李 巖

（秦皇島港股份有限公司第二港務分公司，河北秦皇島 066000）

0 引言

配重三角架是斗輪取料機的關(guān)鍵部件，在俯仰油缸的配合作用下，保持其與取料機斗輪大臂的靜、動態(tài)平衡，使取料機可以正常運行。秦皇島港煤二期斗輪取料機自投入使用以來，歷經(jīng)30余年的負荷作業(yè)生產(chǎn)，在內(nèi)、外應力共同作用下，配重三角架鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞失效，對公司安全生產(chǎn)造成較大影響。通過新技術(shù)的引入，對其進行故障分析，并根據(jù)故障類型提供解決方案，是降低該部件故障率和保障安全生產(chǎn)的重要手段。

1 配重三角架鋼結(jié)構(gòu)失效分析

為分析三角架鋼結(jié)構(gòu)失效情況，依據(jù)結(jié)構(gòu)設計標準和現(xiàn)場失效情況，確定結(jié)構(gòu)計算工況和載荷，在NX-Nastran軟件環(huán)境下建立結(jié)構(gòu)有限元模型、施加載荷并結(jié)合具體工況進行應力和線性屈曲分析，依據(jù)分析結(jié)果，歸納出結(jié)構(gòu)強度疲勞失效因素。

1.1 計算載荷及工況

三角架承擔的載荷主要包括與其連接的配重、三角架鋼結(jié)構(gòu)自重以及來自俯仰油缸的作用力，其中配重質(zhì)量204 000 kg，三角架鋼結(jié)構(gòu)自重72 300 kg，油缸卸荷壓力1702 kN。其余載荷依據(jù)《重型機械標準》、《FEM SectionⅡ移動式散料搬運設備設計規(guī)范》以及《ISO 5049-1—1999散狀物料連續(xù)輸送設備鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》，考慮豎直方向和水平方向動載進行仿真計算。

根據(jù)現(xiàn)場配重三角架鋼結(jié)構(gòu)失效情況，原方案和修改方案在有限元計算時均考慮最危險工況，即取料機處于下俯位置并且油缸壓力值達卸荷狀態(tài)。

1.2 基于NX-Nastran的有限元模型

利用NX-Nastran軟件建立三角架鋼結(jié)構(gòu)的有限元模型。依據(jù)結(jié)構(gòu)中不同構(gòu)件的特點分別采用剛性單元、集中質(zhì)量單元和板殼單元來模擬。此外，建模時省略所有焊縫，按滿焊全熔透處理。依據(jù)上述條件建立的改造前三角架鋼結(jié)構(gòu)有限元模型如圖1所示。

1.3 計算結(jié)果與分析

通過對改造前三角架結(jié)構(gòu)有限元模型求解，得到其應力云圖和線性屈曲位移云圖分別如圖2、圖3所示。由圖2可知，結(jié)構(gòu)最大應力335 MPa，存在局部應力集中現(xiàn)象；由圖3可知，改造前三角架結(jié)構(gòu)屈曲特征值為1.96。

圖1 改造前三角架結(jié)構(gòu)有限元模型

圖2 改造前三角架結(jié)構(gòu)應力云圖

圖3 改造前三角架結(jié)構(gòu)線性屈曲位移云圖

圖4 改造前分析結(jié)果與現(xiàn)場失效圖片

將改造前三角架結(jié)構(gòu)線性屈曲分析結(jié)果與現(xiàn)場失效圖片比較，由圖4可見，改造前三角架鋼結(jié)構(gòu)中用于支撐油缸的撐桿，其線性屈曲分析結(jié)果與現(xiàn)場失效形式完全吻合，由此說明三角架鋼結(jié)構(gòu)實際失效應該是從油缸處撐桿沿弱軸方向的整體失穩(wěn)開始，繼而引起其他各處失穩(wěn)。分析改造前的設計，由于油缸處撐桿在取料機下俯取料過程中要承受很大的壓力，而其弱軸長細比為115，比值相對較大，所以容易產(chǎn)生沿弱軸方向的整體失穩(wěn)。因此，改變油缸處撐桿的弱軸長細比，是防止三角架鋼結(jié)構(gòu)失效的有效途徑。

2 改進設計

2.1 改進后三角架結(jié)構(gòu)有限元模型

根據(jù)分析結(jié)果，對原方案進行結(jié)構(gòu)改進設計，具體實施方式為在油缸處撐桿中間增加橫向聯(lián)系梁，使得其長細比變?yōu)樵瓉淼?/2，以增加弱軸的穩(wěn)定性。改進后三角架結(jié)構(gòu)有限元模型如圖5所示。

圖5 改進后三角架結(jié)構(gòu)有限元模型

2.2 改進后結(jié)構(gòu)計算結(jié)果與分析

通過對改造后三角架結(jié)構(gòu)有限元模型求解，得到其應力云圖和線性屈曲位移云圖分別如圖6、圖7所示。由圖6可知，結(jié)構(gòu)最大應力為331 MPa，存在局部應力集中現(xiàn)象；由圖7可知，改造后三角架結(jié)構(gòu)屈曲特征值為2.93。

相對于原方案，修改方案的結(jié)構(gòu)應力分布形式及最大應力位置基本不變，主要是因為根據(jù)失效形式制定的修改方案并不是為了增強結(jié)構(gòu)的局部強度，而是為了增加結(jié)構(gòu)局部的穩(wěn)定性。

圖6 修改方案三角架結(jié)構(gòu)應力云圖

圖7 修改方案三角架結(jié)構(gòu)線性屈曲位移云圖

圖8 修改方案與現(xiàn)場失效比較

通過對比圖3和圖7可以看出，相對于修改前方案(圖3），修改后方案（圖7）通過在油缸撐桿中間增加了橫向聯(lián)系梁結(jié)構(gòu)，使油缸撐桿處弱軸長細比變?yōu)樾薷那暗?/2，由此增強了三角架鋼結(jié)構(gòu)局部的穩(wěn)定性，避免了油缸處撐桿產(chǎn)生沿弱軸方向的失穩(wěn)。而配重臂根部成為修改后方案相對薄弱的環(huán)節(jié)，由圖8可以看出，修改后三角架結(jié)構(gòu)線性屈曲分析結(jié)果和現(xiàn)場失效形式和位置依然吻合，但由于此時的線性屈曲特征值已經(jīng)達到2.93，三角架在使用過程中應不會出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。現(xiàn)場之所以局部失穩(wěn)，主要是由于改進方案實施前油缸處撐桿失穩(wěn)引起的連鎖反應。

3 結(jié)語

根據(jù)分析結(jié)果，制定維修方案，對配重三角架進行結(jié)構(gòu)改進，相繼對秦皇島港煤二期4臺斗輪取料機配重三腳架進行了優(yōu)化加強。另外，為保證結(jié)構(gòu)改進后的可靠性，對取料機進行了整機驗收檢驗測試。

根據(jù)實際情況，測試分別在重新安裝三角架配重和試運行過程中進行，分為2個階段：第一階段在安裝過程進行，加配重后進行應力測試及對斗輪著地力進行測試。第二階段在試運行中，測試內(nèi)容包括靜動態(tài)應力測試、結(jié)構(gòu)振動測試及穩(wěn)定性測試等。

經(jīng)過內(nèi)容測試及試運行情況，4臺斗輪取料機配重三角架優(yōu)化后整機運行穩(wěn)定，至今未發(fā)生鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)現(xiàn)象。