基于ANSYS 的臂式斗輪堆取料機上部鋼結構分析

呂 巖 趙興鋼

（北方重工集團有限公司，遼寧 沈陽 110027）

1 概述

斗輪堆取料機是最大的散料處理成套設備，隨著火力發電廠、港口碼頭、鋼鐵、礦山等散料輸送系統的迅猛發展，斗輪堆取料機開始向大型化的方向發展。斗輪機的上部鋼結構承受著自重、物料、挖掘力、風載荷等垂直、水平及側向等多種載荷，同時，由于結構的非對稱性，還承受著附加扭矩載荷，因此其結構的合理性是斗輪堆取料機產品設計和提高性能的關鍵。

2 研究內容及方法

本文以非洲礦業項目DQL4000/3000·45 臂式斗輪堆取料機上部鋼結構為研究對象，應用大型有限元分析軟件ANSYS對初始設計方案進行有限元建模，并進行靜力學分析和模態分析，達到既滿足結構強度又達到降低成本的目的。

2.1 上部鋼結構計算

2.1.1 計算工況

該斗輪機俯仰形式采用整體液壓俯仰，計算臂架水平、臂架上仰至上限位置（11.3°）及臂架下俯至下限位（-10.5°）三種狀態。以及三種工況，分別是：工況Ⅰ，斗輪機受自重載荷作用；工況Ⅱ，斗輪機正常取料；工況Ⅲ，斗輪機超載挖掘取料。

2.1.2 載荷種類

斗輪堆取料機鋼結構的載荷分為主要載荷和附加載荷。主要載荷有：①恒載荷；②變動有效載荷；③動載荷；④正常挖掘阻力。附加載荷：①風載荷；②非正常挖掘阻力。

2.1.3 有限元模型的建立

基于上部鋼結構的特點，型鋼以及銷軸等主要承受拉伸、壓縮和彎曲的長細比構件均采用梁單元BEAM44 模擬，拉桿兩端鉸接主要是軸向力，因此用桿單元LINK10 模擬。臂架、塔架完全采用板殼單元SHELL63 建立模型，從而反映其復雜的受力情況。有限元模型如圖1 所示。

圖1 結構模型及加載情況

2.1.4 應力計算結果

上部鋼結構的等效應力云圖如圖2所示，各部分的應力值見表1。所有應力值均小于Q345 號鋼的屈服極限。其最大應力發生在塔架上，大小為193.9MPa，而其他部位的應力有的比較少，因此可以進一步優化，使鋼結構更合理。

圖2 上部鋼結構應力云圖

表1 上部鋼結構應力

2.2 上部鋼結構模態分析

對于斗輪堆取料機上部鋼結構這樣的大型鋼結構求解低階固有頻率網格的劃分與靜態分析有所不同，整個模型應采取比較均勻的網格。這是因為固有頻率和振型僅與結構總體的質量分布和剛度分布有關，不存在類似應力集中的現象，其次，均勻網格可使結構剛度矩陣和元素大小不至相差太大，可以減小數值計算誤差。

計算模態采用分塊BlockLanczos 法。通過對上部鋼結構的模態分析,得出鋼結構前4 階振動的固有頻率和振動模型（見如下圖表）。

2.2.1 上部鋼結構模態分析結果

表2 模態分析結果

2.2.2 上部鋼結構振動振源及頻率

圖3 上部鋼結構滿載時前四階振型

（1）設備振源主要存在于以下幾個位置：①斗輪裝置工作產生的振動；②膠帶機滾筒產生的振動；③膠帶產生的振動；④物料運行產生的振動。

（2）振源頻率分析計算：①料斗的沖擊頻率：0.933Hz；②驅動滾筒產生的頻率：1.162Hz；③頭部卸料滾筒產生的頻率：1.452Hz。

可見，激勵頻率與結構固有頻率間的差值較大，可以認為這些激勵源不會引起共振。這對實際生產時，避開這些容易引起共振的頻段有一定的指導意義。

結語

上部鋼結構是斗輪堆取料機的重要組成部分，由于斗輪機的結構構成及受力狀態復雜，用傳統的力學方法很難準確地對其進行受力狀態分析。借用現代有限元分析方法，能夠模擬實際結構和多種工況，得到比較真實的受力狀態分析結果，模態分析得出其固有頻率，并與激勵源頻率做出比較，避免共振發生，也為結構動力特性的優化設計提供依據。

[1]邵明亮.斗輪堆取料機[M].北京：化學工業出版社，2007.

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