史偉彬,厚汝軍
(河北港口集團(tuán)秦皇島港股份有限公司,河北秦皇島 066000)
斗輪式取料機(jī)是煤炭、礦石等干散貨運(yùn)輸常用的大型自動(dòng)化電動(dòng)裝卸設(shè)備。懸臂皮帶機(jī)構(gòu)將斗輪取上來(lái)的物料運(yùn)輸至地面皮帶機(jī),以完成取料工藝。懸臂皮帶頭部改向滾筒緊挨斗輪體,由于取料機(jī)的生產(chǎn)工藝特點(diǎn),頭部滾筒處煤炭運(yùn)動(dòng)不規(guī)則。斜溜斗與輪斗之間存在間隙,一部分灑落的煤炭順著間隙卷入頭部滾筒,造成頭部滾筒包膠或筒皮磨損,以及皮帶的擠壓磨損,嚴(yán)重縮短了頭部滾筒以及懸臂皮帶的使用壽命。斜溜斗與斗輪之間的間隙是用來(lái)防止轉(zhuǎn)動(dòng)的輪斗與斜溜斗之間發(fā)生磕碰而預(yù)留的安全距離,所以,斜溜斗與輪斗之間的間隙量不能改變,即無(wú)法避免一部分煤炭順著間隙卷入頭部滾筒。
為了最大限度地降低卷入的煤炭對(duì)頭部滾筒以及皮帶的磨損,設(shè)計(jì)一種滾筒:筒皮及兩側(cè)幅板均采用鼠籠式鏤空結(jié)構(gòu),滾筒中部設(shè)計(jì)成鼓式倒錐體結(jié)構(gòu),作業(yè)過(guò)程中卷入的煤炭可以通過(guò)板塊間隙進(jìn)入滾筒內(nèi)部再通過(guò)倒錐體結(jié)構(gòu)從滾筒兩側(cè)排出,避免卷煤對(duì)滾筒筒皮以及皮帶的磨損。普通包膠滾筒和排渣滾筒的結(jié)構(gòu)對(duì)比見(jiàn)圖1。
如圖1所示,排渣滾筒的鼠籠式結(jié)構(gòu)特點(diǎn)削弱了整機(jī)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。優(yōu)化改造的目的是排渣滾筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求,保證滾筒有足夠的使用壽命。
(1)利用大型三維建模軟件SOLIDWORKS建立排渣滾筒模型(圖 2)。
(2)利用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析。
①將模型導(dǎo)入ANSYS WORKBENCH,設(shè)定滾筒軸材料為40Cr,其他部分材料為Q235-A以及其他力學(xué)性能參數(shù),并劃分網(wǎng)格(圖 3)。
②對(duì)模型進(jìn)行加載,給定邊界條件(圖4)。秦皇島煤一期取料機(jī)提速改造后懸臂皮帶帶速4 m/s,懸臂皮帶機(jī)配重5 t。頭部改向滾筒主要受皮帶張緊壓力和旋轉(zhuǎn)離心力的作用。筒角速度v=wr,線(xiàn)速度v=4 m/s,滾筒半徑r=0.4 m,求得滾筒角速度w=10 rad/s。根據(jù)皮帶機(jī)配重5 t,可換算滾筒在包角范圍內(nèi)受壓力為50 000 N。
圖1 排渣滾筒與普通滾筒
圖2 排渣滾筒模型
圖3 模型網(wǎng)格劃分
圖4 給定邊界條件
③求解計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖5所示。
圖5 計(jì)算結(jié)果
(3)滾筒軸及鼠籠結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核
滾筒軸材料為40Cr,鼠籠結(jié)構(gòu)材料為Q235-A,材料不同,力學(xué)性能不同,分別進(jìn)行強(qiáng)度校核。
①滾筒軸靜強(qiáng)度校核
滾筒軸應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖5a所示,最大應(yīng)力σmax=28.99 MPa。40Cr的屈服極限 σu=980 MPa,σmax<<σu,滾筒軸靜強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。
②滾筒軸疲勞強(qiáng)度校核
滾筒軸最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在軸端,考慮到滾筒軸具有周向?qū)ΨQ(chēng),旋轉(zhuǎn)過(guò)程中軸端各點(diǎn)應(yīng)力重復(fù)著“從σmin=10 498 Pa到σmax=28.99 MPa”的交變載荷。根據(jù)雨流計(jì)數(shù)法分析滾筒軸載荷-時(shí)間歷程,存在著旋轉(zhuǎn)過(guò)程中σmin=10 498 Pa到σmax=28.99 MPa的循環(huán)以及σmin=0到σmax=28.99 MPa的啟停脈動(dòng)循環(huán)。
旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的周期性載荷循環(huán):根據(jù)平均應(yīng)力與應(yīng)力幅公式(1),公式(2)計(jì)算。
式中 σm——平均應(yīng)力,MPa
σα—— —應(yīng)力幅,MPa
(3)對(duì)于合并糖尿病且服用二甲雙胍等雙胍類(lèi)降糖藥的受檢者,必須在其停藥后的48h才安排進(jìn)行CT檢查,且檢查后48h才開(kāi)始服藥。
代入σmin=10 498 Pa,σmax=28.99 MPa,計(jì)算得到 σm=14.55 MPa,σα=14.44MPa。由疲勞強(qiáng)度的等壽命理論Gerber曲線(xiàn),公式(3)。
式中 σ-1——對(duì)稱(chēng)循環(huán)下的強(qiáng)度極限
40Cr的 σ-1為(198~291)MPa,取最小值 198 MPa,σu=980 MPa,并代入 σm=14.55 MPa,可求得[σα]=197.96 MPa,σα<[σα]。在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中,滾筒軸疲勞損傷累計(jì)為0。
啟停載荷循環(huán):滾筒軸啟停載荷為“σmin=0到σmax=28.99 MPa”的交變載荷。代入式(1)、式(2),計(jì)算得到 σm=14.49 MPa,σα=14.49 MPa。代入 σ-1=198 MPa,σu=980 MPa,σm=14.55 MPa至式(3),可求得[σα]=197.957 MPa,σα<[σα]。在啟停瞬間,滾筒軸疲勞損傷累計(jì)為0。
③鼠籠結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度校核
鼠籠結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖5b所示,最大應(yīng)力σmax=41.955 MPa。鼠籠材料 Q235-A的屈服極限 σu=235 MPa,σmax<<σu,滾筒軸靜強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。
類(lèi)似鼠籠結(jié)構(gòu)也存在著這兩種循環(huán)。
旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的周期性載荷循環(huán):鼠籠結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在板塊筒皮兩端,考慮到鼠籠結(jié)構(gòu)也具有周向?qū)ΨQ(chēng),在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中,板塊兩端各點(diǎn)應(yīng)力重復(fù)著“從σmin=23 520 Pa到σmax=41.955 MPa”的交變載荷。代入式(1)、式(2),σmin=23 520 Pa,σmax=41.955 MPa,計(jì)算得到 σm=21.1 MPa,σα=20.86 MPa。
Q235-A 的 σ-1為(160~310)MPa,取最小值 160 MPa,σu=235 MPa,并代入式(3)可求得[σα]=158.7 MPa,σα<[σα]。鼠籠結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中疲勞損傷累計(jì)為0。
啟停載荷循環(huán):鼠籠結(jié)構(gòu)啟停載荷為“從σmin=0到σmax=41.955 MPa”的交變載荷。代入式(1)、式(2),計(jì)算得到 σm=20.978 MPa,σα=20.978 MPa。代入 σ-1=160MPa,σu=235 MPa,σm=20.978 MPa 至式(3),可求得[σα]=158.7MPa,σα<[σα]。在啟停瞬間,鼠籠結(jié)構(gòu)疲勞損傷累計(jì)也為0。
核算結(jié)果表明,排渣滾筒作為懸臂皮帶頭部改向滾筒,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。
秦皇島煤一期4#取料機(jī)將頭部改向滾筒改型為排渣滾筒,單機(jī)已經(jīng)連續(xù)運(yùn)行2 a零6個(gè)月,未出現(xiàn)故障。改型前該部位滾筒使用壽命一般為6個(gè)月,改造后,大大改善了頭部滾筒卷煤磨滾筒的現(xiàn)象,延長(zhǎng)了頭部滾筒的使用壽命,提高了設(shè)備的可靠性。
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