斗輪堆取料機(jī)臂架結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響因素分析

（華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450046）

1 斗輪堆取料機(jī)的特點(diǎn)

1.1 斗輪取料機(jī)的分類

斗輪取料機(jī)由于其特有的機(jī)械特點(diǎn)，在港口、冶金和電廠等散貨堆料場(chǎng)中具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于斗輪取料機(jī)而言，不同的使用場(chǎng)所斗輪機(jī)的種類也是不同的。例如，在港口中斗輪取料機(jī)需要進(jìn)行貨物的轉(zhuǎn)存和堆放，而對(duì)于電廠等工作場(chǎng)所斗輪機(jī)則需要持續(xù)穩(wěn)定的輸送燃料。因此，斗輪機(jī)根據(jù)使用場(chǎng)所的不同可以分為臂架式、門(mén)式、橋式、刮板式取料機(jī)。根據(jù)取料方式的不同，我們又可以將斗輪堆取料機(jī)分為臂架式和門(mén)式2 種類型[1]，如圖1 所示。

圖1 斗輪取料機(jī)的分類

1.2 斗輪取料機(jī)的工作特點(diǎn)

對(duì)于斗輪取料機(jī)而言，其最早是根據(jù)挖掘機(jī)發(fā)展而來(lái)的。早期的斗輪取料機(jī)主要是在散貨堆場(chǎng)中起到斗輪挖掘作用。隨著堆場(chǎng)的堆存量的激增以及功能需求的變化，斗輪挖掘機(jī)逐漸與取料機(jī)的功能相結(jié)合，演化成為斗輪取料機(jī)。通過(guò)對(duì)斗輪取料機(jī)的工作特點(diǎn)進(jìn)行分析，我們發(fā)現(xiàn)斗輪取料機(jī)主要是通過(guò)前端的斗齒對(duì)物料進(jìn)行切割來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)貨物的挖取。然后通過(guò)斗輪的旋轉(zhuǎn)來(lái)將貨物進(jìn)行輸送。斗輪取料機(jī)的前端斗對(duì)貨物的切割具有破壞力小、運(yùn)輸能力大和穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。斗輪取料機(jī)和其他的機(jī)械挖掘和運(yùn)輸設(shè)備而言具有以下4 個(gè)特點(diǎn)[2]。

1.2.1 挖取、轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)能力強(qiáng)

斗輪取料機(jī)由于能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)貨物的挖取和運(yùn)輸?shù)囊惑w化，能夠持續(xù)地進(jìn)行貨物的運(yùn)輸和傳送，同時(shí)，斗輪取料機(jī)能夠自由靈活地圍繞貨物場(chǎng)地進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)靈活便捷不間斷地進(jìn)行貨物的運(yùn)輸。因此，斗輪取料機(jī)相較于其他的機(jī)械挖掘和運(yùn)輸設(shè)備而言，具有工作能力強(qiáng)、貨物運(yùn)輸效率高等特點(diǎn)。

1.2.2 單位時(shí)間內(nèi)堆取料成本低

正是由于斗輪取料機(jī)具有工作效率高、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，具有非常高的取料成本。同時(shí)，斗輪取料機(jī)對(duì)貨物的挖取是通過(guò)斗齒插入到貨物當(dāng)中，通過(guò)斗齒對(duì)貨物進(jìn)行切換來(lái)實(shí)現(xiàn)貨物的運(yùn)輸。由此我們可以發(fā)現(xiàn)整個(gè)料斗具有非常大的填充率，在單位時(shí)間內(nèi)斗輪取料機(jī)具有非常高的取料效率，具有非常高的能耗比。

1.2.3 投資回報(bào)率高

斗輪取料機(jī)的移動(dòng)是通過(guò)下部的軌道進(jìn)行的，所以能夠沿著布置在堆料場(chǎng)四周的軌道進(jìn)行運(yùn)動(dòng)取料。因此，斗輪取料機(jī)具有非常好的延伸性，能夠大大的提高斗輪取料機(jī)的工作效率，一個(gè)斗輪取料機(jī)能夠滿足2 個(gè)甚至多個(gè)料場(chǎng)的貨物的運(yùn)輸和傳送，具有非常高的投資回報(bào)率。

1.2.4 自動(dòng)化程度高

近年來(lái)，隨著自動(dòng)化控制信息技術(shù)的飛速發(fā)展，斗輪取料機(jī)已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了取料的自動(dòng)化和遠(yuǎn)程操作功能。例如，操作人員能夠在原理斗輪機(jī)的司機(jī)室對(duì)斗輪機(jī)進(jìn)行操控，而這一操作過(guò)程具有操作簡(jiǎn)單便捷等優(yōu)點(diǎn)。

2 斗輪堆取料機(jī)結(jié)構(gòu)及臂架結(jié)構(gòu)分析

2.1 斗輪堆取料機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

根據(jù)上文分析，斗輪取料機(jī)的分類非常多，但是其基本的結(jié)構(gòu)是大同小異的。為了準(zhǔn)確地對(duì)斗輪取料機(jī)的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，該文以湛江港的DQ6000/4500 斗輪堆取料機(jī)為例進(jìn)行分析，如圖2 所示。從圖2 可以發(fā)現(xiàn)，斗輪取料機(jī)的主要是由斗輪、臂架、皮帶機(jī)、立柱、配重、行走機(jī)構(gòu)、門(mén)座和回轉(zhuǎn)平臺(tái)等結(jié)構(gòu)組成的。

進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真分析首先需要確定斗輪機(jī)的受力荷載類型。根據(jù)《散貨連續(xù)裝卸機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)范》的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對(duì)斗輪取料機(jī)的平均受力荷載進(jìn)行分析，斗輪取料機(jī)的臂架的常見(jiàn)荷載統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1[3]。

表1 斗輪堆取料機(jī)載荷類型

圖2 斗輪堆取料機(jī)的組成示意圖

2.2 斗輪堆取料機(jī)的參數(shù)

斗輪取料機(jī)中最為重要的結(jié)構(gòu)為臂架，臂架工作的穩(wěn)定性和壽命將直接影響著整個(gè)斗輪取料機(jī)的工作穩(wěn)定性和壽命。對(duì)斗輪取料機(jī)的壽命進(jìn)行仿真分析，首先需要對(duì)整個(gè)斗輪取料機(jī)的工作狀態(tài)和參數(shù)進(jìn)行分析，才能夠確保斗輪取料機(jī)的仿真計(jì)算準(zhǔn)確無(wú)誤。該文的湛江港 DQ6000/4500 斗輪堆取料機(jī)的工作性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 湛江港 DQ6000/4500 斗輪堆取料機(jī)主要性能參數(shù)

3 臂架結(jié)構(gòu)疲勞破壞結(jié)果分析

通過(guò)計(jì)算結(jié)果分析，我們可以尋找出臂架的最薄弱位置。而這一最薄弱位置就為臂架結(jié)構(gòu)的最危險(xiǎn)截面。通過(guò)疲勞計(jì)算方法可以對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算和分析，來(lái)判斷斗輪對(duì)取料機(jī)的臂架的結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求。

該文臂架的疲勞計(jì)算壽命按照公式（1）進(jìn)行校核，通過(guò)公式（1）可以計(jì)算出該斗輪堆取料機(jī)臂架的實(shí)際疲勞年限，如下：

式中：Ty采用30 年疲勞壽命計(jì)算，Nf為疲勞校正系數(shù)。

根據(jù)計(jì)算公式對(duì)臂架的頭部拉桿大梁、中部拉桿大梁以及尾部撐桿大梁進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估，評(píng)估結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 疲勞計(jì)算評(píng)估結(jié)果

4 臂架結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度影響因素及改進(jìn)建議

計(jì)算表明，臂架的最危險(xiǎn)截面位于箱梁薄壁以及焊縫處。但是在實(shí)際工作中，臂架的使用壽命還具有非常多的其他影響因素，例如工作溫度和支撐結(jié)構(gòu)的連接位置等。由于篇幅有限就不對(duì)其他因素進(jìn)行分析。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，該文提出了2 點(diǎn)改進(jìn)建議。進(jìn)行該該文

4.1 臂架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

分析顯示臂架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的缺點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際情況分析可以發(fā)現(xiàn)箱梁板較薄容易造成疲勞損傷，進(jìn)而降低使用壽命。因此，該文提出了增加臂架箱梁翼緣板厚度的改進(jìn)建議。具體改進(jìn)建議為翼緣板從 16 mm 增加到 20 mm，腹板從10 mm 增加到12 mm。然后對(duì)改進(jìn)后的臂架進(jìn)行疲勞分析，分析結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 改進(jìn)后的疲勞評(píng)估結(jié)果

4.2 建議提高臂架結(jié)構(gòu)的焊接工藝和焊接質(zhì)量

造成臂架結(jié)構(gòu)疲勞壽命短的另一個(gè)重要原因是臂架結(jié)構(gòu)的焊接工藝和焊接質(zhì)量低。因此，提高臂架結(jié)構(gòu)的焊接工作和焊接質(zhì)量也是十分必要的。通過(guò)優(yōu)化焊接工藝可以避免出現(xiàn)幾何不連續(xù)性的裂紋，提高疲勞強(qiáng)度[5]。

5 結(jié)語(yǔ)

該文通過(guò)對(duì)湛江港的 DQ6000/4500 斗輪堆取料機(jī)的臂架進(jìn)行分析，對(duì)斗輪機(jī)的受力荷載狀態(tài)進(jìn)行分類，根據(jù)斗輪機(jī)的力學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行仿真計(jì)算分析，通過(guò)計(jì)算結(jié)果對(duì)最危險(xiǎn)截面進(jìn)行疲勞狀態(tài)分析，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析針對(duì)性地提出了改進(jìn)措施和建議。