方付宏，潘紫微，李權(quán)璽，吳海彤

(1.安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽馬鞍山243002；2.馬鋼華陽設(shè)備診斷工程有限公司，安徽馬鞍山243011)

斗輪取料機(jī)回轉(zhuǎn)輪壓測試與有限元分析

方付宏1，潘紫微1，李權(quán)璽1，吳海彤2

(1.安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽馬鞍山243002；2.馬鋼華陽設(shè)備診斷工程有限公司，安徽馬鞍山243011)

采用液壓千斤頂頂起取料機(jī)單個(gè)回轉(zhuǎn)輪組的方法，測試取料機(jī)不取料工況下的的油壓，通過油壓值計(jì)算得到該狀態(tài)下的輪壓，并對取料機(jī)的回轉(zhuǎn)輪壓進(jìn)行ANSYS分析。比較分析頂起狀態(tài)下測試的回轉(zhuǎn)輪壓和ANSYS分析的回轉(zhuǎn)輪壓結(jié)果，驗(yàn)證ANSYS分析回轉(zhuǎn)輪壓的可行性。進(jìn)而利用ANSYS分析得取料機(jī)在各種工況下的回轉(zhuǎn)輪壓。結(jié)果表明取料機(jī)的質(zhì)心位置與設(shè)計(jì)值相符，取料機(jī)在各種工況下穩(wěn)定，回轉(zhuǎn)輪組安全。

斗輪取料機(jī)；回轉(zhuǎn)輪壓；輪壓測試；有限元分析；ANSYS

斗輪取料機(jī)是目前最大的散狀物料裝卸成套設(shè)備之一，廣泛用于礦山、港口、火電廠、焦化廠、水泥廠等領(lǐng)域[1]。取料機(jī)的回轉(zhuǎn)形式主要有回轉(zhuǎn)支撐式和回轉(zhuǎn)臺車式2種。對回轉(zhuǎn)臺車式斗輪取料機(jī)而言，回轉(zhuǎn)輪壓是其設(shè)計(jì)、安裝及維護(hù)的1個(gè)重要參數(shù)?；剞D(zhuǎn)輪壓的大小直接反映取料機(jī)重心位置及穩(wěn)定性，且取料機(jī)回轉(zhuǎn)軌道對其有安全性要求，所以回轉(zhuǎn)輪壓對取料機(jī)的安全生產(chǎn)有非常重要的意義。

對取料機(jī)的輪壓分析目前多采用理論計(jì)算的方法[2]及單獨(dú)測試每個(gè)輪組輪壓的方法[3]。取料機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝運(yùn)行情況難以確定，且取料機(jī)輪組是超靜定系統(tǒng)，采用理論分析和測試分析輪壓的方法在某種程度上影響輪壓值的準(zhǔn)確度。采用有限元方法對取料機(jī)進(jìn)行分析可以較準(zhǔn)確地獲得取料機(jī)的受力情況，但多數(shù)研究者將取料機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，并采用殼單元和梁單元等建立有限元模型[4-5]，這種處理會影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。為此，筆者采用現(xiàn)場測試和有限元分析相結(jié)合的方法分析取料機(jī)的回轉(zhuǎn)輪壓，有限元分析中采用實(shí)體單元建立回轉(zhuǎn)輪組部分的模型，回轉(zhuǎn)輪與回轉(zhuǎn)軌道的連接采用標(biāo)準(zhǔn)接觸對[6]，以期更加真實(shí)地模擬回轉(zhuǎn)輪的受力情況。

1 頂起狀態(tài)回轉(zhuǎn)輪壓的現(xiàn)場測試分析

回轉(zhuǎn)輪壓的測試方法為：在取料機(jī)不取料的工況下，將壓力傳感器連接在千斤頂無桿腔的液壓回路上，利用單個(gè)液壓千斤頂依次將各回轉(zhuǎn)臺車組（如圖1）頂起到車輪離開回轉(zhuǎn)軌道，然后取料機(jī)進(jìn)行俯仰運(yùn)動(dòng)并記錄時(shí)間，測得壓力傳感器在運(yùn)動(dòng)過程中的壓力變化情況，從而分析計(jì)算回轉(zhuǎn)輪壓值。測試過程為：用千斤頂頂起某個(gè)回轉(zhuǎn)臺車組，被頂起的回轉(zhuǎn)臺車組的車輪離開回轉(zhuǎn)軌道后，取料機(jī)懸臂架從水平位置下俯到下極限位置，接著回水平位置繼續(xù)上仰到上極限位置，最后回水平位置，懸臂架回水平位置后給千斤頂卸荷，慢慢放下被頂起的回轉(zhuǎn)臺車組。重復(fù)上述過程，完成另外回轉(zhuǎn)臺車組的測試。在測試過程中用秒表記錄各運(yùn)動(dòng)過程的時(shí)間。

現(xiàn)場測試時(shí)用320 t的液壓千斤頂，活塞桿直徑為250 mm，活塞桿截面積為49 087.4 mm2；重力加速度取9.8 m/s2；壓力變送器為HUBA511，最大量程為40 MPa，輸出為4～20 A的電流信號，通過加1個(gè)電阻，將輸出改為1～5 V的電壓信號；信號采集器為CRAS QL_108，采樣頻率為512 Hz。測試時(shí)，通過三通管將千斤頂無桿腔的液壓油接壓力變送器，將壓力變送器的輸出接信號采集器，進(jìn)行信號采集。對測試信號就行標(biāo)定、整理，繪制油壓曲線。圖2所示為千斤頂頂右后輪組時(shí)的測試油壓曲線，限于篇幅，其它輪組的測試油壓曲線未列出。根據(jù)記錄的懸臂架在某位置時(shí)時(shí)間，計(jì)算出該時(shí)刻數(shù)據(jù)點(diǎn)位置，從而得到該位置的油壓值。

經(jīng)整理分析，得到不取料工況下頂起各回轉(zhuǎn)臺車組懸臂架在各位置處的油壓，通過油壓值計(jì)算得到輪壓值，結(jié)果見表1。

表1 不取料工況頂起狀態(tài)測得的油壓及算得的輪壓值Tab.1 Pressure values and wheel loads under non-operating and lifted conditions of the reclimer

2 頂起狀態(tài)回轉(zhuǎn)輪壓的有限元分析

綜合考慮ANSYS計(jì)算效率和輪壓計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，對取料機(jī)進(jìn)行簡化，略去對輪壓影響很小的回轉(zhuǎn)平臺之外的構(gòu)件，將所有構(gòu)件的質(zhì)量綜合考慮在簡化后的模型上。在SolidWorks中建立如圖3所示的回轉(zhuǎn)平臺實(shí)體模型，接著將模型導(dǎo)入ANSYS建立有限元模型。在ANSYS中采用是solid185單元（材料密度設(shè)為0）對導(dǎo)入的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分；在整個(gè)取料機(jī)回轉(zhuǎn)上部機(jī)構(gòu)的質(zhì)心處建立1個(gè)質(zhì)量節(jié)點(diǎn)（質(zhì)量為整個(gè)回轉(zhuǎn)上部機(jī)構(gòu)的總質(zhì)量，見表2），并將此質(zhì)量節(jié)點(diǎn)與回轉(zhuǎn)平臺上表面的部分節(jié)點(diǎn)通過無質(zhì)量梁單元（梁單元的截面進(jìn)行多次試計(jì)算選取，保證質(zhì)量節(jié)點(diǎn)的變形較小即可）進(jìn)行連接；在被頂起的回轉(zhuǎn)臺車組的頂起部位施加1個(gè)豎直向上的位移約束，在其它回轉(zhuǎn)臺車組的車輪與軌道間設(shè)置接觸對，對軌道下表面施加全約束；設(shè)置重力加速度。建立的有限元模型如圖4。

對建立的有限元模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)定后求解計(jì)算，求解完成后，進(jìn)入ANSYS后處理模塊，導(dǎo)出施加位移約束部位節(jié)點(diǎn)的支反力，整理計(jì)算得到回轉(zhuǎn)輪壓。通過更改有限元模型中的質(zhì)心位置及質(zhì)量節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量（各種工況下利用圖紙等資料理論計(jì)算，得到的回轉(zhuǎn)上部機(jī)構(gòu)的質(zhì)量及其質(zhì)心位置，如表2，回轉(zhuǎn)中心為回轉(zhuǎn)軌道上表面的圓心）模擬取料機(jī)懸臂架在各位置處的情況。

表2 各種工況下回轉(zhuǎn)上部機(jī)構(gòu)的總質(zhì)量及質(zhì)心坐標(biāo)Tab.2 Total mass and coordinate of centre-of-mass of the slewing upper mechanisms under various working conditions

現(xiàn)場測試得到的頂起狀態(tài)下回轉(zhuǎn)輪壓與利用ANSYS計(jì)算得到的回轉(zhuǎn)輪壓，如表3。由表3可得：ANSYS分析數(shù)據(jù)與測試數(shù)據(jù)的相對差值在30%以內(nèi)，且ANSYS分析的數(shù)據(jù)比測試數(shù)據(jù)大；右后輪的輪壓大于其它車輪的輪壓，與質(zhì)心位置偏向右后側(cè)相符合。ANSYS分析數(shù)據(jù)偏大主要是因?yàn)樵诮⒌挠邢拊Ｐ椭?，?cè)導(dǎo)輪和軌道間無間隙，由此引起側(cè)導(dǎo)輪上有較大的摩擦阻力，而實(shí)際測試過程中側(cè)導(dǎo)輪和軌道間存在間隙，沒有摩擦阻力的作用。綜上，認(rèn)為現(xiàn)場測試的結(jié)果和ANSYS計(jì)算的結(jié)果相吻合，說明建立的有限元模型是合理的，可以利用ANSYS分析計(jì)算取料機(jī)在各種工況正常狀態(tài)下的回轉(zhuǎn)輪壓。

測試結(jié)果和ANSYS計(jì)算結(jié)果相符合，說明該取料機(jī)經(jīng)過20多年的生產(chǎn)運(yùn)行，其質(zhì)量、質(zhì)心位置變化不大，表明該取料機(jī)的穩(wěn)定性滿足要求。

表3 不取料工況下測試與ANSYS分析的回轉(zhuǎn)輪壓/tTab.3 Comparison of the wheel load analyzed byANSYS and tested under non-operation condition/t

3 正常狀態(tài)下回轉(zhuǎn)輪壓的有限元分析

在ANSYS中對有限元模型進(jìn)行局部修改，更改模型質(zhì)量節(jié)點(diǎn)的位置、質(zhì)量屬性及約束條件等，進(jìn)而分析計(jì)算取料機(jī)各種工況下的回轉(zhuǎn)輪壓，計(jì)算結(jié)果如表4。

表4 各工況正常狀態(tài)下各回轉(zhuǎn)輪的有限元分析輪壓/tTab.4 Wheel load analyzed by the FEM of all the wheels under various normal states/t

由表4可得，生產(chǎn)運(yùn)行中取料機(jī)回轉(zhuǎn)輪壓最大的為右后輪，每個(gè)回轉(zhuǎn)輪組有2個(gè)回轉(zhuǎn)車輪，所以最大右后輪壓為59.43 t，最小右后輪壓為44.54 t。通過分析計(jì)算[7]，得到右后輪的車輪踏面疲勞計(jì)算載荷為54.47 t，遠(yuǎn)小于車輪踏面疲勞強(qiáng)度162.5 t，表明回轉(zhuǎn)輪組在生產(chǎn)運(yùn)行中是安全的。由表4也可得取料機(jī)在各種工況下回轉(zhuǎn)輪壓的情況，為后續(xù)回轉(zhuǎn)下部機(jī)構(gòu)的分析提供載荷數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 論

1)頂起狀態(tài)取料機(jī)回轉(zhuǎn)輪壓的測試值與ANSYS計(jì)算值相吻合，兩種方法相互驗(yàn)證，說明測試結(jié)果是可靠的，建立的有限元模型是合理的，為正常狀態(tài)下回轉(zhuǎn)輪壓的分析計(jì)算提供依據(jù)。

2)通過測試輪壓與有限元計(jì)算輪壓的對比分析，表明該取料機(jī)經(jīng)過20多年的生產(chǎn)運(yùn)行，其質(zhì)量、質(zhì)心位置等參數(shù)變化不大，其穩(wěn)定性是滿足要求的。

3)通過ANSYS分析正常狀態(tài)各工況下的回轉(zhuǎn)輪壓，得到承受載荷最大的是右后輪，與取料機(jī)回轉(zhuǎn)上部機(jī)構(gòu)的質(zhì)心位置相符合，且右后輪壓值在許可范圍內(nèi)，表明回轉(zhuǎn)輪組在生產(chǎn)運(yùn)行中是安全的；另外通過ANSYS分析得到取料機(jī)各種工況下的回轉(zhuǎn)輪壓，為后續(xù)回轉(zhuǎn)下部機(jī)構(gòu)的分析計(jì)算提供載荷數(shù)據(jù)。

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責(zé)任編輯：何莉

Field Test and Finite ElementAnalysis of the Slewing Wheel Load of Bucket Wheel Reclaimer

FANG Fuhong1,PAN Ziwei1,LI Quanxi1,WU Haitong2
(1.School of Mechanical Engineering,Anhui University of Technology,Ma'anshan 243002,China；2.Huayang Ma-steel Equipment Diagnosis Engineering Co.Ltd.，Ma'anshan 243011,China)

Oil pressure of the reclaimer under the conditions of not taking materials was field tested by lifting a single slewing wheel using hydraulic jack,then the lifted test load of the slewing wheel load was calculated with oil pressure value.and the slewing wheel load was analyzed with the finite element method.The practicability that using ANSYS to analyze the slewing wheel load after jacking the wheel up was illustrated by the comparative analysis of the wheel load field tested and that of analyzed with ANSYS,then the slewing wheel loads of various working conditions were analyzed with ANSYS.The results show that there are no obvious changes of the centroid positions of the reclaimer in present situation and the original design;the stability of the reclaimer under various working conditions can meet demands,and the slewing wheel is safe.

bucket wheel reclaimer;slewing wheel load;wheel load test;finite element analysis;ANSYS

U653.928

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2015.01.009

2014-09-26

安徽工業(yè)大學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(201203)

方付宏(1988-)，男，安徽安慶人，碩士生，研究方向?yàn)榇笮驮O(shè)備運(yùn)行性能與狀態(tài)研究。

潘紫微(1956-)，男，江西婺源人，教授，研究方向?yàn)榇笮驮O(shè)備運(yùn)行性能與狀態(tài)研究。

1671-7872(2015)-01-0044-04