（北方重工集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110027）

翻車機(jī)鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李紹偉 呂 卓 呂家歡

（北方重工集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110027）

本研究采用Ansys有限元分析軟件對(duì)翻車機(jī)進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)不同工況的受力情況得出主體鋼結(jié)構(gòu)在5種工況下的變形情況及應(yīng)力水平。分析發(fā)現(xiàn)，翻車機(jī)主體鋼結(jié)構(gòu)的剛度及強(qiáng)度都有很大的富余，因而對(duì)翻車機(jī)主體鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化處理，經(jīng)過(guò)優(yōu)化處理的翻車機(jī)鋼結(jié)構(gòu)總體質(zhì)量輕了24.6%。降低了制造成本。

翻車機(jī)；鋼結(jié)構(gòu)；有限元分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)

一、概述

C型轉(zhuǎn)子翻車機(jī)（圖1）在火力發(fā)電廠使用到設(shè)備中最為常見(jiàn)，其端梁又開(kāi)口，并呈現(xiàn)出倒扣的C形，能夠允許撥車機(jī)通過(guò)，同時(shí)也對(duì)其配置了撥車機(jī)，在進(jìn)行作業(yè)的過(guò)程中需要對(duì)鐵路敞車進(jìn)行脫鉤處理。采用液壓壓車以及靠車是其設(shè)備的最大特點(diǎn)，使得靠車力以及壓車力得到了顯著的減少，一次降低了列車的損耗，得到了鐵路部門以及用戶的好評(píng)。此外該機(jī)型具有合理科學(xué)的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量較輕，旋轉(zhuǎn)中心同中心幾乎在一處，并且驅(qū)動(dòng)功率較小，該轉(zhuǎn)動(dòng)功率是目前國(guó)際中翻車機(jī)本體所需的最小值。

二、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析

停車平臺(tái)、側(cè)梁以及頂梁和C型的兩個(gè)端梁共同組成了翻車機(jī)的主體鋼結(jié)構(gòu)。停車平臺(tái)以及頂梁、側(cè)梁均為箱型結(jié)構(gòu)，由鋼板焊接而成，其獨(dú)自成為一個(gè)個(gè)體，通常在安裝時(shí)使用焊接的方式將其同端梁連接。由于端梁結(jié)構(gòu)為C型結(jié)構(gòu)，使得撥車機(jī)能夠準(zhǔn)確在翻車機(jī)中對(duì)重車進(jìn)行定位，實(shí)現(xiàn)作業(yè)的自動(dòng)化。但是該種端梁在結(jié)構(gòu)上存在不足，因此其結(jié)構(gòu)采用箱型截面用以對(duì)其不足進(jìn)行彌補(bǔ)，大大的提高了端梁的抗扭性以及抗彎性。該轉(zhuǎn)子翻車機(jī)中主要設(shè)置了液壓夾緊裝置、活動(dòng)靠板以及固定平臺(tái)等。待貨車開(kāi)入設(shè)備后，活動(dòng)靠板便向貨車的一側(cè)靠近，拖住其側(cè)墻板，車幫受到壓車裝置固定，當(dāng)完成靠車和壓車后才能進(jìn)行旋轉(zhuǎn)卸車。通過(guò)液壓釋能系統(tǒng)將貨車彈簧力逐漸隨著荷載的減小而釋放，避免由于過(guò)大的壓車力造成敞車車幫受到外力損壞。端梁外圓處有專門的軌道用以承受載荷，并設(shè)置大齒圈結(jié)構(gòu)，使得其同驅(qū)動(dòng)裝置小齒輪相互嚙合，用以翻轉(zhuǎn)車機(jī)的主體，完成整個(gè)卸料的過(guò)程。在頂梁中設(shè)置有配重結(jié)構(gòu)，用以對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的主體偏載進(jìn)行平衡，以此降低由于力的不平衡造成的驅(qū)動(dòng)功率降低幾率，減少由于翻轉(zhuǎn)對(duì)車機(jī)造成的沖擊。

圖1

圖 2

表1

三、翻車機(jī)主體鋼結(jié)構(gòu)有限元分析

翻車機(jī)的整個(gè)工作周期最終需要轉(zhuǎn)至165°位置，起始位置為0°，待所有物料全部卸除后，在由最終的165°逐步轉(zhuǎn)回0°位置，從實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)工作情況需要，以下歸納了十一種工況的計(jì)算情況。文章中所提到的情況僅僅是由于翻車機(jī)的角度有所差異，各工況下的翻車機(jī)作用角度都根據(jù)實(shí)際情況的不同而不同，但荷載方向基本相同，僅僅大小具有差異，因此不同的工況下，因此，需要根據(jù)工況確定重力加速度轉(zhuǎn)動(dòng)方向，實(shí)際的工況可以通過(guò)對(duì)各個(gè)荷載大小計(jì)算方式進(jìn)行改變予以實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)相關(guān)有限元分析以及計(jì)算，得出翻車及的載荷分布及載荷大小如表1。

翻車機(jī)的具有較為龐大復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。為了對(duì)建模的工作量予以減少，從而提高計(jì)算速度，首先應(yīng)當(dāng)對(duì)翻車機(jī)鋼結(jié)構(gòu)的主體予以簡(jiǎn)化。翻車機(jī)主體鋼結(jié)構(gòu)的端梁，平臺(tái)，側(cè)梁，頂梁采用4節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)殼單元。翻車機(jī)的鋼結(jié)構(gòu)主體在設(shè)備中呈現(xiàn)為對(duì)稱性平面結(jié)構(gòu)，在建模的過(guò)程中主要以中間面作為兩端梁對(duì)稱面，對(duì)稱邊界的條件則在頂梁、側(cè)梁以及平臺(tái)同對(duì)稱面相交的位置進(jìn)行施加。在有限元模型建立的過(guò)程中省略了位于端梁邊緣的鋼軌，在極坐標(biāo)系下限定接觸處的UX方向自由度。在托輥同端梁之間的接觸點(diǎn)，選取一節(jié)點(diǎn)，對(duì)UZ方向以及UX方向的自由度在極坐標(biāo)系下進(jìn)行限定，經(jīng)過(guò)建模、劃分網(wǎng)格、加載、限定邊界條件后。

表2

經(jīng)過(guò)計(jì)算各種工況并對(duì)比發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力及變形發(fā)生在0°工況，其應(yīng)力最大值達(dá)到155.099MPa，在驅(qū)動(dòng)小齒輪同其嚙合的位置，該處板厚大約是20mm，小于許用應(yīng)力[σa]=244MPa，最大變形為10.377mm（見(jiàn)圖2）。對(duì)移動(dòng)式連續(xù)散料搬運(yùn)設(shè)備的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)定要求都能夠予以滿足。

四、優(yōu)化設(shè)計(jì)

由分析得出翻車機(jī)主體鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平普遍較小，因此很有必要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文采用ANSYS軟件提供的零階方法，使用狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)的逼近對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

設(shè)計(jì)變量：根據(jù)翻車機(jī)主體鋼結(jié)構(gòu)鋼板的位置不同及厚度不同，設(shè)定了單元15個(gè)參數(shù)設(shè)計(jì)變量。

目標(biāo)函數(shù)：選取以重量最輕為優(yōu)化目的。其密度為定值，所以只要整體的體積得到優(yōu)化即可達(dá)到整體質(zhì)量?jī)?yōu)化的目的，因此本文選取了翻車機(jī)主體鋼結(jié)構(gòu)所有材料的體積和作為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)。

狀態(tài)變量：本文所確定的狀態(tài)優(yōu)化過(guò)程的狀態(tài)變量為結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度。

通過(guò)20次迭代后完成計(jì)算，優(yōu)化前后的翻車機(jī)主體鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)前后對(duì)比見(jiàn)表2。按照設(shè)計(jì)變量?jī)?yōu)化取整后的數(shù)據(jù)重新對(duì)翻車機(jī)主體鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)分析，結(jié)果表明這種方式很大程度的降低了制造成本。

結(jié)語(yǔ)

文章所研究的兩臺(tái)翻車機(jī)在投入使用的三年中，運(yùn)行狀態(tài)一直良好，因此就說(shuō)明文章中所介紹的設(shè)計(jì)方式具有一定的可行性。

[1]趙連琦.國(guó)內(nèi)外翻車設(shè)備的發(fā)展及使用簡(jiǎn)介[J].機(jī)械化設(shè)備，1998（04）：18-24.

[2]張文生，戴財(cái)生.翻車機(jī)卸車系統(tǒng)發(fā)展方向的探討港工技術(shù)[J]，2007（06）：24-28.

TG45 < class="emphasis_bold"> 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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