基于可靠性斗輪機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

陳立國(guó) 鄭東霞 肖禹 黃宇慧

中國(guó)電建集團(tuán)長(zhǎng)春發(fā)電設(shè)備有限公司 吉林長(zhǎng)春 130000

1 基于可靠性斗輪機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

1.1 斗輪機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理簡(jiǎn)介

斗輪機(jī)的主要結(jié)構(gòu)有回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、斗輪機(jī)構(gòu)、行走臺(tái)車(chē)尾車(chē)、帶式輸送機(jī)以及俯仰結(jié)構(gòu)。斗輪機(jī)構(gòu)是用于取料的執(zhí)行結(jié)構(gòu)，由斗輪和斗輪的驅(qū)動(dòng)裝置組成；俯仰結(jié)構(gòu)是斗輪機(jī)進(jìn)行工作的核心結(jié)構(gòu)，也是整個(gè)斗輪機(jī)中受力最復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，工作方式有取料和堆料兩種，在進(jìn)行取料工作時(shí)，物料由斗輪帶動(dòng)進(jìn)入帶式輸送機(jī)，由帶式輸送機(jī)運(yùn)走，同時(shí)通過(guò)俯仰結(jié)構(gòu)的選擇和上下移動(dòng)選擇取料位置，以便于將料堆取盡，而堆料過(guò)程與之相反，由輸送機(jī)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(chǎng)上，然后通過(guò)臂架的旋轉(zhuǎn)、俯仰保證料堆成梯形斷面分布。斗輪機(jī)是連續(xù)規(guī)律工作的，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，在控制方式上分為手動(dòng)、半自動(dòng)以及自動(dòng)三種，而俯仰結(jié)構(gòu)是斗輪機(jī)的核心結(jié)構(gòu)，它的靈活性是斗輪機(jī)工作效率的關(guān)鍵，所以對(duì)俯仰結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的，將它的重量作為一個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，在滿(mǎn)足其它條件的情況下，重量越小越好，所以文章以斗輪機(jī)的俯仰結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象進(jìn)行可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)[1]。

1.2 斗輪機(jī)俯仰結(jié)構(gòu)可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)的理論分析

在傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)中，大多采用材料強(qiáng)度的許用應(yīng)力作為約束條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣的方法簡(jiǎn)單易行，具有一定的參考價(jià)值，已被大多數(shù)的設(shè)計(jì)者采用，但卻忽略了參數(shù)的隨機(jī)性和離散性?xún)蓚€(gè)最很重要的因素，所以設(shè)計(jì)的工業(yè)產(chǎn)品在進(jìn)行安全系數(shù)選擇時(shí)具有很強(qiáng)大的近似性和經(jīng)驗(yàn)性，不是符合客觀(guān)實(shí)際的最優(yōu)方案，也不能定量的反應(yīng)工程系統(tǒng)的可靠性，所以有必要引入機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)對(duì)斗輪機(jī)俯仰機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，為保證結(jié)構(gòu)的安全工作，通常將設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高于系統(tǒng)的工作壓力，但對(duì)于可靠性設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，由于結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度值與應(yīng)力值都具有很大的離散性，所以應(yīng)力強(qiáng)度仍然有可能高于結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，即結(jié)構(gòu)存在失效的可能性。因此，我們應(yīng)運(yùn)用現(xiàn)代機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的理論，在忽略設(shè)計(jì)參數(shù)的隨機(jī)性和離散型條件下，建立了基于可靠性的斗輪機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，對(duì)斗輪機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，引入可靠性許用應(yīng)力的新概念。對(duì)于可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，主要目的是研究將機(jī)械設(shè)計(jì)與機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合的可能性。綜合兩種機(jī)械設(shè)計(jì)理念，使設(shè)計(jì)在滿(mǎn)足定量可靠性的前提下，進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)不能定量的可靠性設(shè)計(jì)，用精確的理論設(shè)計(jì)取代傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)近似設(shè)計(jì)，使斗輪機(jī)在作業(yè)中能夠靈活俯仰以及選擇，對(duì)它的俯仰結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有很大的經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)用價(jià)值[2]。

1.3 斗輪機(jī)可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)

在常規(guī)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中，所建立的強(qiáng)度約束條件大多沿用傳統(tǒng)的安全系數(shù)概念，并給出一個(gè)安全程度不確定的許用應(yīng)力，這種方法雖簡(jiǎn)便易行，已被廣泛采用，但忽略了兩個(gè)重要因素，即參數(shù)的隨機(jī)性和離散性，因而很難設(shè)計(jì)出符合客觀(guān)實(shí)際的最優(yōu)方案，而且安全系數(shù)的選擇帶有很強(qiáng)大的經(jīng)驗(yàn)性和近似性，不能定量地反映可靠程度，所以有必要引入機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)。

為保證結(jié)構(gòu)安全正常工作，通常要求結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高于其工作應(yīng)力。但在可靠性理論中，由于結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度值與應(yīng)力值的離散性，使應(yīng)力強(qiáng)度兩個(gè)概率密度函數(shù)曲線(xiàn)在一定條件下可能相交，因而即使結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度高于其工作應(yīng)力，仍存在失效概率。因此對(duì)于現(xiàn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)中的一些不足，使我們急需建立基于可靠性的斗輪機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，不考慮設(shè)計(jì)參數(shù)的隨機(jī)性和離散性以及設(shè)計(jì)結(jié)果不能定量反映可靠度大小的不足之處，斗輪機(jī)的俯仰鋼結(jié)構(gòu)為優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)象，運(yùn)用機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的基本理論，提出了一種簡(jiǎn)便適用的新概念，即可靠性許用應(yīng)力，從而將可靠性設(shè)計(jì)巧妙地引入機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中。

基于可靠性的斗輪機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的就是要探索將機(jī)械化設(shè)計(jì)與機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)相結(jié)合的可行性。綜合兩種先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)單純機(jī)械化設(shè)計(jì)不能定量地反映產(chǎn)品可靠程度的不足，使設(shè)計(jì)在滿(mǎn)足定量可靠度的前提下達(dá)到最佳的優(yōu)化效果[3]。

2 俯仰鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于斗輪機(jī)俯仰鋼結(jié)構(gòu)既是斗輪機(jī)的關(guān)鍵受力部位，又是核心結(jié)構(gòu)件。要保證斗輪機(jī)安全可靠的運(yùn)行，則要求俯仰鋼結(jié)構(gòu)的最大工作應(yīng)力不得超過(guò)可靠性許用應(yīng)力。因此要對(duì)俯仰鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的基本理論當(dāng)中應(yīng)用公式進(jìn)行變差系數(shù)的計(jì)算。其中應(yīng)注意在機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)中，不能再把參數(shù)看做定值，而要視為離散的隨機(jī)變量。這樣可使分析計(jì)算簡(jiǎn)便，且計(jì)算結(jié)果與按設(shè)計(jì)變量間函數(shù)關(guān)系進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果很接近。此外，用變差系數(shù)還可以部分地減輕對(duì)有關(guān)材料強(qiáng)度、作用負(fù)荷、結(jié)構(gòu)尺寸等統(tǒng)計(jì)特征數(shù)據(jù)的要求。取水平臂架和立柱截面尺寸以及前拉桿、平衡重拉桿和撐桿的截面積為設(shè)計(jì)變量；設(shè)立目標(biāo)函數(shù)，以俯仰鋼結(jié)構(gòu)的自重最輕、即鋼結(jié)構(gòu)的體積最小為目標(biāo)，表達(dá)式是各構(gòu)件截面積與其相應(yīng)長(zhǎng)度的乘積；考慮設(shè)計(jì)優(yōu)化的約束條件，斗輪機(jī)的俯仰鋼結(jié)構(gòu)的邊界尺寸條件，為保證制造工藝和耐久性，防止銹蝕和變形，鋼板厚度一般要不小于6mm。

3 結(jié)語(yǔ)

首先對(duì)斗輪機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的描述，并論述了斗輪機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的必要性，然后通過(guò)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法對(duì)比，說(shuō)明了可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)的理論和優(yōu)勢(shì)，最后對(duì)斗輪機(jī)俯仰機(jī)構(gòu)的可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵理論進(jìn)行了探討，并結(jié)合優(yōu)化結(jié)果與生產(chǎn)實(shí)際說(shuō)明了這種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的意義，為斗輪機(jī)的生產(chǎn)者和使用者提供了有效的理論支持，也為同類(lèi)型的工程機(jī)械進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種有效的借鑒方案。