側(cè)式懸臂堆料機來料車大支腿應(yīng)力應(yīng)變分析

崔 強，蔡 琳

CUI Qiang1, CAI Lin2

（1.安徽機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，蕪湖 241000；2.江西新余學(xué)院 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，新余 338004）

0 引言

自80年代初期以來，側(cè)式懸臂堆料機在我國水泥、煤炭、冶金等行業(yè)的原料預(yù)均化堆場已得到廣泛的應(yīng)用，其優(yōu)越性已越來越被認可。來料車大支腿是堆料機的重要鋼結(jié)構(gòu)部件和主要受力部件。堆料機工作時，堆料機行走機構(gòu)帶動來料車大支腿帶動堆料機縱向運動(矩形料場)，或者繞著中心軸回轉(zhuǎn)運動(圓形料場)，同時來料車大支腿支撐側(cè)式懸臂來料車帶式供料系統(tǒng)，將帶式供料輸送機上的物料，按要求堆積到料場的指定位置。

懸臂式堆料機的來料車大支腿結(jié)構(gòu)大、支承條件有限，大支腿的受力對其自身和整個堆料機的強度、剛度和穩(wěn)定性都有較大影響。以徐州礦務(wù)集團水泥廠實際應(yīng)用的側(cè)式懸臂堆料機為例，使用中發(fā)現(xiàn)局部大支腿因疲勞撕裂，需要停機補焊，耽誤水泥生產(chǎn)線正常生產(chǎn)。因此在保證來料車大支腿功能的前題下，合理確定來料車大支腿各部分尺寸，可改善來料車大支腿與整機的受力，減少堆料機后期維護費用[1]。

1 有限元模型的建立

側(cè)式懸臂堆料機主要由行走機構(gòu)、液壓變幅機構(gòu)、懸臂部分、來料車、電纜卷盤、司機室、軌道系統(tǒng)等組成，如圖1所示。其工況條件為： 裝機功率：70kw；堆料能力：正常800t／h；皮帶速度：3m/s；行走速度：20m/min；變幅范圍：最大+20.5°到-11.5°；工作+18°到-11°；側(cè)式堆料機自重：110t左右。

本文以側(cè)式懸臂堆料機來料車大支腿作為研究對象，從側(cè)式懸臂堆料機來料車大支腿結(jié)構(gòu)的特點和實際的分析目的出發(fā)，對側(cè)式懸臂堆料機來料車大支腿的模型作如下簡化[2]：

1）由于來料車大支腿的各桿之間為焊接結(jié)構(gòu)，焊接可靠，可以認為是剛性連結(jié)；

2）略去對來料車大支腿剛度影響小的小孔和附屬物，例如皮帶，扶梯、護欄等；

3）來料車大支腿與其余各構(gòu)件的連接，視為完全接觸。

圖1 側(cè)式懸臂堆料機

利用SolidWorks軟件對側(cè)式懸臂堆料機來料車大支腿進行精確的三維實體模型繪制。為了能完整地表征側(cè)式懸臂堆料機的力學(xué)特性，首先將裝配圖另存為‘*.part’零件格式，通過SolidWorks自帶‘合并’命令將兩兩位置不變的構(gòu)件定義成一個剛體，并去掉不必要的機構(gòu)，這樣來料車大支腿就簡化為1個剛體。

由于ANSYS的支持導(dǎo)入文件格式是Para solid格式的模型文件，所以把在SOLIDWORKS生成的來料車大支腿模型轉(zhuǎn)換成Para solid格式的‘*.x-t’文件就可以了。 將模型文件導(dǎo)入到ANSYS軟件中，ANSYS自動生成該模型，定義模型材料類型，泊松比和密度等，按solid45單元網(wǎng)格劃分[3]，得有限元模型有182929個單元和593868個節(jié)點，有限元模型如圖2所示。

圖2 來料車大支腿有限元模型

2 計算與分析

分別分析側(cè)式懸臂堆料機來料車大支腿在不同工作狀態(tài)下的的力學(xué)性能：1）靜止?fàn)顟B(tài)滿負荷情況下；2）逆向勻速行駛狀態(tài)（與皮帶行駛方向相反）滿負荷情況下；3）正向勻速行駛狀態(tài)（與皮帶行駛方向相同）滿負荷情況下。

側(cè)式懸臂堆料機來料車大支腿在靜止?fàn)顟B(tài)滿負荷情況下，受力主要是斜梁和物料對支腿頂面A的重力G1，斜梁對支腿頂面A的側(cè)向力F1，皮帶對大支腿上滾輪B作用力P1， 皮帶對大支腿下滾輪C作用力P2，大支腿的自重G和滾輪對地板D的支撐力，考慮ANSYS中分析方便，將滾輪對地板D的支撐設(shè)為固定約束，如圖3所示。

側(cè)式懸臂堆料機來料車大支腿在逆向行駛狀態(tài)滿負荷情況下，受力包括靜止?fàn)顟B(tài)時的G1，F(xiàn)1，P1，P2，G以及來料車底盤對大支腿前連接板E的壓力N1和牽引桿對大支腿后連接板H的壓力N2，將滾輪對地板D的支撐設(shè)為固定約束，如圖4所示。

圖3 大支腿靜止?fàn)顟B(tài)受力示意圖

圖4 大支腿逆行狀態(tài)受力示意圖

側(cè)式懸臂堆料機來料車大支腿在正向行駛狀態(tài)滿負荷情況下，受力包括靜止?fàn)顟B(tài)時的G1，F(xiàn)1，P1，P2，G以及來料車底盤對大支腿前連接板E的拉力N3和牽引桿對大支腿后連接板H的拉力N4，將滾輪對地板D的支撐設(shè)為固定約束，如圖5所示。

在ANSYS中對側(cè)式懸臂堆料機來料車大支腿模型按照上面分析的結(jié)果施加載荷和約束。以左底板D面中心為原點， D-H方向為x軸正方向，D-A方向為y軸正方向，D-C方向為z軸正方向建立笛卡爾坐標(biāo)系，通過ANSYS后處理，在大支腿外表面X點附近建立x軸方向路徑，繪制路徑節(jié)點在xy方向上的的應(yīng)變曲線，圖6-8所示。

從圖6-8可得，側(cè)式懸臂堆料機來料車大支腿外表面X點（x=0.04）在xy方向上的的應(yīng)變值。在靜止?fàn)顟B(tài)下，X點應(yīng)變理論計算值約為1.114με；在逆向行駛狀態(tài)下，X點應(yīng)變理論計算值約為-7.8με；在正向向行駛狀態(tài)下，X點應(yīng)變理論計算值約為13.89με。

圖5 大支腿正行狀態(tài)受力示意圖

圖6 靜止?fàn)顟B(tài)X點應(yīng)變曲線

圖7 逆行狀態(tài)X點應(yīng)變曲線

3 現(xiàn)場測量應(yīng)變

應(yīng)力應(yīng)變電測方法是實驗應(yīng)力應(yīng)變分析方法中應(yīng)用最廣泛和適用性最強的技術(shù)之一。對于多通道應(yīng)變測量系統(tǒng)，為了減少測量前的準(zhǔn)備工作，提高測試效率，一般都采用單臂工作橋路。此處我們使用TST3827動靜態(tài)應(yīng)變測試分析系統(tǒng)，將X點位置的油漆和鐵銹等雜物清理干凈，粘貼箔式金屬應(yīng)變片，連續(xù)測量X點在三種不同工況下的應(yīng)變曲線，測量結(jié)果如圖9所示。

圖8 正行狀態(tài)X點應(yīng)變曲線

圖9 測量結(jié)果

在圖9中，0-30s側(cè)式懸臂堆料機來料車大支腿在靜止?fàn)顟B(tài)（0-29.9s）滿負荷情況下，穩(wěn)定運行時其應(yīng)變平均值為3.2858με；

在逆向行駛狀態(tài)（29.9s-83.7s）滿負荷情況下，穩(wěn)定運行時其應(yīng)變平均值為-8.7072με；在正向行駛狀（83.7s-114s）態(tài)滿負荷情況下，穩(wěn)定運行時其應(yīng)變平均值為15.0868με。X點應(yīng)變仿真與測量比較，如表1所示。

測量結(jié)果中，應(yīng)變突變主要發(fā)生在工作條件變化時。即當(dāng)堆、取料機以30m/min速度運行時，電動機轉(zhuǎn)向發(fā)生變化， 由于大型設(shè)備自重較大，因此保持慣性運行的能力較大，所以短時內(nèi)設(shè)備仍會保持高速運行，造成沖擊過大，引起晃動現(xiàn)象，對金屬結(jié)構(gòu)造成一定影響。

表1 X點應(yīng)變仿真值與測量值比較

理論計算值和實驗相關(guān)測點的應(yīng)變對比可以發(fā)現(xiàn)，模型計算結(jié)果要普遍小于試驗結(jié)果但相差不大，即可認為模型可靠的，其結(jié)果是可用的。通過分析對比結(jié)果，筆者認為造成仿真結(jié)果和實驗誤差的原因主要有以下兩點：

1）模擬仿真時， 運物料皮帶張緊力采用了理論計算值，而且認為是傳動勻速穩(wěn)定的，但實際生產(chǎn)現(xiàn)場皮帶是變速的和強烈震動的，所以模型計算雖然與實驗結(jié)果相差不大，但仿真結(jié)果應(yīng)比實驗結(jié)果略小。

2）側(cè)式懸臂堆料機大立柱腿主要基于多剛體建模，模型比較復(fù)雜，在建模時做了過多簡化。機體其他部分作為一個剛體處理，而且在各零部件的接觸處理上只有相關(guān)的約束副，沒有考慮零部件間的碰撞和摩擦，模型中作用力低于實驗值。

4 結(jié)論

1）通過實驗及有限元的分析計算，可認為模型可靠的，其結(jié)果是可用的機身的。側(cè)式懸臂堆料機大立柱腿強度與剛度都符合要求，而且整個的計算結(jié)果具有較高的計算精度。

2）側(cè)式懸臂堆料機來料車大支腿在三種工況下，其應(yīng)力應(yīng)變均在其屈服極限內(nèi)，但在電機反轉(zhuǎn)時應(yīng)變突增，因此應(yīng)考慮改進電控通過重新設(shè)定減速時間參數(shù)，從而降低了減速引起的沖擊。

3）根據(jù)得到應(yīng)力應(yīng)變分布情況，建議對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸作了一些調(diào)整，如加大支腿梯形下拐角處角度和牽引桿與支腿連接處板材厚度，減少應(yīng)力應(yīng)變，以達到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的。

4）應(yīng)用虛擬樣機建模和有限元分析方法， 對堆料機大立柱腿受力作了仿真分析，可以簡化堆料機的設(shè)計開發(fā)過程，減少開發(fā)成本。

[1]馬魁文, 楊好志.懸臂式堆料機臂架的優(yōu)化設(shè)計.起重運輸機械, 第8期, 20O7, 7-12.

[2]李 媛.石油修井機井架的有限元應(yīng)力應(yīng)變分析.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第26卷, 第1期, 2009, 49-51.

[3]楊明.Ansys軟件與其它CAD/CAE/CAM軟件的接口問題.哈爾濱鐵道科技, 2004, 13-15.

[4]薛永杰, 李宏堆.取料機行走減速過程中整機結(jié)構(gòu)沖擊過大原因分析及對策.港口科技, 第9期, 2006, 36-37.