“O”型不解列雙車翻車機轉子鋼結構多工況有限元分析

曲太旭

(大連科技學院機械工程學院，遼寧 大連 116052)

翻車機是一種大型、高效率的機械化卸車設備，用于翻卸鐵路敞車所裝載的煤礦石、糧食等散狀物料，廣泛應用于冶金、礦山、發電廠、港口等大中型企業。為了翻卸C80專用不解列鐵路敞車，對原有翻車機卸車系統進行改造，設計一種新型 “O”形不解列雙車翻車機。

1 “O”型不解列雙車翻車機

如圖1所示，“O”形不解列雙車翻車機主要由托輥裝置1、緩沖裝置2、壓車靠車裝置3、上纜裝置4、導料裝置5、配重裝置6、液壓系統7、傳動裝置8等組成。

1—托輥裝置；2—緩沖裝置；3—壓車靠車裝置；4—上纜裝置；5—導料裝置；6—配重裝置；7—液壓系統；8—傳動裝置

為了翻卸C80專用不解列鐵路敞車，“O”形不解列雙車翻車機的旋轉中心和鐵路敞車車鉤的旋轉中心在同一高度。根據鐵路機車車輛界限要求，設計端環直徑為9 m。翻車機采用垂直壓車結構，具有不堆積物料的優點。其采用液壓缸驅動，夾緊力根據負載的變化，通過液壓系統和彈簧力相互作用進行調整，減輕了對鐵路敞車的損害。傳動裝置采用兩臺90 kW交流變頻電機進行驅動，兩套傳動裝置采用同步軸進行連接，保證翻車機轉動的同步性。雙車翻車機在翻卸物料時現場工況復雜，負載時時變化，在現場使用時存在很多問題。如：前后梁強度不夠，出現變形過大的問題；端環底出現焊接裂紋；“C”型雙車翻車機轉子鋼結構整體斷裂；整機配重重心不合理，質量大，驅動力矩大。這些問題需要通過有限元計算解決。

2 轉子鋼結構有限元仿真分析

2.1 仿真單元類型

轉子鋼結構材料物理屬性：材料為Q345B；彈性模量E=206 GPa；泊松比μ=0.3；屈服極限σs=345 MPa；材料抗拉強度σb=630 MPa；密度ρ=7.85×103kg/m3。

轉子鋼結構的端環、平臺、前梁、后梁都由鋼板焊接而成，為箱型結構。根據結構和受力特點，其所有單元都可以采用4節點結構殼單元(shell63)。shell63殼單元在每個節點上有6個自由度：繞節點坐標系X,Y,Z軸的轉動，以及沿節點坐標系X,Y,Z方向的平面移動，既具備彎曲和膜力的特性，又能承受平面內和法線方向荷載[1]。由于雙車翻車機具有對稱性，因此可取一半建立力學模型，進行網格劃分，力學模型簡圖如圖2所示。

圖2 力學模型簡圖

2.2 工況、載荷與邊界條件

雙車翻車機所受的載荷主要有:1)自重與配重；2)物料和車輛自重(C80型敞車)；3)液壓夾緊力；4)液壓系統自重。轉子鋼結構在工作中所承受的載荷除自重由程序計算外,其他載荷(包括車體及物料產生的輪壓、液壓系統自重、靠車板支撐桿的作用力、夾緊鉤的重力及夾緊力、靠車板油缸作用力、走臺欄桿的重力和夾緊鉤導向套的重力)均按實際位置加到結構上[2-4]。

翻車機工況復雜，本文選取4種最重要的工況進行有限元分析。4種工況以端環工作位置來定義。工況1：傾角0°時，翻車機空載；工況2：傾角60°時，翻車機滿載100 t，壓車力6 t；工況3：傾角90°時，翻車機滿載100 t，壓車力8 t；工況4：傾角150°時，翻車機滿載100 t，壓車力8 t，凍車(煤沒有翻卸)[5]。轉子鋼結構工況與載荷見表1。

雙車翻車機靠底座上的托輥組來支承,托輥處即為邊界。其邊界條件為:對稱面內節點約束了繞X軸、Y軸的轉動自由度和Z向移動自由度；端環托輥處約束了徑向移動自由度；在端環驅動處約束了X方向、Y方向移動自由度,平臺、前梁、后梁允許5 mm軸向變形。

表1 轉子鋼結構工況與載荷

2.3 有限元計算結果與分析

用ANSYS有限元軟件對轉子鋼結構進行計算，計算結果如圖3～6所示。

轉子鋼結構的材料主要是Q345B，σs=345 MPa，安全系數取值為1.33，許用應力[σ]=259 MPa。

工況1：傾角0°時，雙車翻車機空載，無壓車力，轉子鋼結構拉應力σmax=25.2 MPa，切應力τmax=12.8 MPa，最大應力發生在托輥支撐端環的立板處，板厚為16 mm。最大變形為2.02 mm，發生在平臺中部靠近垂直壓車部位的立板處。

工況2：傾角60°時，翻車機滿載100 t，壓車力6 t，σmax=103.0 MPa，τmax=53.5 MPa，最大應力發生在靠板后梁側端環與托輥支撐的立板處，板厚為20 mm。最大變形為9.90 mm，發生在靠板側后梁中間與靠板相連接處。

圖3 30°轉子鋼結構應力云圖 圖4 60°轉子鋼結構應力云圖

圖5 90°轉子鋼結構應力云圖 圖6 150°轉子鋼結構應力云圖

工況3：傾角90°時，翻車機滿載100 t，壓車力8 t，σmax=73.0 MPa，τmax=36.8 MPa。最大應力發生在靠板側后梁中間與靠板相連蓋板處，板厚為25 mm。最大變形為9.51 mm, 發生在靠板側后梁中間與靠板相連接處。

工況4：傾角150°時，翻車機滿載100 t，壓車力8 t，凍車，σmax=93.0 MPa，τmax=47.1 MPa。最大應力發生在靠板側后梁托輥支撐與端環的立板處，板厚為20 mm。最大變形為5.3 mm，發生在靠板側后梁中間與靠板相連接處。

3 結論與現場使用情況

本文設計了一種新型的“O”型不解列雙車翻車機 ，得到如下結論：

1)工況2傾角為60°時，雙車翻車機滿載100 t，壓車力6 t，應力值與變形最大，工況最惡劣。原因是：翻車機驅動裝置處于加速階段，垂直壓車夾緊裝置處于壓緊狀態，液壓系統沒有卸荷，夾緊力最大，物料剛開始翻卸，自重大。

2)端環與托輥支撐處應力值比較大，轉子鋼結構所有的力都是通過此處傳遞給托輥，設計時需要進行加強。

3)后梁與靠板中間連接處變形最大。雙車翻車機在翻卸物料時，敞車與物料自重都要靠板支撐，壓車力作用在靠板上。后梁相當于簡支梁，所以中間受力最大，變形最大，設計時需要加強。

4)雙車翻車機所有工況計算應力值都小于材料Q345B許用應力值，翻車機轉子鋼結構安全。

該“O”型不解列雙車翻車機卸車系統2011年在鋼廠投入使用，已經使用了8年，翻車效率高。雙車翻車機沒有出現任何問題，效果非常好，說明有限元計算結果真實可靠。