付玉婷 穆廣金

摘? 要：本文是根據(jù)某項(xiàng)目設(shè)計(jì)的3 000 t/h的斗輪取料機(jī)為研究對象，使用有限元分析軟件ansys對整機(jī)建模并進(jìn)行有限元分析與計(jì)算，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：斗輪取料機(jī);有限元;優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 前 言

斗輪取料機(jī)是一種用于對散料進(jìn)行挖取搬運(yùn)的連續(xù)式大型機(jī)械設(shè)備。由于其工作動(dòng)作靈活、作業(yè)范圍廣、效率高，并且對場地要求低，被廣泛用于港口碼頭、礦山、電廠等散料儲(chǔ)運(yùn)場地。

大型設(shè)備的安全性至關(guān)重要。因此，我們對斗輪機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行計(jì)算分析，模擬其實(shí)際工作狀態(tài)，在滿足工作要求的前提下，對危險(xiǎn)的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，避免工作時(shí)發(fā)生事故。

1 斗輪取料機(jī)介紹

斗輪取料機(jī)主要由斗輪機(jī)構(gòu)、門架結(jié)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)、上部鋼結(jié)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、司機(jī)操作室、電氣房等組成。上部鋼結(jié)構(gòu)又包含臂架、塔架、拉桿和配重等結(jié)構(gòu)。圖1是斗輪取料機(jī)的結(jié)構(gòu)總圖。跟斗輪堆取料機(jī)相比，它沒有尾車，不能進(jìn)行堆料作業(yè)，只有斗輪取料功能。取料作業(yè)時(shí)，臂架繞回轉(zhuǎn)中心作往復(fù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)斗輪轉(zhuǎn)動(dòng)挖取物料，靠自重使物料卸到向機(jī)器回轉(zhuǎn)中心方向運(yùn)動(dòng)的臂架皮帶機(jī)上，臂架每完成一次回轉(zhuǎn)動(dòng)作，主機(jī)前進(jìn)一個(gè)吃料厚度，之后，臂架反向回轉(zhuǎn)進(jìn)行下一次取料[1]。

2 載荷計(jì)算

2.1 許用應(yīng)力

由于整機(jī)結(jié)構(gòu)主要采用Q345B的鋼板，根據(jù)規(guī)范[2]，不同工況對應(yīng)的許用應(yīng)力見表2。

2.2 載荷分析計(jì)算

斗輪取料機(jī)的前臂架位置主要考慮前臂架水平（0°）、前臂架上仰至上限位（17.5°）及前臂架下俯至下限位（-12°）3種狀態(tài)?？紤]3種不同的基本載荷情況[3]：

（1）無風(fēng)工作時(shí)工況LCI;

（2）工作風(fēng)工作加工況LCII;

（3）受到特殊載荷作用的工作情況或非工作情況LCIII。主要包含有碰撞載荷工況LCIII-1和暴風(fēng)工況LCIII-2。

這幾種工況下的載荷組合見表3。

3 有限元分析與優(yōu)化

3.1 有限元模型

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本次模型采用四種單元類型來完成建模。分別為beam44、mass21、link8、pipe16。其中，beam44單元為兩節(jié)點(diǎn)六自由度梁單元，用于模擬變截面的梁。通過釋放節(jié)點(diǎn)自由度，模擬結(jié)構(gòu)中的鉸接情況;mass21是質(zhì)量單元，用于模擬集中質(zhì)量;link8為兩節(jié)點(diǎn)三自由度桁架單元，用于模擬兩端均為鉸接的構(gòu)件，pipe16是管單元，用來模擬圓管構(gòu)件。圖2至圖4分別是臂架俯仰0°、-12°、17.5°時(shí)，取料機(jī)的有限元模型。

3.2 約束與加載

工作工況時(shí)，對四個(gè)門腿進(jìn)行約束，圖5是門腿的示意圖，約束情況見表5。0表示該方向自由度被約束。

暴風(fēng)情況下還需要對錨定位沿著大車軌道的方向進(jìn)行位移約束。根據(jù)約束條件按照不同工況分別對模型進(jìn)行加載。

3.3 強(qiáng)度分析

圖6是臂架俯仰角度0度，LCI工況應(yīng)力云圖?？梢钥闯鲎畲髴?yīng)力值為217.864 MPa，已經(jīng)接近許用值，而最大應(yīng)力值出現(xiàn)的位置是撐桿上部連接俯仰鋼絲繩處，考慮到積料等不穩(wěn)定因素，最大應(yīng)力還會(huì)增大，此處需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.4 優(yōu)化分析

應(yīng)力最大處是箱梁結(jié)構(gòu)，考慮增大橫截面積或者增加板厚等來改善受力情況。本次結(jié)合實(shí)際情況，選擇了增加腹板和翼板的板厚，從圖7可以看出，最大應(yīng)力值為178.52 MPa，受力情況明顯改善。

表6列出了優(yōu)化后不同工況下臂架分別俯仰0°、-12°和17.5°時(shí)，各部件的最大應(yīng)力結(jié)果。

4 總 結(jié)

從表6中可以看出，同一工況下，臂架俯仰角度不同，受力情況會(huì)有變化，大多數(shù)部件在臂架下俯到最大角度12°時(shí)的受力情況比俯仰0°和17.5°的大，而臂架在水平時(shí)受力最大;不同工況下，受力情況也有差異。根據(jù)表2給出的許用應(yīng)力，整體受力情況滿足許用值，達(dá)到了設(shè)計(jì)優(yōu)化要求。

參考文獻(xiàn)

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[3] JB/T 8849-2005.移動(dòng)式散料連續(xù)搬運(yùn)設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

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