周仲元 譚康超 段建強(qiáng)

寶鋼湛江鋼鐵有限公司

1 引言

連續(xù)式鏈斗卸船機(jī)是一種利用鏈斗從散礦船艙內(nèi)挖取物料并將物料通過機(jī)內(nèi)輸送機(jī)系統(tǒng)卸至碼頭上的散料卸船機(jī)械。寶鋼原料碼頭鏈斗卸船機(jī)輔鏈斗在生產(chǎn)作業(yè)中曾發(fā)生數(shù)次損壞現(xiàn)象，失效根源未能確定，給生產(chǎn)、設(shè)備維護(hù)造成一定的困擾。為解決鏈斗卸船機(jī)輔鏈斗安裝失效問題，通過Creo Parametric 5.0對(duì)輔鏈斗進(jìn)行數(shù)字三維建模，模擬安裝裝配，并利用其集成的Simulate模塊進(jìn)行有限元分析及優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 輔鏈斗有限元分析

2.1 分析參數(shù)與模型

根據(jù)設(shè)計(jì)制造廠提供的隨機(jī)圖紙資料，通過Creo軟件對(duì)輔鏈斗、驅(qū)動(dòng)鼓盤、墊板、高分子抗磨塊進(jìn)行1∶1尺寸三維建模，并按裝配圖紙的安裝裝配工藝要求對(duì)其進(jìn)行模擬裝配。

鏈斗斗體設(shè)計(jì)容積0.65 m3，設(shè)計(jì)礦石比重2.0～3.3 t/m3，按設(shè)計(jì)最大比重礦種計(jì)算，即滿負(fù)荷狀態(tài)下，每一鏈斗礦石重量為：0.65×3.3=2.145 t。所以按2.145 t載荷進(jìn)行靜態(tài)分析，在載荷選項(xiàng)里面選擇力/力矩選項(xiàng)，對(duì)輔鏈斗進(jìn)行載荷定義，載荷面選輔鏈斗中心區(qū)域及前側(cè)板。輔鏈斗、墊板、驅(qū)動(dòng)鼓盤皆為Q235B低碳鋼，故模型材料選擇定義為“Steel_low_carbon_heat_treated”；高分子抗磨塊材料選擇“PA66-GF”[1]。本分析擬定其工作狀態(tài)為輔鏈斗旋轉(zhuǎn)作業(yè)過程中，鏈斗中自由落體卸下的散礦對(duì)輔料斗產(chǎn)生沖擊力的受力狀況，故約束部位設(shè)定為驅(qū)動(dòng)鼓盤，約束類型為位移約束[2]。

為了得到裝配模型最準(zhǔn)確的有限元分析結(jié)果，三維建模、安裝工藝都盡可能吻合設(shè)計(jì)圖紙及安裝工藝。圖紙中的輔鏈斗、墊板與驅(qū)動(dòng)鼓盤安裝，除了螺栓裝配緊固外，還通過填充焊、點(diǎn)焊固定。所以在分析前，需對(duì)模型進(jìn)行精細(xì)化處理。通過Simulate模塊內(nèi)的“精細(xì)模型”工具，對(duì)輔鏈斗與墊板、墊板與驅(qū)動(dòng)鼓盤進(jìn)行焊縫處理。

2.2 靜態(tài)分析及失穩(wěn)分析

2.2.1 靜態(tài)分析

靜態(tài)分析用來模擬模型結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，根據(jù)約束和載荷條件計(jì)算模型的應(yīng)力和應(yīng)變。從輔鏈斗有限元分析結(jié)果來看，其應(yīng)力主要集中在輔鏈斗腹板與面板的焊接部位，輔鏈斗與驅(qū)動(dòng)鼓盤連接部位，應(yīng)力及應(yīng)變較小，在安全范圍內(nèi)(見圖1)。應(yīng)力集中的輔鏈斗腹板與面板焊接部位容易最先出現(xiàn)失效現(xiàn)象，與現(xiàn)場(chǎng)輔鏈斗磨損情況吻合，驗(yàn)證了有限元分析結(jié)果的正確性。同時(shí)說明分析時(shí)設(shè)定的約束集、載荷集是正確的，分析結(jié)果可為后續(xù)分析提供條件。

圖1 靜態(tài)分析結(jié)果

2.2.2 失穩(wěn)分析

失穩(wěn)分析是在靜態(tài)分析結(jié)果的基礎(chǔ)上分析模型的穩(wěn)定性，即模型在載荷作用下是如何發(fā)生變形的，以及變形量的大小等。從失穩(wěn)分析結(jié)果可知，在極端情況下，輔鏈斗可能會(huì)發(fā)生沿驅(qū)動(dòng)鼓盤軸向方向側(cè)向偏擺位移，當(dāng)偏擺位移量過大時(shí)，輔鏈斗側(cè)翼可能與提升鏈條發(fā)生干涉，造成輔鏈斗損壞(見圖2)。輔鏈斗腹板在生產(chǎn)運(yùn)行中，由于灑落料的沖刷，會(huì)造成其一定程度的磨損，導(dǎo)致側(cè)向晃動(dòng)失穩(wěn)加劇，這也驗(yàn)證了為什么輔鏈斗失效損壞多發(fā)生在投產(chǎn)1年后的原因。

圖2 輔鏈斗失穩(wěn)分析結(jié)果

2.3 失效原因分析

在設(shè)計(jì)上該結(jié)構(gòu)存在軸向的偏擺位移晃動(dòng)失穩(wěn)，輔鏈斗可能與提升鏈條干涉導(dǎo)致?lián)p壞。同時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，施工安裝時(shí)未完全按照?qǐng)D紙裝配工藝要求，對(duì)墊板、螺栓進(jìn)行填焊、點(diǎn)焊處理。輔鏈斗受周期交變負(fù)荷沖擊，未填焊、點(diǎn)焊處理容易導(dǎo)致安裝螺栓松動(dòng)，造成連接失效。

安裝施工缺陷，可通過對(duì)墊板、螺栓填焊、點(diǎn)焊消除。結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，可通過優(yōu)化設(shè)計(jì)消除。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

從失穩(wěn)分析結(jié)果可知，輔鏈斗結(jié)構(gòu)腹板穩(wěn)定性存在一定欠缺，可以從輔鏈斗腹板著手，解決輔鏈斗失穩(wěn)問題。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提升，常見方案有材料加厚、采用高標(biāo)號(hào)材料及失穩(wěn)處結(jié)構(gòu)加筋等手段。

3.1 材料加厚

材料加厚，可通過Creo的敏感度分析來確認(rèn)材料厚度變化對(duì)結(jié)構(gòu)加固的影響。一般來說，模型上的應(yīng)力及位移，會(huì)隨著材料厚度增加而減少，但材料厚度增加，會(huì)造成構(gòu)件質(zhì)量大幅度增加。在允許的強(qiáng)度范圍內(nèi)，應(yīng)盡量選擇相對(duì)薄的厚度。對(duì)不同厚度的腹板重新進(jìn)行失穩(wěn)分析可知，當(dāng)輔鏈斗的腹板厚度由8 mm加厚到10 mm后，即可解決輔鏈斗側(cè)晃問題。

3.2 采用高標(biāo)號(hào)材料

原設(shè)計(jì)輔鏈斗材質(zhì)選用碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235B，輔鏈斗腹板厚度需10 mm才不會(huì)發(fā)生左右偏擺位移現(xiàn)象。在同等厚度，即腹板厚度為8 mm的模型下，修改材料屬性為“低合金鋼”，再次進(jìn)行分析。從失穩(wěn)分析結(jié)果可知同等厚度，高標(biāo)號(hào)材料失穩(wěn)結(jié)果與低標(biāo)號(hào)加厚材料分析結(jié)果類似，采用高標(biāo)號(hào)材料可滿足使用要求。

3.3 失穩(wěn)部位加筋

對(duì)失穩(wěn)分析結(jié)果中腹板開始發(fā)生形變部位添加加強(qiáng)筋，對(duì)模型重新分析。從失穩(wěn)分析結(jié)果可知，輔鏈斗腹板加筋后，輔鏈斗側(cè)向偏擺位移量相當(dāng)小，可解決輔鏈斗側(cè)向形變位移現(xiàn)象(見圖3)。

圖3 加筋優(yōu)化后失穩(wěn)分析結(jié)果

從優(yōu)化設(shè)計(jì)后的失穩(wěn)分析結(jié)果可知，材料加厚、采用高標(biāo)號(hào)材料及失穩(wěn)部位加筋，均可解決輔鏈斗腹板側(cè)向偏擺位移晃動(dòng)失穩(wěn)現(xiàn)象，可從根源上消除輔鏈斗因晃動(dòng)與提升鏈條干涉損壞的隱患。材料加厚及采用高標(biāo)號(hào)材料需更換輔鏈斗總成，因此這兩個(gè)方案更適合制造廠設(shè)計(jì)制造階段采用。失穩(wěn)部位加筋，可在用戶現(xiàn)場(chǎng)施工解決。

4 結(jié)語

通過應(yīng)用Creo Parametric 5.0的三維建模、模擬裝配、靜態(tài)分析、失穩(wěn)分析、局部敏感度分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，從根源上找出寶鋼原料碼頭的連續(xù)式鏈斗卸船機(jī)的輔鏈斗安裝失效原因，并給出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案的科學(xué)依據(jù)，解決了輔鏈斗作業(yè)中的安裝失效損壞故障。