斗輪堆取料機動態仿真分析

2016-01-29 03:51:55黃強張文超

機械制造與自動化 2015年4期

黃強，張文超

(泰富重裝集團，湖南長沙 410000)

斗輪堆取料機動態仿真分析

黃強，張文超

(泰富重裝集團，湖南長沙 410000)

摘要：以斗輪堆取料機為研究對象，建立堆取料機虛擬樣機模型，進行車輪組動態受力計算，分析油缸和拉桿在俯仰工況的動態變化。結果表明，采用動態仿真分析是一種有效方法，為斗輪堆取料機的整體設計和實驗提供較重要的參考數據。

關鍵詞：堆取料機；虛擬樣機；動態分析

Dynamic Simulation Analysis for Bucket Wheel Stacker/ Reclaimer

HUANG Qing,ZHANG Wenchao

(Technology Research Institute of TIDFORE Group Changsha 410000, China)

Abstract:This paper takes the bucket wheel stacker-reclaimer as obiect of study to establish its virtual prototype model for its dynamic loading calculation and a series of the dynamic analyses on the oil cylinder and draw bar. The analytic and applied results show that the dynamics analysis method is a effective method, and it provides the important reference data for reasonable design and experiment of the stacker-reclaimer.

Keywords:stacker-reclaimer; virtual prototype ;dynamics analysis

0引言

斗輪堆取料機廣泛用于大型散貨港口、火力發電廠的儲煤場、大型鋼鐵公司礦石原料廠和大型水泥廠等。堆取料機是一種連續高效的散貨料場設備，實現煤炭、鐵礦石、石灰等散狀物料的堆、取連續作業，成為散料存儲、轉運等工藝環節中不可缺少的重要組成部分。斗輪堆取料機俯仰和回轉機構的結構形式多樣，傳統的理論計算方法較為復雜。斗輪堆取料機是一個典型的多剛體系統，利用多剛體動力學理論建立虛擬樣機模型，進行整機穩定性和運動特性分析更加直觀、有效，同時有利于提高整機的可靠性和穩定性。

1虛擬樣機模型的建立

1.1整機結構簡化

以行走機構車輪底端水平線為x軸，回轉平臺中心線為y軸，斗輪機構的簡化模型如圖1所示。整機結構主要由斗輪、臂架、皮帶機、司機室、上部機構、俯仰機構、走行機構、門座、回轉機構、回轉平臺等構成。斗輪堆取料機通過連接臂架和回轉平臺的液壓油缸，實現臂架、上部機構高度變化，同時通過行走和回轉機構實現沿料場方向不同方式的堆取料作業[1]。

圖1　斗輪堆取料機簡化模型

1.2虛擬樣機模型

由于固定式尾車結構與地面輸送帶相連，不影響整機回轉和俯仰的運動特性，因此對堆取料機整機結構模型簡化，忽略尾車結構，建立虛擬樣機模型。虛擬樣機模型如圖2所示，臂架、上部機構、走行機構、門座、回轉機構、回轉平臺等的變形量較小，設置為多剛體模型；拉桿為離散柔性beam單元，梁截面的形狀與拉桿結構形狀保持一致；斗輪、皮帶機、司機室、物料、配重設置質量塊屬性。各構件的物理屬性與各構件實際模型保持一致。此外，為了更為真實地仿真實際車輪支反力，車輪與導軌之間建立Bushing柔性連接[2]，Bushing連接作用如公式1所示。參數設置如表1所示。

Fj=-Fi，Tj=-Ti-δFi

(1)

式中：F——連接作用力；T——連接力矩；δ——j標記點相對i標記點的瞬時變形矢量。

表1　Bushing連接參數設置

圖2　虛擬樣機模型

2約束及加載處理

2.1虛擬樣機的約束

堆取料機虛擬樣機系統各部件約束關系在創建的標記點處直接定義，各主要部件之間的約束關系由表2所示[3]。

表2　虛擬樣機各部件之間約束關系

2.2虛擬樣機的加載

堆取料機主要通過俯仰和回轉運動進行分層取料和堆料，因此虛擬樣機整體模型，其動態仿真主要考慮整機的俯仰和回轉工況，在此工況下，整機處于帶載狀態(即包括鋼結構自重，物料載荷和積垢載荷)。

整機模型臂架和上部結構在回轉驅動的作用下，以0.5°/s轉速由初始位置向右勻速回轉，達到回轉最大角度，經過10s運動后，反方向回轉，完成整機的回轉運動?；剞D驅動由階躍函數STEP來定義。V=STEP( time, 0, 0.5, 215, 0.5 )+STEP( time , 215, 0, 225, -1 )+STEP( time , 225, 0 , 660 , 0 )，隨時間變化回轉驅動速度如圖3所示。整體上部結構俯仰角度范圍為-10.5°～11°,油缸伸縮位移時間如圖4所示。

圖3　回轉速度曲線圖

圖4　俯仰機構位移時間簡圖

3動態仿真分析

3.1車輪組反力

堆取料機整機的穩定性通過車輪組的支反力來反映。車輪支反力為正值，表示車輪承壓，未脫離導軌；支反力為負值時，表示車輪騰空。在回轉工況下，整機重心與傾翻線垂直距離最短時，整機最容易發生傾翻。為避免車輪支點連線而引起堆取料機失穩，對車輪組反力動態變化進行分析。對行走機構車輪組進行標號，如圖5所示。為了避免堆取料機車輪與導軌的初始碰撞，首先進行靜平衡分析，再進行動態仿真分析。由圖3回轉速度曲線所示，整機回轉時間設置為670s，時間步長為0.01。

圖5　走行車輪編號示意圖

如圖6所示，初始0s時，整機處于靜平衡狀態。在堆取料機本身重力的作用下，整機配重平衡，前端和后端車輪組承受反力130000N左右，堆取料面左側車輪的反力比右側車輪組小10000N左右。隨著臂架和整體上部結構逆時針方向回轉，上部結構重心左移，如圖6(a)所示。前端右側車輪組車輪反力逐漸增大，而右側車輪組車輪反力逐漸減小，如圖6(c)和6(d)所示。220s時，逆時針回轉角度達到最大，此時車輪組反力成為拐點，如圖6(b)和6(d)所示，后端左側車輪組車輪反力達到136000N左右，右側車輪組車輪反力降低到120000N左右。440s時，臂架回轉至整機平衡位置，如圖6所示，0～440s內，整機車輪支反力以220s時間點對稱顯示。整機沿平衡繼續順時針方向旋轉，臂架和上部結構重心右側偏移，右側車輪組反力增大，左側車輪組反力減少。660s時，逆時針回轉角度達到最大。整機在回轉過程中，車輪反力均未脫離導軌，且最大車輪反力228000N，小于設計載荷輪壓250000N，整機處于穩定狀態。

圖6　車輪支反力曲線

3.2俯仰動態分析

堆取料機由上部結構和回轉平臺連接的伸縮油缸實現整個上部結構繞支撐鉸點進行俯仰運動。俯仰機構運動如圖7所示，AC代表上部結構部分，繞變幅鉸點C的剛體沿平面的定軸轉動，AB代表伸縮油缸部分，活塞桿簡化為滑塊線移動[4]。油缸伸縮帶動整體結構的俯仰完成堆取料工況，平面機構的自由度數1，即油缸的伸縮自由度。

圖7　俯仰機構運動簡圖

如圖8所示，油缸力在靜平衡的作用下，油缸受壓為-45400N。位移時間如圖4所示。上仰時，支撐油缸的作用下，整機的上仰時重心的發生改變，向后偏移。油缸由受壓轉變為受拉狀態，最大達到146000N。下俯時，整機重心向前偏移，油缸一直在受壓狀態，并且逐漸增大到-320000N。

圖8　俯仰機構油缸力曲線

堆取料機俯仰取料時，如圖9所示，隨著油缸的伸縮，臂架進行俯仰時，經過1.5s后的振蕩后，拉桿軸向力同時趨于平衡。拉桿的軸向力基本保持不變，前端臂架拉桿和后端配重拉桿軸向力分別為406000 N和1050000N，俯仰角度的變化對拉桿軸向力并不敏感。

圖9　拉桿軸向力曲線

堆取料機俯仰工況時，在俯仰角度范圍內，如圖10所示，上部結構的初始角速度為0.00061 rad/s(0.035°/s)。經過30s的角速度緩慢的振蕩，整體趨于平衡，俯仰的角速度基本穩定于0.0023 rad/s(0.13°/s)。下俯的振蕩幅度和頻率明顯高于上仰的振蕩幅度和頻率，因此下俯工況角速度的變化相對上仰工況變化更敏感。

圖10　上部結構角速度曲線

3.3樣機試制與測試

經過虛擬樣機運動仿真分析，物理樣機試制如圖11所示。在回轉工況下，采用靜態測量系統，荷重傳感器-應變儀，對試制樣機10號車輪進行輪壓測試。荷重傳感器使用前進行標定，傳感器置于千斤頂上，距10號車輪500mm使用千斤頂加載，使車輪脫離軌面。與虛擬樣機模型對比分析，測試選擇整機回轉0°、30°、60°、75°、90°、110°。如圖12所示，測試數據在0°角時為138400N，仿真數據為131000N，兩者相差最大為740N。試制與虛擬樣機相對誤差在5%以下，因此整機虛擬樣機模型是可靠的。