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        配重式頂堆側(cè)取堆取料機結(jié)構(gòu)分析

        2014-06-01 10:26:12
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2014年2期
        關(guān)鍵詞:堆料膠帶機刮板

        (北方重工裝卸設(shè)備分公司設(shè)計所,遼寧 沈陽 110141)

        配重式頂堆側(cè)取堆取料機結(jié)構(gòu)分析

        牛艷平

        (北方重工裝卸設(shè)備分公司設(shè)計所,遼寧 沈陽 110141)

        本文針對目前國內(nèi)應(yīng)用比較廣泛的配重式頂堆側(cè)取堆取料機這種機型,闡述了設(shè)備的結(jié)構(gòu)及工作原理方面。并根據(jù)設(shè)備實際受載荷情況,對金屬結(jié)構(gòu)的剛度、強度進行計算校核。模態(tài)分析得出了結(jié)構(gòu)的前十階模態(tài)振型和固有頻率,結(jié)合對外部激勵頻率的分析,驗算得出外部激勵不會造成設(shè)備的共振。

        堆取料機;動靜力學(xué)分析及優(yōu)化;模態(tài)分析;安裝順序

        目前在我國包括國際上的料場設(shè)備都在向占地小、儲量大、產(chǎn)能大、污染小、自動化程度高等方面發(fā)展。頂堆側(cè)取式堆取料機正是針對該發(fā)展方向而設(shè)計的一種全新型工藝設(shè)備。本類型設(shè)備堆料工藝采用頂部錐殼堆料法,取料工藝采用分區(qū)分層側(cè)式刮板取料法。該類設(shè)備根據(jù)取料機支撐形式的不同分為配重式和門架式,堆料機又可分為水平不變幅和液壓俯仰可變幅型。本文闡述的是堆料機水平不變幅,取料機采用配重式結(jié)構(gòu)。型號為YGC2000·3000/120, 取料能力2000t/h, 堆料能力3000t/h ,料場直徑120m的配重式頂堆側(cè)取堆取料機。

        1 設(shè)備的結(jié)構(gòu)及工作原理

        一個完整的料倉系統(tǒng)主要包括入料(棧橋膠帶機)系統(tǒng)、堆取料機、出料(膠帶機)系統(tǒng)、土建及穹形網(wǎng)架等幾部分。本文僅介紹堆取料機內(nèi)容,一個完整的堆取料機主要由中柱、堆料機、取料機、中心落煤斗幾部分組成。

        堆料機和取料機可以同時或分別圍繞中柱回轉(zhuǎn)完成堆料及取料作業(yè)。

        堆料時堆料機將堆料機頂部的棧橋膠帶機上運來的物料通過料斗轉(zhuǎn)運至懸臂膠帶機上并在料場內(nèi)實施定點堆料,當料堆達到設(shè)定的高度時堆料機回轉(zhuǎn)3度繼續(xù)堆料,如此往復(fù)直至將料場堆滿。

        取料時取料機在料堆的另一側(cè)進行取料作業(yè),取料的方式為分層取料,即刮板深入到料堆的一個預(yù)定深度后回轉(zhuǎn)取料。刮板將物料連續(xù)刮落到中柱底部的中心落料斗內(nèi)并通過地坑膠帶機將物料運出,取料過程中取料臂圍繞中柱回轉(zhuǎn),當取完一層物料后由鋼絲繩卷揚控制的取料臂下降一個設(shè)定的高度繼續(xù)逆向回轉(zhuǎn)取料,直至將區(qū)域內(nèi)的物料取凈,期間如需換堆時可將取料臂提升至設(shè)定高度進行回轉(zhuǎn)調(diào)車作業(yè)。

        2 結(jié)構(gòu)的動靜力學(xué)分析

        該圓形料場堆取料機的金屬結(jié)構(gòu)主要采用碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235和Q345。這兩種材料許用應(yīng)力按照σ=(0.5σs+0.35σb)/n計算,二者的許用應(yīng)力分別為165.8MPa和224.7MPa,通常將閾值設(shè)定在160MPa和220MPa。根據(jù)設(shè)備實際受載荷情況,結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析主要對金屬結(jié)構(gòu)的強度、剛度計算及校核,參照材料的需用應(yīng)力對受力集中部位進行優(yōu)化加強,對受力偏小的部位進行合理的減重設(shè)計以降低設(shè)計制造和使用成本。計算金屬結(jié)構(gòu)上關(guān)鍵點在不同組合工況下的位移值,對位移值大的部位根據(jù)結(jié)構(gòu)特點,通過改變結(jié)構(gòu)或加大構(gòu)件截面或改變聯(lián)接的方法來增加金屬結(jié)構(gòu)的剛度。

        表1 模態(tài)分析結(jié)果

        圖1 配重式頂堆側(cè)取堆取料機安裝順序圖

        圓形堆取料機在進行作業(yè)的過程中,往往還受到很多外部振動激勵的作用。如果這些外部激勵的頻率與設(shè)備自身的固有頻率接近或一致,就會產(chǎn)生共振現(xiàn)象而導(dǎo)致設(shè)備破壞。因此,不僅需要對設(shè)備結(jié)構(gòu)進行靜力校核,還需要對設(shè)備進行振動特性分析。模態(tài)分析是振動分析的一種,也是振動分析的基礎(chǔ)。通過對設(shè)備進行模態(tài)分析,可以對設(shè)備的基本振動參數(shù)有一個初步的了解,同時模態(tài)分析也是機械結(jié)構(gòu)設(shè)計階段避免振動破壞的一個重要手段。

        堆取料機的外部激勵主要集中表現(xiàn)在以下幾個方面:

        第一,外部隨機載荷激勵。物料經(jīng)棧橋落入堆料落煤斗瞬時沖擊的隨機振動。由于風載的幅值也呈現(xiàn)隨機性,使得中柱支腿抵抗傾翻的力矩呈隨機性。

        第二,回轉(zhuǎn)部件引起的激勵。堆取料機回轉(zhuǎn)作業(yè)及刮板臂變幅的動力驅(qū)動裝置,驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致基座法蘭與固定法蘭之間的連接螺栓產(chǎn)生松動,使得驅(qū)動電機的輸出扭矩不平穩(wěn),在與減速器齒輪嚙合的過程中容易產(chǎn)生振動。另外,膠帶機托輥由于長期的磨損引起質(zhì)量偏心,導(dǎo)致堆料臂的不規(guī)則振動。

        第三,刮板與物料的撞擊及刮板每次刮取物料時與料堆的撞擊,以及鏈條繞過鏈輪時鏈節(jié)撞擊鏈輪和鏈條的拍動,這兩種撞擊也會引起設(shè)備的晃動。

        第四,堆料機回轉(zhuǎn)堆料過程中,需頻繁的進行起停動作。由于堆料機臂架尺寸較大,啟停瞬時產(chǎn)生的制動力將對中柱產(chǎn)生較大的扭矩,加劇設(shè)備的晃動等。

        模態(tài)分析的主要目的是計算結(jié)構(gòu)的振動特征參數(shù),尤其是結(jié)構(gòu)的固有頻率。機械設(shè)備的固有頻率與結(jié)構(gòu)本身的尺寸、質(zhì)量以及剛度有關(guān)。模態(tài)是結(jié)構(gòu)的固有特性,圓形料場堆取料機的模態(tài)分析就是求解它的固有頻率和固有振型,這些振動特征與結(jié)構(gòu)的載荷無關(guān),因此,模態(tài)分析的有限元模型需要將結(jié)構(gòu)的外部載荷隱含。

        這里采用 PRO/E 對模型進行前處理以后導(dǎo)入 ANSYS 中進行求解,得到前10階的模態(tài)振型圖,各階模態(tài)振動情況以及固有頻率如表1所示。

        模態(tài)結(jié)果分析如下:

        取料輸送機的運行速度是 0.7m /s,刮板間距是1m,刮板沖擊載荷的頻率為f1=(0.7m/s)/1m=0.7Hz。刮板輸送機尾部鏈輪的半徑為0.809m,改向滾筒的轉(zhuǎn)速為ω= v/r=(0.7m/s)/0.809m≈0.865rad/s,即改向滾筒引起的振動頻率為0.865Hz。堆料膠帶機的帶速為 3.15m/s,堆料膠帶機改向滾筒的半徑為0.4m,堆料膠帶機改向滾筒的振動頻率為f3=(3.15m/ s)/0.4m=7.875Hz。

        刮板輸送機尾部鏈輪的振動頻率接近于結(jié)構(gòu)的第1階固有頻率,該振動頻率與第1階固有頻率相差|0.97-0.865|/0.97×100%≈10.8%。

        通過對比模態(tài)分析的計算結(jié)果和外部激勵的頻率,可以看出外部振動的頻率與設(shè)備的固有頻率相差在 10%以上,不會對設(shè)備的安全產(chǎn)生影響。

        3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

        為對設(shè)備進行合理配置,使設(shè)備更加經(jīng)濟,在保證產(chǎn)能和先進指標的前提下,設(shè)計上優(yōu)化了多種新型結(jié)構(gòu)。堆取料機懸臂結(jié)構(gòu)為最大限度地降低懸臂自重,堆料懸臂和取料懸臂在設(shè)計中都采用了矩形管和H型鋼組焊成的桁架結(jié)構(gòu)。取代了通常的雙工字形板梁結(jié)構(gòu)。

        取料機刮板驅(qū)動在同類設(shè)備中由于都是置于懸臂外側(cè),臥式放置而占用空間過大,非常不經(jīng)濟。本次設(shè)計優(yōu)化通過加大內(nèi)部空間尺寸、把刮板驅(qū)動立式放置在懸臂內(nèi)側(cè)、鏈輪與懸臂鉸軸分體等一系列措施,減小了占地面積,優(yōu)化緊湊了結(jié)構(gòu)。

        取料機變幅卷揚系統(tǒng),在同類設(shè)備中都是采用一根鋼絲繩進行卷揚。本機設(shè)計引入雙繩雙聯(lián)結(jié)構(gòu),可保證在一根鋼絲繩出現(xiàn)故障時,另一根鋼絲繩能夠有效的牽引住刮板懸臂。

        取料機鏈條張緊采用了復(fù)合彈簧加液壓油缸的張緊方式,利用復(fù)合彈簧的指數(shù)彈性曲線解決鏈條的大范圍張緊力變化,這在同類設(shè)備中屬首次應(yīng)用。同時將張緊鏈輪改成光輪結(jié)構(gòu),張緊采用一個滑道,取代了以往的張緊鏈輪和驅(qū)動輪齒數(shù)相同并采用雙滑道張緊的方式。

        4 安裝順序介紹

        該機器的安裝較為繁雜,所有裝配應(yīng)根據(jù)圖樣及有關(guān)技術(shù)要求進行。連接中不允許存在附加力,嚴禁強制裝配。為減少高空作業(yè)量,應(yīng)盡量在地面上裝配連接。圖1安裝順序是在不考慮系統(tǒng)安裝過程而確定的。

        現(xiàn)場實際安裝時安裝單位應(yīng)根據(jù)具體情況與經(jīng)驗來調(diào)整安裝順序。

        結(jié)語

        本文通過對YGC2000·3000/120型號圓形堆取料機的金屬結(jié)構(gòu)進行分析,從分析金屬結(jié)構(gòu)的強度、剛度方面計算對設(shè)備幾個部位做了優(yōu)化調(diào)整,并進行了合理的減重設(shè)計。在模態(tài)分析階段驗證了外部激勵不會造成設(shè)備共振,進一步保證了設(shè)備運行的安全性。最后從設(shè)備結(jié)構(gòu)特點出發(fā),提出了該類型設(shè)備的安裝順序。為以后類似設(shè)備的設(shè)計安裝提供了一些參考。

        [1]王英潔,李毅民.圓形料場堆取料機的形式及其應(yīng)用[J].重工與起重技術(shù),2011(01):16.

        [2]林建龍,項輝宇,張力,模態(tài)分析與實驗[M].北京:清華大學(xué)出版社,2009:15-17.

        TH23 < class="emphasis_bold"> 文獻標識碼:A

        A

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