高崇金

（珠海三一港口機械有限公司，廣東珠海 519000）

0 引言

在能源、電力、冶金、港口等行業(yè)，特別是一些大宗散料集散中心的高速、穩(wěn)定、集效、滾動式發(fā)展中，大型港口散料裝船機發(fā)揮著重要作用。本文分析的裝船機是三一海洋重工1 600 t/h 移動回轉式糧食裝船機。該裝船機為目前國內最大噸位糧食裝船機。相對其他裝船機，具有整機重量輕、生產率高和載荷大等特點。俯仰機構作為裝船機的核心部件，安全方面尤其重要。本文通過建立裝船機俯仰機構計算簡圖，得到俯仰鋼絲繩最大拉力，又根據(jù)其載荷條件，對上部金屬結構通過有限元HyperMesh 軟件建立三維模型，對關鍵部件L 架結構進行分析。并將計算結果用于指導設計，為相關領域提供設計依據(jù)和參考。

1 裝船機裝卸工藝流程及金屬結構組成

1.1 裝卸工藝流程和主機參數(shù)

裝船機裝船工藝流程如下：倉儲區(qū)→碼頭皮帶機→轉運站→碼頭皮帶機→裝船機尾車皮帶機→中繼皮帶機→臂架皮帶機→伸縮溜管→船艙。

表1 糧食裝船機主要參數(shù)

1.2 上部金屬結構組成

上部金屬結構統(tǒng)稱為回轉支撐以上部分，它實現(xiàn)了上部回轉、臂架俯仰和安全掛鉤等動作。包括伸縮溜管、臂架、臂架皮帶機和L 架等結構及部件，如圖1。

圖1 上部鋼結構各部件分布圖

2 力學模型建立

分析簡化后的裝船機模型，其中主臂和溜筒，L 架、司機室、除塵系統(tǒng)和機器房等之間相對位置固定，在進行運動分析時作為整體，取其質心位置進行力學分析。臂架系統(tǒng)各部分質心位置如圖2 所示，以臂架鉸點O 為坐標原點，各質心點坐標為：

溜筒G1（X1，Y1）；臂架G2（X2，Y2）；臂架皮帶機G3（X3，Y3）；物料質量G4（X4，Y4）。

重心分布如圖2。

圖2 重心分布圖

建立力矩平衡方程：

式中，G1、G2、G3、G4依次為溜筒、臂架、臂架皮帶機、物料自重的各部件重心位置。

表2 臂架水平滿載時質心參數(shù)

根據(jù)表2 中臂架水平滿載時質心參數(shù)數(shù)據(jù)，求解方程（1）得：

俯仰機構中，同一零件上各鉸點的相對距離是根據(jù)具體的結構設計固定不變的，隨著俯仰鋼絲繩長度的變化，發(fā)生變化的是臂架系統(tǒng)與轉臺之間鉸點連線的夾角，這些夾角都是隨著俯仰鋼絲繩長度這一個變量發(fā)生變化的，直接反映為臂架俯仰角度的變化。為更加明確地建立起各變量之間內在的幾何聯(lián)系，將變幅機構的夾角及相對鉸點距離均歸結為臂架俯仰角度θ 有關的函數(shù)。裝船機俯仰機構計算簡圖如圖3 所示。

圖3 俯仰機構計算簡圖

圖3 中：A（X1，Y1）為L 架滑輪組中心位置；B（X2，Y2）為臂架滑輪組中心位置；D（X3，Y3）為臂架部分重心坐標，同式（2）；α 為臂架滑輪組中心與坐標軸原點連線和X 軸夾角；θ 為臂架俯仰過程中角度變化；γ 為變化過程中L架滑輪組和臂架滑輪組相對坐標軸夾角；β 為L 架滑輪組與Y 軸夾角。

根據(jù)已知條件，臂架水平狀態(tài)下，得出各夾角值和各點之間間距，如表3。

本文選擇臂架在幾種工況（θ=10°～68°）下電機所需功率、鋼絲繩拉力和俯仰時間等進行對比，如表4。

根據(jù)以上表格確認鋼絲繩在整個俯仰過程中最大拉力F=5×104N，所需最大功率M=29.98 kW，單根鋼絲繩最大行程L=13.3 m 等。

表3 各夾角值和距離

表4 各工況下計算結果

3 有限元計算模型

裝船機上部金屬結構模型如圖4 所示。

圖4 上部金屬結構模型

本文以臂架下俯10°時，分別在無風、工作風載荷垂直于大車軌道方向吹（X 方向）、工作風載荷垂直于大車軌道方向吹（-X 方向）以及工作風載荷平行于大車軌道方向吹（Z 方向）幾種工況下分析L 架最大應力。

3.1 載荷組合

1）結構自重G。結構以及結構上均布構件的自重通過更改材料密度來調整模型自重，其余集中載荷構件，采用質量載荷來施加，見表2。

2）制動載荷Kr。Kr=ψλcma。其中：λc為載荷系數(shù)；ψ 為慣性載荷增大系數(shù)，取值2.0，參考《FEM 設計規(guī)范》；m 為結構自重；a 為行走加速度。

通過給有限元模型輸入行走加速度，由軟件自動計算行走慣性力。

3）風載荷W。風載荷按F.E.M 規(guī)范計算，折算到各個節(jié)點上。工作狀態(tài)下，最大風速vi=20 m/s，風壓qi=245.2 N/m2。非工作狀態(tài)下，最大風速vo=55 m/s，風壓qo=1854.325 N/m2。工作狀態(tài)下，風載Wi=CfqiAsin2α，非工作狀態(tài)下，風載Wo=CfQoAsin2α。式中：C 為風力系數(shù)；A 為垂直于風向的迎風面積；α 為風向與結構縱軸的夾角。

風沿垂直軌道方向（X 方向）風載Wix、Wox如表5。

表5 風沿大車方向各部件迎風面積等

風沿大車方向（Z 方向）風載WiZ、WoZ如表6。

表6 風沿大車方向各部件迎風面積等

4）載荷系數(shù)。根據(jù)整機工作級別A8 級，增大系數(shù)λc=1.2（F.E.M 2.3.4）。

3.2 位移約束條件

約束L 型架底部回轉部分的全部自由度。

3.3 材料屬性

金屬結構受力構件所用材料為Q345 鋼，在各種工況下的安全系數(shù)和許用應力見表7。

表7 Q345 鋼許用應力表

3.4 有限元模型

有限元計算采用HyperMesh 分析軟件，本結構有限元模型見圖5。

圖5 裝船機上部金屬結構有限元模型

裝船機上部金屬結構有限元模型共有317 070 個節(jié)點，318 712 個單元，銷軸采用釋放旋轉自由度的梁單元，鋼絲繩采用桿單元。

本文主要針對L 架進行分析，分析結果見圖6～圖8。

由表8 及圖6～圖8 可知，水平工況立柱頂端最大位移20.87 mm，出現(xiàn)在X 向風載時，其余工況出現(xiàn)在Z 向風載，最大位移為11.71 mm。

另得出L 架最大應力工況及其最大應力，最大應力為236.8 MPa＜282 MPa，滿足設計要求。如圖9。

圖6 水平0°時X 向風載位移云圖

圖7 上仰10°時Z 向風載位移云圖

圖8 下俯10°時Z 向風載位移云圖

圖9 下俯10°時-X 向風載立柱應力云圖

4 結語

本文通過計算實例詳細闡明了裝船機俯仰機構和L架結構計算方法，為實際設計工作提供了翔實的數(shù)據(jù)依據(jù)，同時對相關產品的設計工作提供參考依據(jù)。對現(xiàn)場維修操作人員反饋問題，如站立在L 架上部時結構存在前后晃動工況提供理論依據(jù)，主要是L 架在有風工況下?lián)闲宰冃螌е拢朔N工況屬正常工作工況。

表8 立柱頂端位移計算結果數(shù)據(jù)表

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