造船用轉(zhuǎn)料機(jī)的設(shè)計

王星霖 郭 忠 徐金帥 魏 興

1大連益利亞工程機(jī)械有限公司 大連 116025 2中石化重型起重運(yùn)輸工程有限責(zé)任公司 北京 100029 3大連理工大學(xué) 大連 116023

1 主設(shè)備轉(zhuǎn)料機(jī)的設(shè)計方案

1.1 造船用轉(zhuǎn)料機(jī)

造船用轉(zhuǎn)料機(jī)以卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)作為動力通過鋼絲繩帶動軌道小車來運(yùn)輸載重物到指定位置，從而達(dá)到轉(zhuǎn)料目的。如圖1所示，造船用轉(zhuǎn)料機(jī)主要由卷揚(yáng)系統(tǒng)、運(yùn)輸小車、滑輪組、安全防控雷達(dá)系統(tǒng)、報警燈及電控系統(tǒng)、地坑、卷揚(yáng)系統(tǒng)中的減速電動機(jī)、運(yùn)輸小車中的吊耳平衡架等組成。從卷揚(yáng)系統(tǒng)上部輸出的鋼絲繩連接在運(yùn)輸小車一端吊耳平衡架上；從卷揚(yáng)系統(tǒng)下部輸出的鋼絲繩另一端經(jīng)過滑輪組纏繞后連接到運(yùn)輸小車另一端吊耳平衡架上；運(yùn)輸小車通過卷揚(yáng)系統(tǒng)鋼絲繩的拽引與強(qiáng)制驅(qū)動后載物運(yùn)行，達(dá)到運(yùn)輸轉(zhuǎn)料的目的。造船用轉(zhuǎn)料機(jī)設(shè)備有操作觸摸屏和遙控控制器，當(dāng)運(yùn)輸小車工作時警示燈亮起，當(dāng)卸料人員或其他人或動物靠近本轉(zhuǎn)料機(jī)3 m時會發(fā)出語音提示，當(dāng)開始減速運(yùn)行靠近轉(zhuǎn)料機(jī)1.3 m時會自動停止運(yùn)行。轉(zhuǎn)料機(jī)繞繩方式如圖2所示，轉(zhuǎn)料機(jī)主架如圖3所示。

圖 1 造船用轉(zhuǎn)料機(jī)示意圖

圖2 繞繩方式示意圖

圖3 轉(zhuǎn)料機(jī)主架示意圖

1.2 轉(zhuǎn)料機(jī)主架

轉(zhuǎn)料機(jī)主設(shè)備基本參數(shù)為：卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)質(zhì)量為1 500 kg，拽引載荷為100 kN，轉(zhuǎn)料機(jī)主架質(zhì)量為8 000 kg，拽引載荷為200 kN，運(yùn)輸小車質(zhì)量為1 200 kg，最大載重量為60 000 kg。轉(zhuǎn)料機(jī)主架連接形式如圖4所示。運(yùn)輸小車車輪與軌道摩擦系數(shù)為0.135，轉(zhuǎn)料機(jī)的鋼絲繩單繩初始漲緊力計算為（運(yùn)輸小車質(zhì)量+最大載物質(zhì)量）×摩擦系數(shù)＝（1 200+60 000）×9.8×0.135＝80 967.6 N≈81 kN，故得出鋼絲繩單繩初始漲緊力為81 kN。

圖4 轉(zhuǎn)料機(jī)主架連接示意圖

2 載荷計算

2.1 鋼絲繩計算

鋼絲繩的受力計算可表示為

式中：Pi為鋼絲繩緊邊工作拉力；Po為計算鋼絲繩松邊拉力；P為鋼絲繩單繩初始漲緊力，P= 81 kN。

單個滑輪組效率η≈0.98，由此可得Pi=85.088 kN，Po≈76.912 kN。

PQ為5個滑輪組的阻力，即有

選用鋼絲繩型號為28-8×26SW+IWR-1770，鋼絲繩公稱直徑d＝28 mm，破斷拉力為480 kN，工作級別M6。

鋼絲繩的破斷拉力為

式中：Fo為鋼絲繩的整繩最小破斷拉力；Pi為鋼絲繩穩(wěn)態(tài)起升拉力；n為鋼絲繩最小安全系數(shù)，取5.6。

由此可知，鋼絲繩合格。

2.2 轉(zhuǎn)料機(jī)的主架計算

1）工況說明

有限元計算主要針對主架結(jié)構(gòu)校核，主架結(jié)構(gòu)主材型鋼H250×250×9×14、材質(zhì)為Q345B，其屈服極限σs和強(qiáng)度極限σb分別為345 MPa和470 MPa 。

對主機(jī)架受力分析，轉(zhuǎn)料機(jī)主架受力分析如圖5所示。選取材料安全系數(shù)n=1.34，其材料基本許用應(yīng)力[σ]=257 MPa。計算結(jié)構(gòu)主材中橫架型鋼H250×250×9×14受2P力時的應(yīng)力為

圖5 轉(zhuǎn)料機(jī)主架受力分析簡圖

式中：P為鋼絲繩單繩初始漲緊力，P= 81 000 N；L為結(jié)構(gòu)主材中橫架型鋼長度，L= 1 540 mm；M為彎矩；Wx為抗彎模量，Wx= 846.3 cm。

2）原主架模型

在有限元分析中，對吊耳、主架及模塊組裝模型聯(lián)合分析，各模塊由板、槽鋼組成，主架由H形鋼組成，吊耳由板組成，主架有限元模型中板結(jié)構(gòu)采用Shell 63單元建立，型材結(jié)構(gòu)采用Beam 188梁單元建立，網(wǎng)格劃分采用自由劃分方式。原主架有限元模型如圖6所示。

圖6 原主架有限元模型圖

根據(jù)計算工況，施加相應(yīng)的載荷。其中按照單繩為81 kN，有限元按100 kN計算。主架卷筒軸承座受鋼絲繩拉力81 kN；主架卷筒軸承座受卷筒重力7.35 kN；架結(jié)構(gòu)吊耳受滑輪組支架傳力81 kN×2＝162 kN。主架結(jié)構(gòu)有限元計算時，加載的約束力為主架卷筒座端底部進(jìn)行全位移約束、滑輪組底部進(jìn)行2位移約束，其他主架腿卷筒端進(jìn)行全約束，滑輪組側(cè)給出Z軸向和Y軸向2個約束，其他腿部只給出Z軸向的約束力。原主架模型計算結(jié)果如圖7所示，主架最大應(yīng)力位于吊耳與主材型鋼H250×250×9×14梁連接處，最大應(yīng)力值為σ＝495.042 MPa＞[σ]＝257 MPa，最大應(yīng)力大于許用應(yīng)力，故結(jié)構(gòu)需要重新優(yōu)化。

圖7 原整機(jī)主架應(yīng)力云圖

3）優(yōu)化主架有限元模型

優(yōu)化主架鋼結(jié)構(gòu)增加筋板和斜支撐建立有限元模型如圖8所示。其中，板結(jié)構(gòu)采用Shell 63單元建立，型材結(jié)構(gòu)采用Beam 188梁單元建立。Shell 63單元網(wǎng)格尺寸為30～50 mm，Beam 188單元網(wǎng)格尺寸為50 mm，部分區(qū)域細(xì)化網(wǎng)格如圖9所示。

圖8 優(yōu)化的主架有限元模型圖

圖9 主架卷筒處有限元模型圖

4）載荷和約束

根據(jù)計算工況，施加相應(yīng)的載荷。其中按照單繩為81 kN，有限元按100 kN計算，主架卷筒軸承座受鋼絲繩拉力81 kN；主架卷筒軸承座受卷筒重力7.35 kN；主架結(jié)構(gòu)吊耳受滑輪組支架傳力81 kN×2＝162 kN。

主架結(jié)構(gòu)有限元計算時，給出的約束力按系統(tǒng)坐標(biāo)，主架卷筒座端底部進(jìn)行全位移約束、滑輪組底部進(jìn)行Z軸向和Y軸向2個約束，滑輪組側(cè)給出Z軸向和Y軸向2個約束，其他腿部只給出Z軸向的約束力。

5）有限元計算結(jié)果

優(yōu)化的有限元計算結(jié)果如圖10、圖11所示。優(yōu)化的主架位移最大為2.93 mm，位于吊耳根部型材，其變形量在主材長度的1‰的允許范圍內(nèi)。

圖10 優(yōu)化的主架應(yīng)力云圖

圖11 優(yōu)化的主架變形云圖

主架最大應(yīng)力位于吊耳與主材型鋼H250×250×9×14梁連接處，主架最大應(yīng)力值為σ＝174.39 MPa＜[σ]＝257 MPa（Q355B材料模型中的許用應(yīng)力），均在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。