基于ANSYS的作業裝置回轉機構的受力分析與設計

張理想，黃胤真，區思榜

（廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州 545007）

0 前言

近年來，隨著國家環保政策的變化，很多物料都采用集裝箱進行運輸。為了確保火車在運輸時不受偏載，達到安全要求，集裝箱內的物料（如干煤、鐵礦粉等）在運輸之前需要平整。常見的平整方式主要依靠人力，危險性高、效率低、成本高，而且受各方面因素的影響。作業裝置是基于裝載機平臺針對火車集裝箱開發的一款平整工具，如圖1所示。

圖1 裝置作業示意圖

由于作業裝置是通過連桿機構與裝載機連接，且工作方向幾乎與集裝箱的長度方向平行，通過裝載機整機移動調整需要平整物料的方向與寬度，既困難又浪費時間。所以需要設計一種回轉機構，附屬于作業裝置上，用于調整物料平整的方向與寬度。

1 回轉機構結構及工作原理

回轉機構是作業裝置中直接與物料接觸的部件，可以實現根據集裝箱中堆尖物料的位置，調整作業角度，將堆尖物料平整。其主要由垂直伸縮臂、刀板組件、回轉支座、油缸等組成，其結構如圖2所示。垂直伸縮臂3用于調整插入物料的深度，刀板組件1可以通過油缸4與回轉支座2組成的回轉機構繞著回轉中心旋轉，通過油缸4的往復運動，調整耙平物料的角度和寬度。

圖2 回轉機構示意圖

2 回轉機構的有限元分析

2.1 工況分析

回轉機構主要工作情況為，先調整好刀板組件的工作角度，將刀板組件插入需要平整物料一定深度，通過整機前后移動的過程，刀板組件將物料平整。因此，在工作過程中回轉機構所承受的載荷主要是當刀板組件插入物料之后，在裝載機前后移動時，物料對刀板產生的阻力。在回轉中心的作用下，經油缸傳遞給支座。

由此看來刀板受力的情況有2種，分別是正載和偏載工況。在正載工況下，物料產生的阻力均勻的分布在刀板的長度方向上，與刀板運動的方向相反，并垂直于刀板；偏載工況下，由于物料的不均勻分布或者刀板與集裝箱發生碰撞，只有一側受力。其中偏載的受力情況較為常見，且此工況下的回轉機構受力比較大，需對偏載工況進行強度校核[1]。

2.2 模型建立

為了簡化模型，在計算時忽略焊縫對整體結構強度的影響，只需要考慮垂直伸縮臂、回轉支座、刀板組件、油缸組成的回轉機構的強度。將簡化后的三維實體模型導入ANSYS軟件，如圖3所示。

圖3 回轉機構模型

2.3 材料定義、約束與載荷

回轉機構零件采用Q345鋼，材料參數如下：密度7.85 g/cm3、彈性模量210 MPa、泊松比0.3、屈服極限強度為345 MPa[2]。網格類型劃分為六面體[3]，如圖4所示。由于回轉機構在工作時油缸是鎖死的，分析結果不關注油缸的受力情況，因此將油缸簡化成一根剛度無限大的連接桿。根據作業裝置的工作方式，建立約束與載荷模型[4]，如圖5所示。偏載力F的計算情況如下：

圖4 回轉機構網格圖

圖5 回轉機構約束與載荷圖

由于作業對象主要為干煤炭（密度1.4 kg/m3）和鐵礦粉（密度4.89 kg/m3），2種物料一般是混合運輸，取其平均密度約為3.15 kg/m3，根據物料在作業過程中的流動性，決定選取在作業面前端0.6 m內的物料會對作業裝置產生阻力，耙刀板的插入物料深度為0.45 m，作業面的寬度為2.5 m，因此由物料產生的阻力（偏載力）F的計算結果為：

式中：V為產生阻力的物料的有效體積（m3）；ρ為物料平均密度；H為插入物料深度（m）；L為產生阻力的物料長度（m）；W為作業面的寬度（m）。

根據計算得出F≈20 000 N。

2.4 有限元結果分析

通過分析得到回轉機構的應力云圖和變形位移圖，分別如圖6和圖7所示。從分析結果可以看出，最大等效應力出現在回轉支座的與垂直伸縮臂的端部連接出，其值為118.24 MPa，遠遠低于材料的屈服強度345 MPa，安全系數約為2.9，結構不會產生塑性變形。最大變形位移約19 mm，變形位置集中在受力點附近，應變為0.003 1。綜合以上結果可以看出：回轉機構所受最大應力值遠遠低于材料屈服極限。機構產生的是彈性變形，理論計算滿足工況要求[5]。

圖6 回轉機構應力云圖

圖7 回轉機構變形位移圖

3 結束語

主要針對作業裝置回轉機構支座進行了應力分析，結果表明回轉機構理論計算應力值及變形位移都滿足設計要求，具有實用價值。

在今后的懸臂結構設計方案時，綜合考慮工藝、制造、成本的情況下，應盡可能使懸臂結構的根部受力面積增大，提高結構強度。

結構件設計時應充分考慮工況，對構件的受力情況做出準確的定位，通過有限元分析軟件對部件進行應力計算，識別出結構的弱點進行補強，減少故障情況的出現[6]。

通過此機構可以代替人力對松散物料的平整，使作業效率大大提升，主要應用于煤炭、鐵礦粉、細砂、干土等需要平整的工況。目前已在鐵路、港口等需要集裝箱運輸的領域取得較好工作表現，下一步將會向其他領域進行拓展。