橋式取料機行走車架力學性能分析

岑 武，王世輝

（1湖北工業大學 機械工程學院，湖北 武漢430068；2武漢理工大學 機械工程學院，湖北 武漢430070）

橋式取料機主要用于水泥建材、煤炭、電力、冶金、鋼鐵、化工等行業，特別是對石灰石、煤、鐵礦石、水泥廠等物料予均化要求較高的行業尤為重要［1－2］。其主要有箱型橋梁、行走機構、刮板輸送機構、料耙機構、固定端梁、擺動端梁、動力電纜卷盤等主要部分組成。箱型橋梁結構與取料行走機構連接，通過驅動裝置驅動行走機構的臺車組，臺車沿著軌道運動，實現取料機的前后運動。由于箱型橋梁鋼結構重量龐大，取料行走機構的性能好壞直接影響橋梁結構的安全穩定以及取料機的正常運行，而且對于整個取料機運行的安全穩定性有很大影響，因此有必要對取料機行走機構進行深入分析［3］。本文對行走機構的行走車架進行基于Ansys Wor kbench的有限元分析，結合分析結果對其結構進行驗證，有效改善受力情況。其分析過程可以為橋式取料機行走機構設計提供有效參考。

1 橋式取料機行走車架建模

1.1 三維實體模型建立

研究的橋式取料機行走車架的結構，主體采用Q235鋼板和鋼管焊接而成。行走車架主體尺寸為7 760 mm×740 mm×1 435 mm。行走車架主要由受力鋼板（頂端和低端）厚25 mm與四周厚16 mm連接板焊接而成。為滿足其力學性能，在受力鋼板與連接板之間焊接了大量厚12 mm肋板，以增加主要受力面的承載能力。行走車架在的模型屬于復雜模型，在Ansys Wor kbench中建模，沒有效率優勢，故這里選擇第三方三維建模軟件Solid Wor ks進行建模。由于在進行Ansys靜力分析和模態分析時，節省計算機的計算資源，需要對復雜模型進行簡化。故在建模中對行走車架進行適當簡化，以方便進行有限元分析。由Solid Wor ks建立的行走車架三維實體模型（圖1）。

圖1 橋式取料機行走車架三維實體模型

1.2 Ansys Wor kbench中的模型建立

將上述簡化后的模型整體直接導入有限元分析軟件中。在Solid Works中將建好的行走車架模型保存為IGES格式，然后，在Ansys Workbench中新建Pr oject Sche matic，接著將保存好的IGES文件導入到Geo metr y中［4］。行走車架的材料采用Q235鋼材，密度為7 850 kg／m3，彈性模量為2×105 MPa，泊松比為0.3。接著是進行網格劃分，對行走車架結構的有限元網格劃分采用自動網格生成法，網格單元設為100 mm。行走車架的有限元網格劃分結果如圖2所示。

圖2 行走車架有限元網格劃分效果圖

2 橋式取料機行走車架的分析

2.1 行走車架結構的靜力分析

行車車架結構復雜，在使用過程中所受載荷隨外部條件和工作量的變化差異較大，計算施加載荷時適當作了等效簡化［5］。車架上的載荷，首先是車架結構自重載荷，此處結構由密度為7850 kg／m的Q235鋼板組成，經計算得出車架自身重量P＝3 463.3×9.8＝33.940 34 k N；然后是工作負載，行走車架的工作負載，主要是安裝箱型橋梁結構后施加在車架頂端而形成的載荷。為了簡化分析，通過計算得出箱型橋梁施加在車架的上額載荷P1＝170kN，方向垂直向下；最后是活動載荷，主要來自車架行走、料耙往復運動和刮板運動綜合作用的結果。為了簡化分析，通過計算得出活動載荷P2＝38kN，方向垂直于重力方向和長度邊方向。

行走車架的力學性能主要體現為，在彈性范圍內，正常的工作條件下，設計的結構能夠滿足強度標準，即考核鋼材的許用應力［6］

式中：σ為材料的許用應力；σs為材料的屈服應力極限；n為安全系數，根據載荷不同，可在1.15～1.5之間選擇。不同材料有不同的特性，這里采用Q235，其材料特性及載荷情況具體選擇方式見表1。

表1 Q235許用應力

將上述載荷分別加入到Ansys Wor kbench的靜力分析模塊Static Str uctural中進行強度和剛度的有限元分析，結果如圖3所示。行走車架結構選用材料Q235的屈服應力極限為235 MPa，此處受力面鋼板厚度為25 mm，由表1查得，材料的許用應力σ＝200 MPa。由圖3a可以看出，車架結構在自重和工作負荷下的最小組合應力發生在車架左右兩側凹槽處，最大屈服應力σs＝71.261 MPa，即σs＜σ，因此行走車架滿足強度方面的要求。圖3b中看出，行走車架最大變形量為0.465 56 mm，在安全范圍內。

圖3 橋式取料機行走車架靜力學分析云圖

2.2 行走車架結構的模態分析

行走車架固有動態特性是指在受到激勵時，車架隨之做出的響應，這是產生振動的原理。而激勵振動頻率與固有振動頻率的相似會引起共振。為了避免共振的出現，通常用模態分析進行評價。在Workbench中，模態分析和靜力分析有很多的相似之處，都包含了定義單元類型、定義材料屬性、進行網格劃分、施加邊界約束條件和求解。因此，在Wor kbench的項目管理區靜力分析后面鏈接上模態分析項目，使其相關的數據同步，避免重復定義，節省分析操作時間。模態分析主要側重于模型動態特性，一般考慮行走車架的幾階模態與振型，特別是有實際參考價值的低階模態。利用Wor kbench軟件求得了車架前6階模態，各階模態計算的結果等效云圖如圖4所示。

圖4 橋式取料機行走車架6階振型等效云圖

由分析云圖可知行走車架如表2所示模態分析數據。根據分析結果，行走車架最小變形產生于第1階振型，變形主要集中在頂端受力面正下方結構體處，車架表現為扭曲狀態；第2、3、4階振型變形均集中在車架幾何中心對稱區，三個階段變形幅度變化不大，車架表現為彎曲狀態；車架在第5階振型中變形開始向長度方向擴散；最大變形產生于第6階振型，變形區由正下方想兩端擴散，車架表現為彎曲狀態。

表2 行走車架模態分析數據

模態分析的核心目的是避免共振，只要低階模態滿足不發生共振的要求，行走車架的動態特性就比較好。由結果知，車架的前三階頻率為56.562 Hz，64.627 Hz、66.93 Hz。行走車架工作與電動機引起的振動頻率變化范圍：25～30 Hz，安全范圍為固有頻率遠離激勵頻率10%～20%。車架一階模態固有頻率56.562 Hz，故遠離激勵頻率88.54%，顯示出車架動態性能良好［7］。

3 總結

本文采用了Solid Works替代 Ansys Wor kbench對行走車架進行三維建模，使工作量大為減少，大大提高了研發效率，縮短了設計周期。通過對行走車架模型進行靜力分析計算可以看出，車架在實際工況下能夠滿足其力學性能要求；通過對行走車架進行模態分析知，車架能夠避開共振頻率，驗證了設計的合理性。從分析結果里知道，可以對行走車架內部肋板部分，進行進一步改進，減小車架的變形。這里同時驗證了，Wor kbench對行走車架進行的有限元分析方法的可靠性，為車架的強度設計提供了理論依據。

［1］李 雪，宋 光，佟云龍.論橋式刮板取料機［J］.中國新技術新產品，2012（01）：104－105.

［2］郭天綱.橋式刮板取料機結構分析及料耙研究［D］.沈陽：遼寧工程技術大學圖書館，2007.

［3］唐興華.圓形料場取料行走機構設計分析［J］.機械設計與制造，2012（11）：195－197.

［4］呂 端，曾東建，于曉洋，等.基于 ANSYS Wor kbench的V8發動機曲軸有限元模態分析［J］.機械設計與制造，2012（08）：11－13.

［5］吳丙勝，胡明偉，陳秋平.基于 Ansys Workbench的圓管帶式輸送機桁架結構的有限元分析［J］.起重運輸機械，2013（03）：6－9.

［6］李海洋.刮板式取料機取料臂的結構形式分析［D］.北京：清華大學圖書館，2012.

［7］衛良保，曾龍修.叉車車架有限元模態分析與結構改進［J］.工程機械，2012（43）：47－50.