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        堆取料機(jī)主梁的強(qiáng)度和疲勞壽命計算

        2021-11-10 06:08:38王秀紅
        河南建材 2021年10期
        關(guān)鍵詞:有限元變形模型

        宋 靜 宋 會 王秀紅 陶 瑛

        中材建設(shè)有限公司(100076)

        0 前言

        懸臂式刮板堆取料機(jī)主梁是用來支撐堆取料機(jī)料耙系統(tǒng)和刮板系統(tǒng)的重要鋼結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛性決定著堆取料工作的可靠性和安全性[1]。傳統(tǒng)堆取料機(jī)主梁的設(shè)計計算主要根據(jù)經(jīng)驗公式,計算耗時較長,計算精度較低。用試驗方法進(jìn)行的強(qiáng)度和壽命計算存在成本大、設(shè)備要求高的問題。有限元法可以方便地進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化,降低開發(fā)成本,是目前工業(yè)設(shè)計中廣泛采用的設(shè)計方法。

        1 模型

        如圖1所示,該堆取料機(jī)主梁跨度為48.86m,高度為3m,寬度為2.5m,兩側(cè)大部分壁厚為12 mm,局部壁厚為16mm。主梁材料為Q345B。

        圖1 主梁幾何結(jié)構(gòu)圖

        主梁是用鋼板焊接而成的薄壁殼體,其厚度遠(yuǎn)小于板面長寬的尺寸,屬于有限元的薄板問題。建立有限元模型時,薄板問題通常采用殼單元[2]。實際結(jié)構(gòu)是非常復(fù)雜的,完全按照結(jié)構(gòu)的實際情況進(jìn)行力學(xué)分析是不可能的,也是不必要的。因此,對結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析計算之前,必須加以合理簡化,即抓住主要矛盾,略去次要因素,把復(fù)雜的實際結(jié)構(gòu)抽象化為一個簡單的理想模型,即力學(xué)模型。根據(jù)主梁的幾何結(jié)構(gòu),忽略內(nèi)部爬梯等次要結(jié)構(gòu),采用殼單元建模,有限元模型如圖2所示。

        圖2 主梁有限元模型

        2 邊界條件

        2.1 約束及載荷

        位移邊界條件:主梁兩端鉸接約束,故兩端法蘭處約束平動自由度,放開轉(zhuǎn)動自由度。

        載荷:自重載荷、工作載荷、附加載荷(該懸臂式刮板堆取料機(jī)室內(nèi)工作,可不予考慮)。

        2.2 材料特性(見表1)

        3 主梁強(qiáng)度校核

        3.1 靜力強(qiáng)度結(jié)果分析

        料耙小車在液壓缸推力或拉力作用下在主梁鋼軌上往復(fù)運(yùn)動,根據(jù)推力方向及小車距液壓缸距離分為6種工況并分別計算,工況情況及計算結(jié)果見表2。

        表2 工況及計算結(jié)果列表

        通過加載載荷,同時主梁兩端法蘭處已被約束,主梁會產(chǎn)生變形,利用有限元軟件求解,可得到模型每個節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)變,其值可通過不同顏色在實體模型上呈現(xiàn)[3]。

        由表2可知,工況4條件下主梁所受等效應(yīng)力最大,圖3和圖4均為工況4條件下的靜力分析綜合變形云圖及等效應(yīng)力云圖。從圖3可知,由于主梁兩端約束中間懸空,在自重和工作載荷下,主梁中間撓度最大;主梁變形及約束的存在,使得主梁行走軌道端兩側(cè)壁板與固定法蘭相接處受力較大,如圖4所示。

        圖3 靜力分析綜合變形云圖

        圖4 靜力分析等效應(yīng)力云圖

        3.2 應(yīng)力強(qiáng)度評定

        依據(jù)相關(guān)設(shè)計規(guī)范,載荷強(qiáng)度安全系數(shù)選取為1.33,撓度f≤S/700。文章研究的取料梁跨度為48.86m,所以其撓度應(yīng)滿足f≤70mm。從表2可得,6種工況下安全系數(shù)均大于1.33,其撓度均小于許用撓度值70mm。因此,該堆取料機(jī)主梁強(qiáng)度和剛度均滿足要求。

        4 主梁疲勞壽命的計算

        4.1 設(shè)計條件

        由靜力分析可知,工況4條件下主梁行走軌道端兩側(cè)壁板與固定法蘭相接處等效應(yīng)力最大,該處節(jié)點(diǎn)為8368。該節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力將被儲存起來,用于疲勞分析。根據(jù)使用要求,堆取料機(jī)主梁設(shè)計使用年限20年,該危險節(jié)點(diǎn)重復(fù)循環(huán)總次數(shù)為4.32×106次。

        4.2 疲勞計算結(jié)果

        圖5 疲勞計算結(jié)果

        通過疲勞計算,得到主梁累積疲勞系數(shù)0.00 004遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1.0,滿足疲勞壽命要求。

        5 結(jié)語

        文章通過對堆取料機(jī)主梁的有限元分析,得出了主梁各種工況下的最大變形和最大等效應(yīng)力,明確了整體的應(yīng)力和變形分布,確定了主梁的強(qiáng)度和剛度的安全性。疲勞計算結(jié)果表明,該主梁的疲勞壽命滿足使用要求。

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