堆料機懸臂的靜力分析

2015-07-20 03:36:32劉冬梅劉紅力北方重工集團有限公司裝卸設備分公司研究所遼寧沈陽110000

中國新技術新產品 2015年6期

王輝劉冬梅劉紅力（北方重工集團有限公司裝卸設備分公司研究所，遼寧沈陽 110000）

堆料機懸臂的靜力分析

王輝劉冬梅劉紅力
（北方重工集團有限公司裝卸設備分公司研究所，遼寧沈陽 110000）

摘要：側式懸臂堆料機是散料堆放的理想設備，可以采用定點堆料方式或人字法堆料方式將物料堆積成長形料堆，以達到物料的均化和貯存的目的。本文利用有限元分析軟件并結合手算對DB200/16.5側式懸臂堆料機的懸臂進行靜力學計算，對其典型的幾種工況進行分析，驗算了其強度，剛度及穩定性。

關鍵詞：懸臂；應力；屈曲

1 引言

側式懸臂堆料機主要用于水泥建材、煤炭、電力、冶金、化工等工業行業，可以對石灰石，煤，鐵礦石、輔料等進行預均化處理，可以根據需要設定堆料方式，與取料機配合使用后可以大幅提高散料的均化效果，保證原料的穩定性，是散料儲存及均化的必備設備。懸臂承載著用來輸送物料的整個膠帶機機構，其受力狀態隨著堆料機的作業工況的改變而時刻變化著。本文對DB200/16.5側式懸臂堆料機的懸臂進行靜力學分析，對其進行強度、剛度及穩定性計算。

2 側式懸臂堆料機基本構造及工作過程

2.1 堆料機結構主要分如下幾部分：

（1）懸臂部分；

（2）導料槽；

（3）膠帶機；

（4）來料車；

（5）行走機構；

（6）液壓系統；

（7）軌道部分；

（8）電纜坑；

（9）照明系統；

（10）檢測系統；

（11）電纜布線系統等組成。

2.2 來料車將地面皮帶上的物料通過導料槽轉送至懸臂膠帶機，懸臂膠帶機將物料運送到頭部卸料滾筒處，利用擋料板調節落料點位置，在行走機構的行走及俯仰機構的變幅動作下，完成物料的定點式堆料或往復式的人字形堆料。

3 懸臂的結構

懸臂架由兩個變截面的工字型梁構成。橫向用鋼板和角鋼連接成整體。工字型梁采用鋼板焊接成型。因運輸限制，臂架分段制造、現場焊接成整體。懸臂架上面安有膠帶輸送機，膠帶機隨臂架可上仰下俯。懸臂尾部設有配重箱，箱內裝有混凝土配重塊。

懸臂兩側設有走臺，走臺上鋪設鋼格板，一直通到懸臂的前端，以備檢修、巡視膠帶機。懸臂下部設有兩處支撐鉸點。一處是與行走機構的三角形門架上部鉸接，使臂架可繞鉸點在平面內回轉；另一處是通過球鉸與液壓缸的活塞桿端鉸接，隨著活塞桿在油缸中伸縮，實現臂架變幅運動。液壓缸尾部通過球鉸鉸接在三角形門架的下部。如圖1所示。

4 懸臂的靜力學分析

本設備中懸臂的工作范圍為上仰6°、下俯8°，本文取（1）工作風壓滿載下俯8°，（2）工作風壓滿載水平，（3）工作風壓空載上仰6°，（4）非工作風壓空載水平四種工況進行分析。本文采用普通應力分析法進行構件設計，結構材料的許用應力及載荷工況依照JB/ T8849-2005移動式散料連續搬運設備鋼結構設計規范，且懸臂在俯仰過程中速度很低，不考慮慣性力的作用，行走機構速度也較低，不考慮沖擊系數的影響。

由于懸臂結構主截面全部由鋼板組焊而成，所以模型采用板單元模擬，橫連角鋼類似于空間桁架結構，采用桿單元模擬誤差不大，并且可以提高計算效率，節省計算成本。整體懸臂建模結束后，施加約束條件，臂架與液壓缸、行走機構門架均為鉸接。非工作風壓下地面錨定裝置與懸臂為鉸接，液壓缸采用桿單元模擬，板單元大小采用50mm，計算模型如圖2所示。

（1）工作風壓滿載下俯8°。

邊界條件施加結束后，應力云圖如圖3所示。

此工況下載荷組合為Ⅱ，由圖3可以看出板單元的馮氏應力值最大為78MPa＜[σ]=180MPa（此處板厚16mm，材質Q235-B），出現在液壓缸鉸點附近板厚變化處，強度滿足要求，懸臂最大總變形量是42mm，許用撓度取L/350=16500/350=47mm，整體剛度滿足要求。

穩定性的驗算包括懸臂的整體穩定性驗算和局部穩定性驗算，為了簡化計算過程，提高計算效率，下面運用電算和手算結合的方式進行分析：首先用軟件做線性屈曲分析，求出一階特征值，初步判斷線性屈曲時的臨界應力的大致范圍，再由一階模態結果分析出結構失穩時是整體屈曲行為先發生還是局部屈曲行為先發生，若為后者，則確定出屈曲的板件為哪一塊板件，然后在利用電算的應力結果，手算該板件的穩定性是否通過。若為前者，則手算整體穩定性是否通過。現對此工況進行線性屈曲分析，得到一階特征值為5.8，局部屈曲，板件為靠近油缸支點處的腹板，位置和形態如圖4所示，屈曲形態為波浪形，應力幾乎成上下對稱性分布，由此可以判定出該板件主要是由彎曲應力引起的局部屈曲，由于剪切應力及局部壓應力不大，為了簡化計算局部壓應力和剪應力對板件屈曲的影響可以暫不考慮，待計算結束后用通過適當增大系數的方法進行補償。現將該板件提出單獨進行穩定性計算，計算簡圖如圖5所示。

該板件最大的應力值為±60MPa，參照板件穩定性理論，臨界應力按下式計算：σk=K（δ/h0）2×103MPa，其中系數K取值與腹板的固定情況和正應力分布情況有關，參考相關資料，翼緣板對腹板起彈性固定作用，K≈6300，板厚δ=8mm，腹板高度h0=1168mm，帶入公式得出臨界應力σk=295MPa，考慮到腹板受剪應力及局部壓應力作用，將臨界應力降低10%，臨界應力取295×0.9 =268MPa，穩定性安全系數達到了268/60=4.5，再由于268MPa已然超過了材料的許用應力180MPa，所以屈曲的發生是在強度失效之后，無須考慮屈曲狀態。綜上所述可以得出，懸臂主截面的控制因素為整體剛度要求。板件的驗算全部通過。下面對桿件進行分析計算。

本結構中的桿件全部布置在受壓翼緣板一側，與橫隔板聯合作用提高了懸臂的抗側彎屈曲能力和抗扭轉能力，從而提高了懸臂整體穩定性。通過桿件的應力云圖可知最大受力為-30MPa，即此桿為軸心受壓桿。懸臂中的桿件全部采用等邊角鋼∠50×50×5，幾何長度2220mm，截面積480mm2，毛截面的最小回轉半徑r=9.8 mm，考慮到角鋼的單邊焊接造成的偏心影響，將許用應力[σ]=180MPa降低15%，取值153MPa，強度計算通過。桿件的剛度由長細比λ衡量，由于此結構中的桿系均為支撐類桿，參照起重機設計規范和鋼結構設計規范將許用長細比[λ]取值200。λ=μL/r=2220/9.8=226 ＞[λ]（其中桿件視為兩端鉸接，長度系數μ=1.0），剛度未通過。桿件的穩定性按σ=N/（φA）＜[σ]=153MPa判定，查鋼結構設計規范可知角鋼∠50×50×5在長細比λ=226時的φ=0.149，代入公式σ=30/0.149=201 ＞[σ]，穩定性未通過。以上針對1）工況（工作風壓滿載下俯8°），全部驗算完畢。

（2）針對剩余三種工況，將有限元模型進行旋轉，定義好邊界條件后，按照上面的步驟和方法進行計算，計算結果按照桿件和板件進行分類，分別匯總于表1、表2中。

由以上數據看出，四種工況中整體剛度均滿足要求，板件強度除工況4）情況需說明外，其余均滿足要求，但考慮到工況4）為非工作狀態，應力達到四種工況中的最高值86MPa，且此載荷工況屬于Ⅲ類載荷，板件許用應力取200MPa，桿件許用應力取170MPa，強度、局部穩定性全部通過。桿件的受力最大工況是工況4），強度計算通過，剛度和穩定性未通過，工況4）計算通過，則前三種工況自然通過。現將角鋼∠50×50×5全部換成角鋼∠75×75×5，計算后強度應力值σmax=27MPa，λ=148，穩定性應力值σmax=130MPa，全部通過。