斗輪堆取料機斗體強度與屈曲分析研究

閆海鷹

【摘 要】斗輪斗體的設計在斗輪堆取料機中比較復雜。其作為斗輪機工作的核心部件，要求能穩定的工作；同時，來自于優化的因素又要求其盡量的輕。本文根據實際運用的例子，對斗體在工作中的受力，靜強度，疲勞強度和屈曲進行分析，以對設計進行優化和確認。

【關鍵詞】斗輪堆取料機；斗體強度；屈曲；分析

0 背景

斗輪堆取料機是廣泛用于料場堆、取散料的裝置，在各個散貨料場中應用十分廣泛，是散貨料場堆取料的主要設備。

隨著當今港口料場的逐步專業化、大型化，我們對斗輪堆取料機的工作能力要求也越來越高。在取料能力增大的實踐過程中，我們發現，能滿足高的生產能力、高的可靠性和高的經濟性的斗體設計在這一發展趨勢上有很大的阻力。

斗體用來直接挖取物料，并將挖取的物料運送到卸料處。通常情況下，斗輪體上裝置的斗體數目有6～12個，斗體的容積根據生產能力和其他參數而定。斗體要有合理的形狀，使挖取過程中的阻力最小。斗體還要有足夠的強度和耐磨性，保證工作過程安全可靠。

本次以某電廠斗輪機為例，分析斗體結構的受力，分別從靜強度和屈曲方面進行判別，討論斗體的設計。

1 斗體的受力分析[1]

在斗輪工作過程中，斗體所受的挖掘阻力是斗體所受力的主要因素。通常計算挖掘阻力的方法有兩種：一種是采用單位切割長度上所受的挖掘力計算；另一種是通過計算單位切屑面積來計算挖掘阻力。由于以切割刃長度表示的單位挖掘阻力，是唯一與切片形狀和面積基本無關的參數，也即不論斗體的切割刃形狀如何，單位挖掘阻力基本上為一常數。因此，目前采用這一計算方法的比較多。

2 斗體的強度設計與疲勞強度分析

斗體的強度設計的原則是，在滿足生產率和工況要求的前提下，合理布置斗體的形狀并選擇適當的板厚。斗體的工作受力是脈沖式的。所以，斗體的疲勞強度應該是強度分析中十分重要的部分，它關系到斗體的結構疲勞壽命。

2.1 靜強度分析

斗體在工作過程中所受的是動載荷。本文中按照前面所分析的靜載荷進行計算，相應的斗體動載荷研究受力將是筆者后續研究的內容。

本次強度計算采用有限元軟件ANSYS11.0進行計算。根據前面的理論，采用三維軟件INVENTOR取單個斗體進行實體建模，三維模型導入ANSYS11.0的workbench進行計算。

這里以1500t/h斗輪堆取料機的設計參數為例，對斗體的靜強度進行計算。用于計算的INVENTOR模型見圖1。考慮到工作時候的受力狀態，對斗體的約束和加載情況如圖2所示。

加載方面，給了一個斗口法向的切割力和一個平行于斗口向外的切割分量。約束方面，對斗輪鉸軸處進行鉸接約束和對后部進行法向位移約束。由于斗體和斗輪架支架有采用螺栓連接，因此現有的約束方式在約束面上存在失真，但這不影響對結果的判斷，因為重點關注區域為斗齒和外部斗體附近，這些區域都遠離約束點了。

2.2 疲勞強度分析

材料、零件和構件在循環載荷作用下，在某個點或某些點逐漸產生局部的永久性的性能變化，在一定循環次數后形成裂紋，并在載荷作用下繼續擴展直到完全斷裂的現象，成為疲勞斷裂或疲勞破壞。

由于斗輪的軸受到循環變應力，根據疲勞破壞的定義我們知道，即使斗輪靜強度滿足要求，也不能保證其安全，因此需要進行疲勞強度設計。

疲勞計算通不過，通常分為兩種：一種是整體截面或者板厚偏弱，不能滿足工況的需要；另一種是局部結構處理不合理，導致應力集中現象嚴重。改進結構是減少應力集中的一個主要的措施。最簡單的方法是增大零件尺寸，但勢必影響其輕巧等性能。在零件設計中，應盡量避免橫截面有急劇突變，在零件的橫截面尺寸和形狀有改變的地方，應盡可能用較大的圓角光滑過渡。鉚釘孔和螺栓孔等都是產生應力集中的地方，孔的不同排列得到的峰值應力是不同的，因此要尋求最合理的排列形式，以減小峰值應力。零件或構件上應盡可能少開缺口，特別是在受拉表面盡量不開缺口。如有可能，應盡量采用對稱結構，并避免帶有偏心的結構。焊縫是應力集中的地部位，設計焊接件時，要合理布置焊縫。零件上用硬印打上的號碼和標志，是容易被忽略的產生應力集中的地方。在應力集中的部位（如橫向圓孔）附近，可開卸載溝槽，以降低峰值應力。

斗體的疲勞壽命可按照1000萬次循環考慮，疲勞應力低于規定次數的疲勞許用應力，則認為疲勞計算通過。經過疲勞計算分析，根據圖3的應力情況計算的斗體疲勞強度滿足設計規范的要求。

3 斗體的屈曲驗算

在計算局部穩定性的臨界屈曲應力時，可以采用Galerkin法或者應用德國鋼結構委員會頒布的薄板穩定性計算準則DASt-Richtlinie 012中提出的簡化方法，后者在工程計算中的應用比較廣泛。

本節利用ANSYS軟件建立斗輪體的有限元分析模型，對結構進行線性穩定性分析，考慮結構的幾何線性與材料線性。分析比較彈性屈曲在斗體結構破壞中的作用。

3.1 結構和載荷特征

斗體結構和受載有比較明顯的特點：開口結構、開口處受力、周期性間歇載荷等。

3.2 材料特性

斗體結構的材料是Q345B鋼材，密度ρ=7.85×10-9 t/mm3 ，彈性模量為2.06×105 N/mm2 ，泊松比μ=0.3。當考慮進行材料非線性時，本文采用雙線性彈塑性模型，見圖4。其中A點為材料的屈服極限，B點為材料的強度極限。

3.3 邊界條件

對斗體鉸點進行鉸約束，對斗體后端進行法向的位移約束，來對斗體進行約束。載荷則以3噸力施加在斗體口上，同時對斗口施加一定的法向力（見圖2）。

3.4 屈曲分析

由計算結果（圖4）可知，斗體的變形載荷乘數很高，意味著屈曲安全系數很高，不會發生屈曲現象。

4 結束語

通過對斗體的結構設計、受力分析、強度計算、疲勞校核、屈曲分析，再回到斗體的結構設計。整個設計過程體現了斗體設計的精細化設計思路，再結合施工和安裝中的焊接制造，安裝和使用，讓設計者對斗體的設計有了從感性到理性，從理論到實踐的認識。

【參考文獻】

[1]GB/T-14695-93 臂式斗輪堆取料機型式與基本參數[S].1993.

[責任編輯：田吉捷]