王 輝 劉冬梅 劉紅力（北方重工集團有限公司裝卸設備分公司研究所，遼寧 沈陽 110000）

堆料機懸臂的靜力分析

王 輝 劉冬梅 劉紅力
（北方重工集團有限公司裝卸設備分公司研究所，遼寧 沈陽 110000）

摘 要：側式懸臂堆料機是散料堆放的理想設備，可以采用定點堆料方式或人字法堆料方式將物料堆積成長形料堆，以達到物料的均化和貯存的目的。本文利用有限元分析軟件并結合手算對DB200/16.5側式懸臂堆料機的懸臂進行靜力學計算，對其典型的幾種工況進行分析，驗算了其強度，剛度及穩(wěn)定性。

關鍵詞：懸臂；應力；屈曲

1 引言

側式懸臂堆料機主要用于水泥建材、煤炭、電力、冶金、化工等工業(yè)行業(yè)，可以對石灰石，煤，鐵礦石、輔料等進行預均化處理，可以根據需要設定堆料方式，與取料機配合使用后可以大幅提高散料的均化效果，保證原料的穩(wěn)定性，是散料儲存及均化的必備設備。懸臂承載著用來輸送物料的整個膠帶機機構，其受力狀態(tài)隨著堆料機的作業(yè)工況的改變而時刻變化著。本文對DB200/16.5側式懸臂堆料機的懸臂進行靜力學分析，對其進行強度、剛度及穩(wěn)定性計算。

2 側式懸臂堆料機基本構造及工作過程

2.1 堆料機結構主要分如下幾部分：

（1）懸臂部分；

（2）導料槽；

（3）膠帶機；

（4）來料車；

（5）行走機構；

（6）液壓系統(tǒng)；

（7）軌道部分；

（8）電纜坑；

（9）照明系統(tǒng)；

（10）檢測系統(tǒng)；

（11）電纜布線系統(tǒng)等組成。

2.2 來料車將地面皮帶上的物料通過導料槽轉送至懸臂膠帶機，懸臂膠帶機將物料運送到頭部卸料滾筒處，利用擋料板調節(jié)落料點位置，在行走機構的行走及俯仰機構的變幅動作下，完成物料的定點式堆料或往復式的人字形堆料。

3 懸臂的結構

懸臂架由兩個變截面的工字型梁構成。橫向用鋼板和角鋼連接成整體。工字型梁采用鋼板焊接成型。因運輸限制，臂架分段制造、現場焊接成整體。懸臂架上面安有膠帶輸送機，膠帶機隨臂架可上仰下俯。懸臂尾部設有配重箱，箱內裝有混凝土配重塊。

懸臂兩側設有走臺，走臺上鋪設鋼格板，一直通到懸臂的前端，以備檢修、巡視膠帶機。懸臂下部設有兩處支撐鉸點。一處是與行走機構的三角形門架上部鉸接，使臂架可繞鉸點在平面內回轉；另一處是通過球鉸與液壓缸的活塞桿端鉸接，隨著活塞桿在油缸中伸縮，實現臂架變幅運動。液壓缸尾部通過球鉸鉸接在三角形門架的下部。如圖1所示。

4 懸臂的靜力學分析

本設備中懸臂的工作范圍為上仰6°、下俯8°，本文?。?）工作風壓滿載下俯8°，（2）工作風壓滿載水平，（3）工作風壓空載上仰6°，（4）非工作風壓空載水平四種工況進行分析。本文采用普通應力分析法進行構件設計，結構材料的許用應力及載荷工況依照JB/ T8849-2005移動式散料連續(xù)搬運設備鋼結構設計規(guī)范，且懸臂在俯仰過程中速度很低，不考慮慣性力的作用，行走機構速度也較低，不考慮沖擊系數的影響。

由于懸臂結構主截面全部由鋼板組焊而成，所以模型采用板單元模擬，橫連角鋼類似于空間桁架結構，采用桿單元模擬誤差不大，并且可以提高計算效率，節(jié)省計算成本。整體懸臂建模結束后，施加約束條件，臂架與液壓缸、行走機構門架均為鉸接。非工作風壓下地面錨定裝置與懸臂為鉸接，液壓缸采用桿單元模擬，板單元大小采用50mm，計算模型如圖2所示。

（1）工作風壓滿載下俯8°。

邊界條件施加結束后，應力云圖如圖3所示。

此工況下載荷組合為Ⅱ，由圖3可以看出板單元的馮氏應力值最大為78MPa＜[σ]=180MPa（此處板厚16mm，材質Q235-B），出現在液壓缸鉸點附近板厚變化處，強度滿足要求，懸臂最大總變形量是42mm，許用撓度取L/350=16500/350=47mm，整體剛度滿足要求。

穩(wěn)定性的驗算包括懸臂的整體穩(wěn)定性驗算和局部穩(wěn)定性驗算，為了簡化計算過程，提高計算效率，下面運用電算和手算結合的方式進行分析：首先用軟件做線性屈曲分析，求出一階特征值，初步判斷線性屈曲時的臨界應力的大致范圍，再由一階模態(tài)結果分析出結構失穩(wěn)時是整體屈曲行為先發(fā)生還是局部屈曲行為先發(fā)生，若為后者，則確定出屈曲的板件為哪一塊板件，然后在利用電算的應力結果，手算該板件的穩(wěn)定性是否通過。若為前者，則手算整體穩(wěn)定性是否通過?，F對此工況進行線性屈曲分析，得到一階特征值為5.8，局部屈曲，板件為靠近油缸支點處的腹板，位置和形態(tài)如圖4所示， 屈曲形態(tài)為波浪形，應力幾乎成上下對稱性分布，由此可以判定出該板件主要是由彎曲應力引起的局部屈曲，由于剪切應力及局部壓應力不大，為了簡化計算局部壓應力和剪應力對板件屈曲的影響可以暫不考慮，待計算結束后用通過適當增大系數的方法進行補償。現將該板件提出單獨進行穩(wěn)定性計算，計算簡圖如圖5所示。

該板件最大的應力值為±60MPa，參照板件穩(wěn)定性理論，臨界應力按下式計算：σk=K（δ/h0）2×103MPa，其中系數K取值與腹板的固定情況和正應力分布情況有關，參考相關資料，翼緣板對腹板起彈性固定作用，K≈6300，板厚δ=8mm，腹板高度h0=1168mm，帶入公式得出臨界應力σk=295MPa，考慮到腹板受剪應力及局部壓應力作用，將臨界應力降低10%，臨界應力取295×0.9 =268MPa，穩(wěn)定性安全系數達到了268/60=4.5，再由于268MPa已然超過了材料的許用應力180MPa，所以屈曲的發(fā)生是在強度失效之后，無須考慮屈曲狀態(tài)。綜上所述可以得出，懸臂主截面的控制因素為整體剛度要求。板件的驗算全部通過。下面對桿件進行分析計算。

本結構中的桿件全部布置在受壓翼緣板一側，與橫隔板聯合作用提高了懸臂的抗側彎屈曲能力和抗扭轉能力，從而提高了懸臂整體穩(wěn)定性。通過桿件的應力云圖可知最大受力為-30MPa，即此桿為軸心受壓桿。懸臂中的桿件全部采用等邊角鋼∠50×50×5，幾何長度2220mm，截面積480mm2，毛截面的最小回轉半徑r=9.8 mm，考慮到角鋼的單邊焊接造成的偏心影響，將許用應力[σ]=180MPa降低15%，取值153MPa，強度計算通過。桿件的剛度由長細比λ衡量，由于此結構中的桿系均為支撐類桿，參照起重機設計規(guī)范和鋼結構設計規(guī)范將許用長細比[λ]取值200。λ=μL/r=2220/9.8=226 ＞[λ]（其中桿件視為兩端鉸接，長度系數μ=1.0），剛度未通過。桿件的穩(wěn)定性按σ=N/（φA）＜[σ]=153MPa判定，查鋼結構設計規(guī)范可知角鋼∠50×50×5在長細比λ=226時的φ=0.149，代入公式σ=30/0.149=201 ＞[σ]，穩(wěn)定性未通過。以上針對1）工況（工作風壓滿載下俯8°），全部驗算完畢。

（2）針對剩余三種工況，將有限元模型進行旋轉，定義好邊界條件后，按照上面的步驟和方法進行計算，計算結果按照桿件和板件進行分類，分別匯總于表1、表2中。

由以上數據看出，四種工況中整體剛度均滿足要求，板件強度除工況4）情況需說明外，其余均滿足要求，但考慮到工況4）為非工作狀態(tài)，應力達到四種工況中的最高值86MPa，且此載荷工況屬于Ⅲ類載荷，板件許用應力取200MPa，桿件許用應力取170MPa，強度、局部穩(wěn)定性全部通過。桿件的受力最大工況是工況4），強度計算通過，剛度和穩(wěn)定性未通過，工況4）計算通過，則前三種工況自然通過?，F將角鋼∠50×50×5全部換成角鋼∠75×75×5，計算后強度應力值σmax=27MPa，λ=148，穩(wěn)定性應力值σmax=130MPa，全部通過。

表1 桿件的計算結果匯總

表2 板件的計算結果匯總

結語

（1）此側式懸臂堆料機的懸臂的主截面由整體剛度控制。

（2）工況4）非工作風壓下水平狀態(tài)下的板件應力及桿件應力達到峰值。

（3）利用FEMAP的強大分析能力結合傳統(tǒng)手算，可以大大提高計算效率，保證了計算結果精度。

（4）為其他類似的懸臂式堆料機的懸臂結構的設計計算提供了參考依據。

參考文獻

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[4]陳紹蕃.鋼結構穩(wěn)定性設計指南[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

工作單位：北方重工集團有限公司裝卸設備分公司研究所。

中圖分類號：TH24

文獻標識碼：A

作者簡介：王輝，1981年10月生，從事散料裝卸設備的設計研究工作。職稱：工程師。