圓形料場堆取料機金屬結構優化分析

摘要：堆取料機是一種高自動化的大型機械設備，按照其結構的不同可以分為圓形料場堆取料機、斗輪堆取料機和歐洲耙式堆取料機三種類型，主要應用于發電廠、港口碼頭以及儲煤廠等場所的物料堆存和散料混勻。圓形料場具有自動化程度高、占地面積小以及環保等特點，是一種由半球形鋼架穹頂封閉式的儲料系統，整個系統的核心是處于料場中心的圓形堆取料機。隨著人們環保意識的逐漸提高，圓形料場堆取料機受到了越來越多的關注，發展空間更加廣闊。本文對圓形料場堆取料機的門架金屬結構進行了分析并對優化設計做出了研究探討。

關鍵詞：圓形料場；堆取料機；金屬結構；優化

堆取料機作為現代化工業生產中大范圍物料堆卸的自動化設備，被廣泛的運用到多個領域存料場中物料的堆、取料過程之中。隨著我國越來越多的露天物料廠的建設，粉塵污染也越來越嚴重，對于物料場堆取料機的要求也越來越高。圓形料場堆取料機很大程度上具有環保功能，自動化程度較高，越來越受到人們的歡迎。圓形料場堆取料機在工作運行中對于自身的金屬結構構件要求較高，因此，怎樣做到對金屬結構的優化成為了一個重要的問題。

一、圓形料場堆取料機的功能

圓形料場堆取料機的工作原理是利用棧橋帶式輸送機把物料轉載到回轉堆料機，堆存到圓形料場內，并通過刮板機從圓形料場中把物料取出，經過底下廊道帶式輸送機輸送出去。整個圓形料場是由鋼結構網架、擋墻以及彩鋼板組成，形成一個封閉式的具有環保功能的儲料場，設備在工作過程中都是圍繞著中心柱進行工作，更加有利于自動化作業的實現。

二、圓形料場取料機門架分析

圓形料場堆取料機門架鋼結構的分析包括強度分析、靜力學分析和鋼度分析。

1.強度分析

門架的任意截面都存在著縱向剪切力、橫向力以及彎矩，對于圓形料場取料機門架的強度分析包括剪應力和正應力兩個方面。

根據材料力學第四強度理論得，最大應力

其中基本許用應力[σ]按照公式進行計算，其中， 為安全系數

為材料的屈服強度。對于門架結構受力特點，

其中，Q為剪切力，F為橫向力，A為截面凈面積，M為彎矩，W為彎曲截面系數。

2.靜力學分析

圓形料場堆取料機是通過門架利用鋼絲繩拉起刮板機來進行工作的。當刮板機在進行維修或者放在地面上的時候，鋼絲繩不受力；當刮板機在與物料不進行接觸時，鋼絲繩一直都存在拉力。

3.鋼度分析

門架與車輪連接的地方會產生水平方向的位移，而門架鋼結構受刮板機的重量以及自身重量的影響，在整個受載的過程中存在垂向位移，所以在對門架進行鋼度分析時應分為垂直位移和水平方向的位移。垂直位移的計算過程可以使用有限差分法。

在整個運算過程中將門架等分為 份， 為第 點的垂直位移，任意相鄰兩點的距離為 ，第 點的彎矩為，門架的抗彎鋼度為 ，等分數 越大， 越小，計算精確度越高。

門架水平位移的計算過程采用單位載荷法，距離B點 處點的位移 可根據以下公式得出

其中， 為單位載荷作用下為距離B點 處截面的彎矩， 為距離B點 處截面的彎矩，E為鋼結構材質的彈性模量，I為該處截面的軸慣性矩。

三、圓形料場堆取料機門架的優化

1.條件約束

條件約束包括鋼度條件約束和強度條件約束。

1.1鋼度條件約束：

門架在水平方向的位移在一定程度上會對車輪與軌道踏面的接觸位置造成影響，進行門架的鋼度分析時，在刮板機完全被鋼絲繩吊起和完全著地的時候，鋼絲繩的拉力T的取值范圍在0～T。對應這兩種情況，水平位移存在兩個值，這兩個位移值的差值就是 ，經研究 取值是250mm。

1.2強度條件約束：

圓形料場堆取料機的門架結構，對于不同位置的彎矩和受力情況進行分析，在彎矩和內力的計算過程中，將門架的自身重量等效為均布載荷。根據材料力學和理論力學相關的彎矩和內力計算方法得出彎矩圖和內力圖如圖2所示。其中的彎矩變化趨勢為：ABCE段彎矩變化趨勢是曲線遞增的，A點彎矩為零，在E點達到最大值；在OFE段彎矩的變化趨勢也是逐漸遞增的，O點彎矩為最小值零，E點彎矩為最大值。因此可知E點的彎矩最大。其中內力的變化趨勢為：ABCE段內力變化時曲線遞減的，其中A點內力值最大，E點內力到達最小值；OFE段內力也是逐漸遞減的，其中O點內力最大，E點到達最小值，由此可知E點的內力值最小。

如圖2可知，C點E點以及F點是整個門架中比較危險的位置，其中又以E點的應力最大。計算出其橫向力、剪力以及彎矩，最后在計算出應力，經研究 取值為170～180MPa。

2.目標函數

門架鋼結構要求金屬重量小，影響其金屬結構自重函數的因素是截面寬高尺寸和板厚。計算過程中將板厚看做常量，截面寬度和高度為連續變量。

一般門架鋼結構選用的都是低合金金屬Q345，密度取值為 ，腹板距離翼緣板外邊緣15mm

設計變量

以鋼材質量為目標函數

金屬板厚取值為常量，經研究可以取蓋板厚度為 ，翼緣板厚度為

3.通過模型來進行求解

還可以運用列舉法來進行求解，根據給出的門架尺寸大小，均以1作為步長進行求解，在整個范圍之內最小質量對應的變量尺寸，即為最優解。

結語：

圓形物料場堆取料機因其環保、自動化程度高被越來越多的應用到港口、電力、化工和煤炭等行業中。在整個設備工作運行的過程中，對于設備的整體結構要求也比較高。對圓形物料堆取料機的分析主要包括靜力學分析、鋼度分析以及強度分析，這幾種分析給圓形料場堆取料機的設計提供了很大幫助，可以使其更好的應用到各個工業領域，提高工作效率。

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