齊善朋

(遼寧軌道交通職業(yè)學院管理工程系，遼寧 沈陽 110023)

移動式破碎站是一種比較常見的破碎用設備，用于礦山、冶金、化工等行業(yè)中各種礦石、煤炭、巖石等大塊狀物料的破碎作業(yè)。相對于固定式破碎站，移動式破碎站的優(yōu)點是可移動、適應性強。半移動式破碎站是固定式破碎站和可移式破碎站的結(jié)合體，是大型露天礦進行半連續(xù)開采的重要組成設備，主要功能是將自卸車運送來的大塊狀和硬度較大的礦料進行破碎，然后利用帶式輸送機完成運輸工作[1]。半移動式破碎站根據(jù)移動方式可分為滑橇式半移動破碎站、半固定式破碎站等；根據(jù)破碎機形式可分為液壓旋回破碎機半移動式破碎站、齒輥破碎機半移動式破碎站、顎式破碎機半移動式破碎站等。

破碎站料倉是破碎站系統(tǒng)重型刮板輸送機的受料裝置，需要承受輸送機運送來的塊狀礦石的沖擊。本文研究的料倉結(jié)構(gòu)長15 m、寬11 m、高10 m，由受料漏斗和支撐結(jié)構(gòu)組成，全部由鋼板和型鋼焊接或栓接而成。整個結(jié)構(gòu)按受料漏斗和支撐結(jié)構(gòu)兩部分進行強度和剛度計算，計算時采用有限元法。

1 料倉受料漏斗結(jié)構(gòu)計算

1.1 結(jié)構(gòu)模型

受料漏斗采用由鋼板和型鋼通過焊接或栓接組成的結(jié)構(gòu)，要能夠經(jīng)受物料的沖擊和磨損，因此需要具有足夠的強度。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點和受力情況，在進行有限元分析時把鋼結(jié)構(gòu)各部分均等效為彈性板單元[2]。受料漏斗采用ANSYS軟件建模，如圖1和圖2所示，模型單元總數(shù)為174 473個，節(jié)點總數(shù)為162 847個。

圖1 受料漏斗結(jié)構(gòu)模型

圖2 受料漏斗結(jié)構(gòu)模型單元圖

1.2 約束

受料漏斗整體結(jié)構(gòu)的重力作用在其下面的鋼結(jié)構(gòu)底座上，有限元分析時將受料漏斗與鋼結(jié)構(gòu)底座連接處作為受料漏斗的約束，共計24個點，每個點均約束X,Y,Z3個方向的線位移。

1.3 載荷

載荷是受料漏斗結(jié)構(gòu)設計時需要重點考慮的因素。載荷包括恒載、貯料壓力、風載、地震和物流沖擊載荷等。

1)恒載。恒載包括受料漏斗結(jié)構(gòu)自重及襯板質(zhì)量80 000 kg。

2)貯料壓力。受料漏斗在漏斗深S處單位面積上的法向和切向壓力如圖3所示。

圖3 受料漏斗壁壓力示意圖

Pn=Pvcos2α+ksin2α

(1)

Pt=Pv(1-k)sinαcosα

(2)

式中：Pn為受料漏斗在深S處單位面積上法向壓力標準值；Pt為受料斗在深S處單位面積上切向壓力標準值；Pv為貯料作用于倉壁單位面積上的垂直壓力標準值，Pv=γS，其中γ為貯料的重力密度，γ=8 900 N/m3，k=tan2(45°-φ/2)，其中φ為貯料的內(nèi)摩擦角,φ=37°；α為漏斗壁與水平面夾角。

3)風載。風載P的計算公式為

P=ACeCqqs

(3)

式中：A為構(gòu)件迎風面積；Ce為高度系數(shù)，Ce=1.4；Cq為體形系數(shù)，結(jié)構(gòu)立面有外裝處迎風面Cq=0.8，背風面Cq=-0.5；qs為基本風壓，qs=0.6 kN/m2。

構(gòu)件X方向的迎風面積為118 m2，Z方向的迎風面積為127 m2，由式(3)可得X方向風載為79.27 kN，Z方向風載為85.28 kN。

4)地震作用。計算地震對結(jié)構(gòu)的作用力時采用底部剪力法，根據(jù)工程技術(shù)規(guī)范書，計算地震作用時加速度取0.2g。

5)物料沖擊載荷。物料沖擊載荷按料倉滿料時的2.5倍動載系數(shù)考慮。

1.4 載荷組合

載荷組合1∶1.35恒載+0.98物料+0.84風載。載荷組合2∶1.2恒載+1.4物料+0.84風載。載荷組合3∶1.2恒載+1.4風載+0.98物料。本文主要計算有限元模型在這3種載荷組合工況下的受力情況[3]。

1.5 材料及特性

轉(zhuǎn)運站鋼結(jié)構(gòu)型材和鋼板材料均為Q345。材料強度設計值f的取值規(guī)律如下：板厚度t≤16 mm時，f=310 N/mm2；板厚度16 mm

2 料倉受料漏斗計算結(jié)果

1)載荷組合1。

受料漏斗結(jié)構(gòu)的等效應力分布如圖4所示，圖中A處應力為52 MPa，B處應力為73 MPa，C處應力為79 MPa，D處應力為44 MPa，E處應力為32 MPa。結(jié)構(gòu)最大應力為79 MPa，設計應力為295 MPa，滿足設計要求。

圖4 受料漏斗結(jié)構(gòu)整體等效應力分布圖

2)載荷組合2。

受料漏斗結(jié)構(gòu)的等效應力分布如圖5、圖6所示，圖中A處應力為52 MPa，B處應力為73 MPa，C處應力為79 MPa，D處應力為44 MPa，E處應力為39 MPa，F(xiàn)處應力為54 MPa。結(jié)構(gòu)最大應力為79 MPa，設計應力為295 MPa，滿足設計要求。

圖5 受料漏斗結(jié)構(gòu)整體等效應力分布1

圖6 受料漏斗結(jié)構(gòu)整體等效應力分布2

3)載荷組合3。

受料漏斗結(jié)構(gòu)的整體等效應力分布圖如圖7所示，圖中A處應力為70 MPa，B處應力為77 MPa，C處應力為45 MPa，D處應力為52 MPa。結(jié)構(gòu)最大應力為77 MPa，設計應力為295 MPa，滿足設計要求。

圖7 受料漏斗結(jié)構(gòu)整體等效應力分布圖

3 結(jié)束語

隨著市場競爭的加劇，產(chǎn)品設計周期越來越短，企業(yè)對新技術(shù)的需求更加迫切。對于大型機械結(jié)構(gòu)，在設計時需要更嚴謹?shù)脑O計理念，而應用有限元法進行設計是提升產(chǎn)品質(zhì)量、縮短設計周期、提高產(chǎn)品競爭力的一項有效手段。有限元法的應用有效保證了設計質(zhì)量，為產(chǎn)品設計提供了參考和幫助。本文對某破碎站料倉模型的有限元分析表明，3種工況下該設備的強度都小于許用值，因此下一步可以通過適當?shù)馗淖兤扑檎具x用型材的截面尺寸對設備進行優(yōu)化設計。