裝填設備載荷影響因素分析及動力學仿真

屈雪蕊

【摘? 要】傳統設計工作中，裝填產品和裝填設備中形成了平衡內力體系，其載荷與規模較小，運行時載荷影響不夠明顯。在裝填設備規模以及載荷持續擴大的過程中，裝填過程中載荷開始顯著影響設備穩定性，所以，應該分析裝填設備中載荷的影響因素。論文結合某裝填設備在啟動瞬間形成的意外躥動問題，對裝填設備運行過程，特別在啟動瞬間過程中的載荷因素進行分析，對啟動瞬間的慣性力來源進行全面揭示，構建裝填設備平衡模型，為強化裝填設備穩定性提供參考。

【Abstract】In the traditional design work， a balanced internal force system has been formed in the loading products and the loading equipment， whose load and scale are small， and the impact of the load in operation is not obvious. As the scale of the loading equipment and the load continue to expand， the load begins to significantly affect the stability of the equipment during the loading process. Therefore， the influencing factors of the load in the loading equipment should be analyzed. Combined with the unexpected jump problem of a loading equipment formed at the start moment， the paper analyzes the load factors during the operation of the loading equipment， especially during the start moment process， comprehensively reveals the source of inertia force at the start moment， and builds the balance model of the loading equipment to provide reference for strengthening the stability of the loading equipment.

【關鍵詞】裝填設備;載荷影響因素;動力學仿真

【Keywords】loading equipment; influencing factors of the load; dynamic simulation

【中圖分類號】TP391.9;TH122? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）10-0176-03

1 引言

對于裝填設備而言，主要是向儲藏裝置中推送水平放置的貨物，裝填設備一般是由支撐車架以及施力機構等構成。施力機構主要是把支撐車架上的貨物向儲藏裝置中進行推送，即裝填。施力機構從儲藏裝置中拉出貨物的過程，即退出。

在填裝和退出等環節，不同設備之間存在正壓力與摩擦系數，材料是摩擦系數的主要影響因素，正壓力和裝填設備、儲藏裝置實際對中精度存在緊密關聯。

裝填產品借助包裹外圓面中4道彈性滑動支撐在貯存裝置、裝填裝置內圓面中滑動完成裝填以及退出等操作。滑動支撐的外摩擦表面是聚四氟乙烯，裝填設備內表面是打磨鋼板，對于貯存裝置，內表面主要為玻璃布。

2 裝填設備躥動問題分析

在某裝填設備開展產品退出工作時，發生了啟動瞬間，裝填設備意外躥動的問題，另一套裝填設備進行裝填以及退出的啟動瞬間也時而出現顫動問題，因為裝填產品、裝填設備尺寸等方面具有較大規模，可以達到數十噸以上，長度在數十米，此種顫動與躥動問題嚴重影響設備安全性，所以，應該認真分析裝填設備運行過程的荷載影響因素，進而防止發生顫動與躥動問題[1]。

發生躥動問題時，通過觀察裝填設備，發現其呈現出如下工作狀態：

為促使裝填設備中主體結構的撓度變形問題進行充分抵消，保證填裝產品和推進裝置之間能夠順利連接，裝填設備后排支腿頂起，鎖緊行走輪的止動裝置。

在退出工作中，最后的彈性滑動支撐退出長度達到自身長度1/2后，結束運行。之后針對退出進程展開重啟處理，裝填設備促使裝填產品持續由左側退出，而瞬間裝填設備朝著右側活動，另外，支腿朝著右側傾斜。出現問題之后，立即進行停機斷電動作，對退出工作進行中止處理，然而裝填設備繼續朝著右側滑移660mm左右，支腿盤朝著同方向滑移440mm左右。

及時開展行走輪檢查工作，在此期間發現止動設備已經發出緊鎖動作，但是行走輪（帶有止動設備）和止動設備表面出現摩擦問題，最終導致行走輪滾動。

借助千斤頂（2個）將主體結構撐起，對支腿展開重新支撐處理，即止推盤不再觸地，未施加其他力進行頂升處理，再次啟動退出程序，開始正常工作，退出任務完成。

3 荷載關系分析

結合上述現象能夠發現，退出啟動的瞬間，肯定產生擾動力使得填裝設備朝著右側滑移，對行走阻力進行有效克服，使得裝填設備朝著右側躥動。將該填裝設備作為研究的對象，構建產品退出力學關系的模型，如圖1所示。

如果填裝設備發生移動，其主要受到以下外力：G1（產品重力）、G2（自身重力）、f1（行走輪與地面之間的摩擦力）、P（摩擦力）、F（填裝產品和填裝設備之間的拉力）、N1（地面和行走輪之間的支撐力）、N2（地面和支腿之間的支撐力）。主要受到以下內力：f2（止動設備以及行走輪的實際止動摩擦力）以及行走輪阻力等，在軌道坡度形成的外力方面，可以進行忽略處理。裝填設備中符號定義與參數如表1所示。

3.1 支腿荷載的影響分析

在整體受力方面，支腿支撐的影響程度也比較大，結合裝填設備運行流程，在將裝填設備運行范圍內落放裝填產品前，為了對裝填設備后排撓度進行有效抵消，應該提前頂升后排雙支腿，因為該設備支腿上下都是鉸接形式，并且直腿的長度在2m左右。所以，頂升支腿過程中，支腿存在傾斜隱患，基于此會導致水平分力問題，開展計算工作，基于支腿垂直支撐力達到30kN情況下，如果支腿傾斜-3°～3°，那么相應水平分力就是：Q=-3059～3059N，方向會和？駐P（慣性力）的方向相同，還會和f0的方向相同。對于水平分力，會影響裝填設備運行穩定性。

3.2 行走阻力的影響分析

因為支腿上下主要選擇鉸接形式，所以地面以及支腿之間產生的正壓力無法轉變成為裝填設備的工作阻力，支腿以及行走輪均進行承載，因此應該科學分析二者承載分配情況，見下式：

科學分析支腿的具體特點，結合裝填設備具體空載要求，對于后排支腿，進行向上頂緊過程中，能夠充分消除裝填設備中尾端撓度，結合手輪實際搖動力科學開展折算工作，支腿支撐力數值基本上在30N左右，在其他支腿觸地之后會停止運行。產品放到裝填設備后，所有支腿的承載力都有所提高，根據有限元分析情況，科學提取所有支腿實際反力情況，基于設備滿載狀況，支腿（8條）支撐力在270kN左右;在裝填全部運輸到貯藏系統時，可以判定支腿受力就是裝填系統空載狀態。對于后排支腿來講，承載是60kN，就是開展裝填活動時，則：N2=58860～264870N

相應為：N1=8.05×105～1.01×106N

f1=0.0072N1=5797～7273N

f0=f1+f2=8314～13573N

可以認為，隨著產品在裝填設備中的位置，行走阻力由左至右呈現遞增趨勢。

3.3 擾動力的影響分析

基于勻速運行狀態下，F=P2，f1=f2=0，然而啟動瞬間，產品會形成慣性力，相應反作用力向裝填設備進行作用，如果該數值比f0大，那么裝填設備會出現躥動。因此，需要對慣性力數值情況、來源等信息展開分析處理[2]。

①分析驅動系統啟動特性，涵蓋聯軸器、減速器以及電機等部件，運行速度最大值是1m/min，電機啟動到運行速度最大值時需要3s時間，啟動電機時，會形成啟動慣性力，即：

相比于f0，該值存在較大差異，該力并不是造成裝填設備出現躥動的關鍵因素。

②分析傳動系統情況，在本文的裝填設備中，傳統裝置主要通過大跨距傳動鏈將驅動力傳輸到推進設備中，該設備為結構件，借助相關測試顯示，由啟動電機至鏈條張緊，同時可以拉動產品時，需要4～12s的時間，比啟動電機的時間（3s）大，因此，傳動系統能夠緩沖電機加速過程，同時不會將慣性力傳遞給推進設備以及產品。

主體選擇裝填產品展開分析，主要受到摩擦力、F以及G1，在進行具體工作前，和裝填系統的摩擦力以靜摩擦為主，則在工作的瞬間能夠形成摩擦力，基于2種摩擦力的轉變瞬間，并未使鏈條的張緊度出現變化，即推進系統以及產品的互相作用力固定不變，則反作用力同樣固定不變，因此，啟動時產品主要手動靜摩擦力和動摩擦力之間合理作用，促使裝填產品形成加速度，合力的反作用力就是貨物運動瞬間裝填設備的慣性力。

對試驗數據進行反復提取，對啟動運行0～40s的時間段電機扭矩進行裝填力折算。通過繪制相應數據折線圖能夠發現，各個折線都含有顯著最高點，在此點之前是鏈條的張緊環節，電機轉速達到最大值，然而裝填貨物沒有出現運動跡象，在此點之后進入正常運行階段，該點就是靜摩擦和動摩擦之間的突變點。裝填環節中，鏈條拉緊的時間在10s左右，退出環節拉緊時間在5s左右。

借助靜摩擦和動摩擦的因數差？駐？滋=？滋1+？滋2表示摩擦力，對試驗結果進行統計，能夠發現，裝填設備和彈性滑動摩擦的動靜摩擦因素為：？駐？滋=0.01～0.03。該值能夠為荷載影響分析提供良好依據。

基于？駐？滋=0.01～0.03條件，慣性力？駐P=P1-P2=？駐？滋G1=5650～16950N。與f0=f1+f2=8314～13573N進行對比，能夠發現二者區間存在重疊現象。基于？駐P

4 動力學模型

摩擦材料會影響？駐？滋，含有相應變動范圍，在各個裝置設備中均屬于已知量，在任一裝填設備中G1是已知量，能夠借助有限元計算對N1與N2進行提取，同時可以借助手搖力進行估算，進而對裝填設備平衡情況進行判定。

要想從根本角度對裝填設備躥動風險進行有效消除，可以將紙輪器設置于行走輪下方，避免其出現滾動行走隱患，因為地面軌道和行走輪之間滑動摩擦力遠遠高于滾動摩擦的阻力系數，所以基于慣性力作用，能夠保持穩定的平衡狀態[4]。

開展裝填作業活動時，貨物和圓筒中心之間橫向偏差達到0.3mm情況下，實際狀態與仿真載荷選線和裝填距離關系如圖2所示。

通過圖2與表2能夠發現，實際荷載高出理論值10%左右，主要原因在于，進行仿真模擬過程中，并未對結構變形以及其他因素進行充分考慮。

5 結語

在裝填設備不斷朝著重載化與大型化發展的過程中，在裝填作業實踐中，外部載荷與內部載荷影響，特別在啟動瞬間載荷方面，對于裝載設備的影響程度日益增加，還會對裝載設備安全性以及穩定性等方面造成嚴重威脅。大型裝填設備在運行過程中，因為存在鏈條張緊特性、靜摩擦與動摩擦因素差等，在裝填以及退出的啟動瞬間會形成較大慣性力，會對裝填設備平衡狀態造成破壞，使其克服了行走阻力進而形成躥動問題，造成安全事故。所以，開展裝填設備設計工作過程中，應該充分分析裝填設備外部載荷與內部載荷等方面影響因素，對相關參數進行科學設定，必要時應該采用止輪器以及其他輔助手段，對裝填設備運行過程中保持平衡的條件進行充分驗證，進而充分為強化裝填系統安全性與穩定性提供保障。另外，開展裝填作業時，還應該對對中精度加以重視，在對中偏差不斷增加的過程中，裝填載荷也會隨之增加。在位置平差較大的情況下，會導致裝填載荷超出裝填設備額定承受范圍，所以可以通過強化結構剛度與對中精度減小裝填載荷。

【參考文獻】

【1】劉梅華，劉雪東，徐曉東，等.固定床反應器催化劑密相裝填過程床層料面監測系統構建與研究[J].化工進展，2021，40（07）：3617-3625.

【2】陸耀波，崔杰，歐陽志勇，等.沉管隧道穿越縱向非均勻場地振動臺試驗研究[J].地震工程與工程振動，2020，40（02）：125-134.

【3】王晶晶，馬維豐，張力學.重荷載水上光伏平臺結構分析[J].武漢大學學報（工學版），2018，51（01）：63-67.

【4】劉杰.液壓整體邁步式吊盤地面試驗架結構受力分析[J].煤礦機械，2017，38（07）：1-2.