單臂堆料機堆料臂鋼結構有限元分析★

楊 佐

（1.礦山采掘裝備及智能制造國家重點實驗室， 山西 太原 030024； 2.太原重工股份有限公司技術中心，山西 太原 030024）

引言

在露天礦開采中，廢石剝離量大、排土場距離遠的礦山，廢石運輸成本占生產成本比重很大。露天礦開采初期廢石的運輸多采用汽車運輸就近排土的原則， 但隨著露天采場的不斷延伸降段，露天采場周邊可利用的排土場地已被廢石堆滿，廢石需要被運輸到距離遠、容積大的排土場堆存。根據經驗，汽車運輸的合理運距不宜超過，超過合理運距后，運輸成本將顯著增加。因此，廢石破碎- 膠帶運輸- 排土機排土系統作為一種多機械、連續排土工藝在大型露天礦山已得到廣泛應用[1]，但在某些露天礦山的建設初期，排土機受排土場地的限制不具備使用條件，依然需要大量的汽車來運輸廢石；當排土機需要移設整個露天礦剝離系統又沒有可以替代的排土機排土系統時，也需要大量的汽車來運輸廢石。采用“廢石破碎- 膠帶運輸- 排土機”與“廢石破碎- 膠帶運輸- 單臂堆料機- 汽車”聯合堆排工藝可以降低汽車運輸工作量，充分發揮膠帶機運輸系統節能高效的優越性。

太原重工股份有限公司開發的某型單臂堆料機由行走裝置、底架梁、回轉平臺、堆料臂、潤滑系統、電氣系統等組成，如圖1。其中，堆料臂包含堆料臂鋼結構、堆料臂帶式輸送機組件、受料槽、走臺等。堆料臂鋼結構采用桁架焊接結構，由多段焊接而成，承載帶式輸送機組件，因此結構強度和剛度影響到整機的可靠性和穩定性，進行有限元分析具有很大的工程意義。

1 模型概況

圖1 單臂堆料機結構示意圖

根據堆料臂鋼結構的實際形狀，通過UG NX 軟件中的NX Nastran 建立有限元模型，NX Nastran 源于有限元軟件MSC.Nastran[2]。對堆料臂鋼結構進行有限元分析時，結構中的主梁采用二維殼單元劃分，其余斜桿采用一維梁單元進行劃分。劃分后的堆料臂鋼結構有限元模型如圖2。

圖2 堆料臂鋼結構的有限元模型

該模型單元尺寸約為50mm，單元總數為471 332。有限元模型中的坐標系根據后續分析需求所建立。模型所用材料的力學性能如表1 所示。

表1 模型材料力學性能表

如下頁圖3，根據堆料臂左側支撐位置不同，分為三種載荷工況：工況1，車輪支撐位于導軌的跨中位置；工況2，車輪支撐位于導軌前極限位置；工況3，車輪支撐位于導軌后極限位置。

2 邊界條件

堆料臂鋼結構主要承受自重、托輥重量、輸送帶重量、物料重量等，這些靜載荷作為外力施加在鋼結構相應的作用位置上。堆料臂鋼結構與回轉平臺采用銷軸連接，在回轉平臺處施加固定約束；在堆料臂鋼結構的車輪支撐處施加Z 向簡支約束。

3 計算結果及分析

3.1 工況1 計算結果

圖3 載荷工況示意圖

堆料臂鋼結構工況1 的Z 向有限元位移云圖如圖4 所示，工況1 的最大應力及局部有限元應力云圖如圖5 所示。

3.2 工況2 計算結果

圖4 工況1 的Z 向位移云圖

圖5 工況1 的最大應力及局部應力分布云圖

堆料臂鋼結構工況2 的Z 向有限元位移云圖如圖6 所示，工況2 的最大應力及局部有限元應力云圖如圖7 所示。

圖6 工況2 的Z 向位移云圖

3.3 工況3 計算結果

堆料臂鋼結構工況3 的Z 向有限元位移云圖如圖8 所示，工況3 的最大應力及局部有限元應力云圖如圖9 所示。

3.4 計算結果分析

上述云圖中，不同的顏色表示不同的位移或應力，值與圖中左側的標尺上數字相對應。其中，VON-MISES等效應力σcf是按第四強度理論確定的[3]：

圖7 工況2 的最大應力及局部應力分布云圖

圖8 工況3 的Z 向位移云圖

圖9 工況3 的最大應力及局部應力分布云圖

式中：σ1、σ2、σ3為主應力，且有σ1＞σ2＞σ3。

三種工況下的堆料臂鋼結構有限元靜力計算結果匯總如表2。

表2 堆料臂鋼結構有限元計算結果

參照GB/T 3811—2008《起重機設計規范》，由額定起升載荷與自重載荷產生的垂直靜撓度f 與有效懸臂長度L 的關系為：

式中：L 為鉸接中心到堆料臂鋼結構最右端的距離；[fz]為有效懸臂端許用垂直靜撓度。

依據JB/T 8849—2005《移動式散料連續搬運設備鋼結構設計規范》以及工程經驗，選擇結構的安全系數為1.7，即材料的許用應力[σ]為：

式中：σs為材料的屈服強度。

通過有限元計算結果與上述分析可知：

1）三種工況下的結構靜強度均滿足要求。

2）堆料臂鋼結構懸臂端的結構靜剛度符合要求。

3）通過對三種工況的計算結果進行對比，可以看出：在工況2 下，堆料臂鋼結構的最大位移相對較??；在工況3 下，堆料臂鋼結構的最大應力相對較?。蝗N工況下，最大位移均位于堆料臂鋼結構右端區域，最大應力均位于堆料臂鋼結構筋板附近。

4 結語

本文通過建立有限元模型，按三種不同工況施加載荷，進行靜強度和靜撓度校核。有限元靜力分析結果表明，該結構滿足不同工況要求，為開發大運量單臂堆料機提供了理論依據。