門式雙刮板取料機有限元分析

韓志永+張海寬

【摘 要】 通過對取料機整體結構進行分析后，得知結構應力滿足要求，局部結構可從經濟性角度做適當的減重處理。利用ANSYS軟件，研究在多載荷共同作用下結構應力（應變）和位移（變形）情況，并在有限元計算結果基礎上對其結構進行分析，使設計更加合理。通過設計分析，為取料機結構設計提供了良好而高效的設計手段，從而提高設計水平，縮短設計周期，為后續取料機系列化設計及新產品設計打下了基礎。

【關鍵詞】 有限元 取料機 ANSYS 門架

1 本文研究工作主要內容

根據門式取料機整體結構特點，本文主要進行了以下工作：通過有限元結果分析，表明結構整體設計相對合理，應力滿足要求。研究在多載荷共同作用下結構應力（應變）和位移（變形）情況，并在有限元計算結果基礎上對其結構進行分析，提高了設計水平，縮短設計周期。因門式取料機在國內為首創，從國外引進的數據并不完全，在設計方面有很多的不足，為后續產品系列化設計及新產品設計提供了借鑒。使取料機的設計尺寸更加趨于合理并使結構重量盡量減輕。

2 門式取料機工作原理及結構組成

2.1 取料機工作原理

門式取料機在國內幾乎沒有業績，而在國外也只有幾臺。但根據業主的要求，我們對門取進行了考查，并結合多年的同類型產品的設計經驗，進行了取料機原理的初步確定。取料機的工作完成主要通過刮板取料系統的運行。首先堆好完整的物料堆，取料機通過固定端梁、擺動端梁中的電機減速機帶動行走，使取料機靠近物料堆。在刮板取料系統將要接近物料堆時，刮板運行。刮板取料系統中刮板的運行方向是一致的，即向固定端梁方向。由小刮板向物料的堆頂推料，再由大刮板將料推到固定端梁一側。然后物料穿過固定端梁中的導料槽，由漏斗進入地面膠帶輸機將物料帶走。

隨著固定端梁、擺動端梁的行走，取料機會將料堆的最高部分物料取走。當物料堆最高一部分物被取走后，取料機會通過電子探頭得知物料高度下降，刮板取料系統無法取到料。此時取料機會讓卷揚提升系統運行，刮板取料系統會下降一定的高度，繼續進行取料作業。當刮板取料系統下至水平，將物料全部取走，取料機則完成一個料堆取料作業周期。

2.2 取料機主要結構

本機結構比較復雜，但是根據各部件的重要性不同，其主要結構包括以下部分：刮板取料系統、卷揚提升系統、門架部分、固定端梁、擺動端梁、鏈條潤滑系統等部分。（見圖2.1）

3 門式取料機主體結構有限元建模

3.1 取料機結構分析的簡化

取料機的大多數機體結構的截面多為箱形和工字形，根據受力方式采用板單元，工字形翼緣采用梁單元。截面尺寸相對較小，受力以拉壓為主的構件采用梁單元或桿單元。各部分相連接的鉸軸用梁單元和桿單元組合模擬剛度和自由度。網格劃分均自由劃分的方法，這樣不但節省了分析時間又可以保證了結果的精確度。取料機不同的部位采用不同的單元，應力在反映其結構的力學特性的前提下，盡可能選用簡單的單元，使得模型既合理，又節約計算時間。為真實模擬原結構，采用多種單元偶合方法，計算模型主要包括以下幾個方面：

（1）門架、刮板取料臂架等結構主要由鋼板、型鋼組成，故采用空間殼單元模擬鋼板，梁單元模擬型鋼。（2）有限元分析中將卷揚提升系統、司機室等重量作為載荷施加在結構上。（3）車輪和驅動裝置簡化為有約束的支承點。（4）擺動端梁與門架連接設置為鉸接，保證轉軸空間360°旋轉。（5）省略所有焊縫及連接板，對非危險部位的細節結構進行簡化，略去工藝結構，并略去不重要區域的孔及小尺寸結構。（6）結構的簡化，造成模型重量小于直實重量，故采用質量元對重量進行了補償。

3.2 定義材料屬性

本文在分析過程中，取料機選擇的彈塑性材料模型，與應變速率無關的材料屬性，需要的參數有：DENS（密度）、EX（彈性模量）、NUXY（泊松比）、Yield Stress（屈服應力），本機設備材料屬性為Q345 碳鋼，材質密度7.86×103kg/m3，彈性模量212Gpa，泊松比0.288。

3.3 建模方案

為了描述節點坐標、節點位移及節點載荷方向等有關參數，建立模型時取整體坐標系為右手系OXYZ，其中Y軸垂直向上。建模遵循兩個原則：（1）取料機橋梁及端梁型材桿件的連接點為模型的節點；（2）取料機橋梁及端梁型材與板的連接點或施力點為模型的節點；取料機結構復雜，因此在不影響計算精度的前提下，對結構進行了必要簡化后，有限元模型見圖3.1。

然后對建好的模型進行網格剖分，單元的大小、多少和疏密程度也非常關鍵。劃分網格時，需要分析人員的一些經驗和較認真細致的決定與正確的網格單元參數選擇。尤其是重要部位，如門架體、刮板取料臂的單元劃分，更是關鍵。在對實際結構劃分有限單元網格時，如果使用梁單元來劃分鋼絲繩和門架中的加強筋和立柱等，則可以節省總單元數目，但大多數加強筋是由鋼板焊接成的薄殼結構，也無法描述某些關鍵部位的細部結構。所以，為了較準確模擬實際結構，計算中使用ANSYS中的92號四面體實體單元和93號高階殼單元進行網格劃分，殼單元用于殼體、筋、立柱等部位的劃分。經過ANSYS程序的自由單元劃分。

3.4 載荷的加載

對于荷載，國內外常用2種概率模型。像恒載這樣與時間無關的永久荷載，根據設備的各部件質量及物料的實際密度。取料機主要承受的載荷有以下幾方面。

（1）取料機自重以重力加速度的方式加到每個單元上。（2）在在門架下部施加的刮板臂重以集中載荷的方式加到門架的幾個節點上。（3）在設備運行中物料對設備的反作用力，承受的阻力以集中載荷的方式加到門架的節點上。（4）固定取料機底部約束底部的四個結點的所有自由度。 作用在大跨度空間鋼結構的可變荷載主要有：風荷載、雪荷載以及少量的活荷載。對于這類可變荷載，荷載模型可采用平穩二項隨機過程。根據平穩二項隨機過程的特點可知，目標使用期內最大荷載的概率分布函數為：endprint

式中，為荷載概率分布函數；m為荷載在目標使用期內平均出現的次數。在本次分析中沒有雪荷載，只有風荷載并忽略其它作用力對取料機的影響。將各載荷加載在不同的點上（見圖3.2）。

4 門式取料機有限元計算結果分析

4.1 門式取料機有限元計算結果

模型建立后求解也很重要，當求解選項設置不當時，不出現不收斂的情況，所以要設置合理的數值。通過ANSYS軟件的分析計算，可以顯示模型的應力與位移圖，并能利用顏色區分他們的大小。

通過ANSYS有限元軟件分析得出表4.1結論。

4.2 門式取料機有限元計算結果分析

針對本設備的特點，借助于有限元分析軟件ANSYS對結構的簡支、懸臂和兩端固定的組合梁等部件的荷載模型和構件抗力模型進行了深入的分析研究，取料機中的懸臂梁結構，最大允許變形范圍。

A：最大允許變形范圍

L：懸臂梁長度

也就是說變形一定要小于總長度的3.33‰。利用有限元計算得出的結果，做以下分析：

（1）在刮板臂水平額定靜工作載荷作用時，門架的最大應力為190MPa，最大變形為33.8mm。門架長54m，變形約占總長度的0.625‰；（2）前取料臂架最大應力為125MPa，最大變形為17.7mm。前取料臂架長17.9m，變形約占總長度的0.98‰；（3）后取料臂架最大應力為118MPa，最大變形為62.5mm。后取料臂架長30.8m，變形約占總長度的2.0‰；（4）擺動端梁最大應力為118MPa，最大變形為12.5mm。擺動端梁長度為5000mm，變形約占總長度的2.5‰；（5）取料臂架上吊點最大應力為121MPa，最大變形為62.5mm。后取料臂架長30.8m，變形約占總長度的2.0‰；（6）固定端梁最大應力為132MPa，最大變形為18.6mm。固定端梁長7.54m，變形約占總長度的2.4‰。

綜合以上分析，以上結論都滿足門式刮板取料機的安全性設計要求，有限元計算結果與理論計算結果很接近。所以該有限元分析結果是可信的。

從結果來看整機的應力在設備可承受范圍內。其設備應力主要出現在設備門架與兩側端梁聯接處。設備的兩個端梁是用來承載整臺設備的重量，所以在門架與端梁的接觸點上有很小的應力集中，可以通過加強局部鋼板的厚度來解決。由于取料的機的門架中間最高處大截面，而兩端與端梁相接處較小截面的設計方式，所以在門架的中間反而沒有應力集中的出現。主刮板臂也有應力集中，因為刮板不但受到物料的反作用力，而且還受到卷揚機構的一個水平的拉力。雖然刮板臂也采用了同門架相同的設計理念，但是還是出現了應力集中現象。通過ANSYS有限元分析軟件分析后，主刮板臂應力在可以承受圍內。

經過有限元分析，設備沒有出現過大的應力集中，說明應力較小，但是整臺設備出現了總長度變形。所以在結構方面改進減重的空間不大。可以在不太重要的地方進行小幅度的減重。

5 結語

門式堆取料機目前在國內還屬于一種新型設備，與臂式斗輪、橋式斗輪、橋式刮板等結構的堆取料機相比，很多數據仍然處于摸索狀態，只能通過類比設計。很多數據是需要經過長時間的檢測得到的。

本文以門式取料機整機結構為研究對象，對其進行了從設計到有限元分析的研究。通過理論設計，通過對門式取料機整機的建模，并對有限元結果進行分析，表明結構整體設計相對合理，應力滿足要求，局部結構可從經濟性角度做進一步的減重處理。通過前面的設計分析可以看出，方法對結構設計提供了良好而高效的設計手段，從而提高設計水平，可以有效的縮短產品開發的周期，提高生產效率，為后續產品系列化設計及新產品設計提供了借鑒。

參考文獻：

[1]泮威風.門式剛架輕鋼結構抗風柱的設計[J].寧波大學學報（理工版），2005，12：549-552.

[2]尹現吉，馬春雨，郝巖.大型斗輪堆取料機三維有限元分析[J].試驗技術和試驗機，2006，3：20-21.

[3]謝加保.帶式輸送機傳動滾筒虛擬樣機的設計與研究[D].安徽：安徽理工大學，2009.

[4]Saeed Moaveni著，歐陽宇，王菘，等譯.ANSYS理論與應用[M].北京：電子工業出版社，2003，6.endprint

式中，為荷載概率分布函數；m為荷載在目標使用期內平均出現的次數。在本次分析中沒有雪荷載，只有風荷載并忽略其它作用力對取料機的影響。將各載荷加載在不同的點上（見圖3.2）。

4 門式取料機有限元計算結果分析

4.1 門式取料機有限元計算結果

模型建立后求解也很重要，當求解選項設置不當時，不出現不收斂的情況，所以要設置合理的數值。通過ANSYS軟件的分析計算，可以顯示模型的應力與位移圖，并能利用顏色區分他們的大小。

通過ANSYS有限元軟件分析得出表4.1結論。

4.2 門式取料機有限元計算結果分析

針對本設備的特點，借助于有限元分析軟件ANSYS對結構的簡支、懸臂和兩端固定的組合梁等部件的荷載模型和構件抗力模型進行了深入的分析研究，取料機中的懸臂梁結構，最大允許變形范圍。

A：最大允許變形范圍

L：懸臂梁長度

也就是說變形一定要小于總長度的3.33‰。利用有限元計算得出的結果，做以下分析：

（1）在刮板臂水平額定靜工作載荷作用時，門架的最大應力為190MPa，最大變形為33.8mm。門架長54m，變形約占總長度的0.625‰；（2）前取料臂架最大應力為125MPa，最大變形為17.7mm。前取料臂架長17.9m，變形約占總長度的0.98‰；（3）后取料臂架最大應力為118MPa，最大變形為62.5mm。后取料臂架長30.8m，變形約占總長度的2.0‰；（4）擺動端梁最大應力為118MPa，最大變形為12.5mm。擺動端梁長度為5000mm，變形約占總長度的2.5‰；（5）取料臂架上吊點最大應力為121MPa，最大變形為62.5mm。后取料臂架長30.8m，變形約占總長度的2.0‰；（6）固定端梁最大應力為132MPa，最大變形為18.6mm。固定端梁長7.54m，變形約占總長度的2.4‰。

綜合以上分析，以上結論都滿足門式刮板取料機的安全性設計要求，有限元計算結果與理論計算結果很接近。所以該有限元分析結果是可信的。

從結果來看整機的應力在設備可承受范圍內。其設備應力主要出現在設備門架與兩側端梁聯接處。設備的兩個端梁是用來承載整臺設備的重量，所以在門架與端梁的接觸點上有很小的應力集中，可以通過加強局部鋼板的厚度來解決。由于取料的機的門架中間最高處大截面，而兩端與端梁相接處較小截面的設計方式，所以在門架的中間反而沒有應力集中的出現。主刮板臂也有應力集中，因為刮板不但受到物料的反作用力，而且還受到卷揚機構的一個水平的拉力。雖然刮板臂也采用了同門架相同的設計理念，但是還是出現了應力集中現象。通過ANSYS有限元分析軟件分析后，主刮板臂應力在可以承受圍內。

經過有限元分析，設備沒有出現過大的應力集中，說明應力較小，但是整臺設備出現了總長度變形。所以在結構方面改進減重的空間不大。可以在不太重要的地方進行小幅度的減重。

5 結語

門式堆取料機目前在國內還屬于一種新型設備，與臂式斗輪、橋式斗輪、橋式刮板等結構的堆取料機相比，很多數據仍然處于摸索狀態，只能通過類比設計。很多數據是需要經過長時間的檢測得到的。

本文以門式取料機整機結構為研究對象，對其進行了從設計到有限元分析的研究。通過理論設計，通過對門式取料機整機的建模，并對有限元結果進行分析，表明結構整體設計相對合理，應力滿足要求，局部結構可從經濟性角度做進一步的減重處理。通過前面的設計分析可以看出，方法對結構設計提供了良好而高效的設計手段，從而提高設計水平，可以有效的縮短產品開發的周期，提高生產效率，為后續產品系列化設計及新產品設計提供了借鑒。

參考文獻：

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[2]尹現吉，馬春雨，郝巖.大型斗輪堆取料機三維有限元分析[J].試驗技術和試驗機，2006，3：20-21.

[3]謝加保.帶式輸送機傳動滾筒虛擬樣機的設計與研究[D].安徽：安徽理工大學，2009.

[4]Saeed Moaveni著，歐陽宇，王菘，等譯.ANSYS理論與應用[M].北京：電子工業出版社，2003，6.endprint

式中，為荷載概率分布函數；m為荷載在目標使用期內平均出現的次數。在本次分析中沒有雪荷載，只有風荷載并忽略其它作用力對取料機的影響。將各載荷加載在不同的點上（見圖3.2）。

4 門式取料機有限元計算結果分析

4.1 門式取料機有限元計算結果

模型建立后求解也很重要，當求解選項設置不當時，不出現不收斂的情況，所以要設置合理的數值。通過ANSYS軟件的分析計算，可以顯示模型的應力與位移圖，并能利用顏色區分他們的大小。

通過ANSYS有限元軟件分析得出表4.1結論。

4.2 門式取料機有限元計算結果分析

針對本設備的特點，借助于有限元分析軟件ANSYS對結構的簡支、懸臂和兩端固定的組合梁等部件的荷載模型和構件抗力模型進行了深入的分析研究，取料機中的懸臂梁結構，最大允許變形范圍。

A：最大允許變形范圍

L：懸臂梁長度

也就是說變形一定要小于總長度的3.33‰。利用有限元計算得出的結果，做以下分析：

（1）在刮板臂水平額定靜工作載荷作用時，門架的最大應力為190MPa，最大變形為33.8mm。門架長54m，變形約占總長度的0.625‰；（2）前取料臂架最大應力為125MPa，最大變形為17.7mm。前取料臂架長17.9m，變形約占總長度的0.98‰；（3）后取料臂架最大應力為118MPa，最大變形為62.5mm。后取料臂架長30.8m，變形約占總長度的2.0‰；（4）擺動端梁最大應力為118MPa，最大變形為12.5mm。擺動端梁長度為5000mm，變形約占總長度的2.5‰；（5）取料臂架上吊點最大應力為121MPa，最大變形為62.5mm。后取料臂架長30.8m，變形約占總長度的2.0‰；（6）固定端梁最大應力為132MPa，最大變形為18.6mm。固定端梁長7.54m，變形約占總長度的2.4‰。

綜合以上分析，以上結論都滿足門式刮板取料機的安全性設計要求，有限元計算結果與理論計算結果很接近。所以該有限元分析結果是可信的。

從結果來看整機的應力在設備可承受范圍內。其設備應力主要出現在設備門架與兩側端梁聯接處。設備的兩個端梁是用來承載整臺設備的重量，所以在門架與端梁的接觸點上有很小的應力集中，可以通過加強局部鋼板的厚度來解決。由于取料的機的門架中間最高處大截面，而兩端與端梁相接處較小截面的設計方式，所以在門架的中間反而沒有應力集中的出現。主刮板臂也有應力集中，因為刮板不但受到物料的反作用力，而且還受到卷揚機構的一個水平的拉力。雖然刮板臂也采用了同門架相同的設計理念，但是還是出現了應力集中現象。通過ANSYS有限元分析軟件分析后，主刮板臂應力在可以承受圍內。

經過有限元分析，設備沒有出現過大的應力集中，說明應力較小，但是整臺設備出現了總長度變形。所以在結構方面改進減重的空間不大。可以在不太重要的地方進行小幅度的減重。

5 結語

門式堆取料機目前在國內還屬于一種新型設備，與臂式斗輪、橋式斗輪、橋式刮板等結構的堆取料機相比，很多數據仍然處于摸索狀態，只能通過類比設計。很多數據是需要經過長時間的檢測得到的。

本文以門式取料機整機結構為研究對象，對其進行了從設計到有限元分析的研究。通過理論設計，通過對門式取料機整機的建模，并對有限元結果進行分析，表明結構整體設計相對合理，應力滿足要求，局部結構可從經濟性角度做進一步的減重處理。通過前面的設計分析可以看出，方法對結構設計提供了良好而高效的設計手段，從而提高設計水平，可以有效的縮短產品開發的周期，提高生產效率，為后續產品系列化設計及新產品設計提供了借鑒。

參考文獻：

[1]泮威風.門式剛架輕鋼結構抗風柱的設計[J].寧波大學學報（理工版），2005，12：549-552.

[2]尹現吉，馬春雨，郝巖.大型斗輪堆取料機三維有限元分析[J].試驗技術和試驗機，2006，3：20-21.

[3]謝加保.帶式輸送機傳動滾筒虛擬樣機的設計與研究[D].安徽：安徽理工大學，2009.

[4]Saeed Moaveni著，歐陽宇，王菘，等譯.ANSYS理論與應用[M].北京：電子工業出版社，2003，6.endprint