 有限元分析結果

對堆料機門座架和行走機構整體進行有限元計算，得出結果顯示，整體最大米塞斯應力為219 MPa，如圖2所示，出現(xiàn)在行走臺車外殼之間連接處。整體最大變形為4.1 mm，如圖3所示。

圖2 整體米塞斯應力圖

圖3 整體變形圖

圖4 門座架有限元分析結果

圖5 行走機構有限元分析結果

4 結論

運用ANSYS對堆料機門座架和行走機構進行靜力學分析，得到其應力與變形情況。分析結果表明：門座架最大米塞斯應力為145 MPa，出現(xiàn)在薄板焊接處，最大變形為3.6 mm；行走機構最大米塞斯應力為219 MPa，出現(xiàn)在臺車殼體連接軸處，最大變形為2.5 mm。最大米塞斯應力均小于Q235屈服極限（σs=235MPa），因此可以得出結論：DBK2000.43型堆料機門座架和行走機構強度剛度符合要求，設備運行正常。但是，在日常設備維護和保養(yǎng)的過程中，應當著重注意這些危險點的應力變形情況，以保證生產的連續(xù)和安全。

［1］ 彭白水.華泰重工：領跑中國散料輸送設備制造業(yè)［J］.建筑機械與管理，2006，19(8)：50.

［2］ 耿華.斗輪堆取料機工作裝置動態(tài)特性研究［D］.長春：吉林大學，2007.

［3］ 王玉梅.斗輪堆取料機門座架有限元分析及優(yōu)化［J］.企業(yè)技術開發(fā)，2011，30(5)：92.

［4］ 王新敏.ANSYS結構分析單元與應用［M］.北京：人民交通出版社，2011.