復雜工況下拉桿結構應力分析及優化設計

徐玉澎

秦皇島港股份有限公司第九港務分公司

1 引言

懸臂式取料機是大型松散物料的主要取裝設備,廣泛應用于大型散貨港口、火力發電廠的儲煤場。取料機斗輪、斗輪驅動裝置、卸料擋料裝置及皮帶鋼結構等重約50 t,全部由臂架前段主梁結構及斜拉桿共同支撐。該型取料機在北方使用存在著作業工況復雜,冬季低溫因素影響明顯,結構受力復雜的問題。

取料機鋼結構設計執行FEM或ISO5049標準,標準中3類載荷主要載荷,包括正常工作運行時所出現的載荷、設備運行或停止時出現的附加載荷以及第三類如碰撞等設備工作狀態和非工作狀態下不應產生但又無法避免的載荷。取料機鋼結構強度應滿足以上載荷工況。

取料機斗輪頭部拉桿通常采用圓管與插板連接,由于拉桿拉力很大,插板端部應力通常很高,再加上焊接工藝不合理等問題,在非工況條件下很容易造成疲勞撕裂帶來結構安全問題。此外,北方冬季作業取煤時存在著凍煤較多,且有隱藏式凍塊(煤垛內部)等,會對斗輪造成沖擊,給生產帶來安全隱患。

為了解決特殊工況下斗輪拉桿出現應力集中的問題,通過對現場工況采集及問題溯源分析,提出了優化提升的解決方案:對取料機頭部斗輪部分進行受力分析計算,對部件結構進行改進設計,加強斗輪的附加載荷承載力及惡劣工作下的抗沖擊能力,提升抗沖擊能力,提高整體結構安全性。

2 拉桿結構應力分析及優化改造

2.1 驅動功率計算

2.1.1 按設計取料能力計算

按照取料機取料峰值能力6 710 t/h,在正常工況的主要載荷作用下計算功率。

具體技術參數為:取料峰值能力Q1=6 710 t/h,斗輪直徑D=9.7 m,斗容q=2.8 m3,煤炭密度ρ=0.85 t/m3,斗輪轉速n=5.8 r/min,斗輪個數z=12,挖取過程中物料提升高度H=2D/3=6.47 m。

計算斗輪功率P:

P=P挖+P提+P磨

(1)

式中,P挖為取料機斗輪取料挖取時消耗的功率;P提為輪斗取料提升時消耗的功率;P磨為取料時各部分摩擦阻力消耗的功率。

(2)

(3)

(4)

式中,K為斗輪取料挖取阻力系數,煤炭取值為15;Q容為取料容積能力,Q容=Q1/ρ;摩擦效率η=0.96;摩擦系數M0=0.2。

在峰值為6 710 t/h時,計算得P=P挖+P提+P磨=141.7+123.22+18.47=283.9 kW,即設計工況下所需的斗輪驅動電機功率P總=284 kW。

2.1.2 實際工況功率

堆場冬季凍煤比較嚴重,斗輪取料時切割阻力變大,同時受取料動作特性影響,也會出現過量取料的情況,導致取料機拉桿承受載荷增加。根據設備原始設計資料,以及實際的驅動電機型號,需重新對拉桿進行分析,按照實際斗輪電機額定功率315 kW進行仿真計算。

2.2 原拉桿受力分析

進行三維建模。按照1∶1比例建立拉桿、連接板、懸臂梁及主鋼結構三維模型,并進行裝配(見圖1)。

圖1 拉桿結構模型

根據現場實際,拉桿連接處強度較大,以往此處也沒出現過損壞,為了簡化分析模型,認為螺栓連接強度足夠,拉桿、連接板及連接耳板視為一體。

設計工況分析:根據公式計算結果,將正常工作狀態下載荷施加到軸承座接觸面上,固定約束施加到主結構的底面及后側面,進行仿真計算。應力最大點出現在圓鋼與鋼板焊接部位,焊接時應注意消除應力集中(見圖2)。圓鋼上的載荷較為集中,最大值186 MPa,拉桿材料為Q345,按照安全系數1.5計算,材料許用應力230 MPa,正常工況下原拉桿最大分析應力值小于材料許用應力,且疲勞系數小于1,說明拉桿滿足使用要求。

圖2 正常工況下拉桿應力分布圖

實際工況分析:對原拉桿進行加強載荷分析,按照斗輪電機315 kW進行仿真計算,應力分析結果見圖3,最大應力達216 MPa,接近許用應力;在冬季極寒氣溫下,鋼結構脆性增加,加上凍煤及瞬時取料量過高等影響,極易造成拉桿撕裂。

圖3 實際工況下拉桿應力分布圖

2.3 新拉桿優化設計

為了滿足實際工況下的使用條件,對原拉桿進行了改造,新拉桿采用型鋼搭配連接板,可減少載荷作用下的應力集中(見圖4)。

圖4 新拉桿結構

對新拉桿進行三維建模和有限元分析。

在設計工況下,拉桿應力分析結果見圖5,最大應力出現在拉桿上方側面,最大應力值為108 MPa,最大值較原拉桿明顯降低。

圖5 設計工況下新拉桿應力云圖

在電機315 kW工作工況下,拉桿應力值增大,與原拉桿在同工況下進行對比,最大應力值降低34%,且在許用應力范圍內,滿足使用要求。

2.4 新舊拉桿應力檢測對比

對新舊拉桿在同類工況下選取相同位測點,通過貼應變片方式進行空載與重載應力檢測,數據對比。檢測位置為拉桿前端,應變片貼片位置見圖6。

圖6 應變片貼合位置

測試工況為正常取煤作業,圖7為舊拉桿在逆時針取煤時的應力測試曲線,最大應力值為48.65 MPa,平均流量約3 500 t/h時。

圖7 舊拉桿檢測點應力圖

圖8為新拉桿在逆時針取煤時的應力測試曲線,最大應力值為27.26 MPa,平均流量約4 000 t/h。

圖8 新拉桿檢測點應力圖

通過同類工況下的最大應力值及應力曲線圖分析對比可知,新拉桿最大應力減小,應力分布比較均勻,無應力集中現象,整體結構性能明顯提升。

3 結語

以設備實際運行為基礎,通過計算、建模,運用ANSYS分析原拉桿不同工況下的不足,優化設計新式拉桿。新拉桿采用新型連接方式消除了焊接接口處應力集中的現象,并通過現場應力檢測的數據對比,驗證新拉桿滿足復雜惡劣工況條件。優化設計可消除事故隱患,提高設備復雜惡劣工況下的工作性能,可為其他同類設備提供優化借鑒。