懸臂式斗輪取料機(jī)臂架優(yōu)化設(shè)計(jì)

湯建國， 賀水冰

（南通潤邦重機(jī)有限公司 技術(shù)中心，江蘇 南通 226013）

0 引言

懸臂式斗輪取料機(jī)（以下簡稱取料機(jī)）是現(xiàn)代化工業(yè)散狀物料連續(xù)裝卸的高效設(shè)備，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于港口、碼頭、礦廠等散料（礦石、煤、砂石）存儲料場的取料作業(yè)。其取料過程是通過斗輪旋轉(zhuǎn)和臂架輸送配合實(shí)現(xiàn)的。物料通過臂架帶式輸送機(jī)輸送至中心料斗處，卸至料場帶式輸送機(jī)運(yùn)走。通過整機(jī)的運(yùn)行，臂架的回轉(zhuǎn)、俯仰，可使斗輪將儲料堆的物料取盡。因此臂架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求極高，必須同時滿足在各工況下強(qiáng)度、穩(wěn)定性的要求。

本文就優(yōu)化臂架桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在臂架自重基本不變的情況下，提高臂架的機(jī)械性能，以及便于后期維修、更換等，同時大幅減少臂架結(jié)構(gòu)耗材和制作成本。

1 臂架結(jié)構(gòu)分析

臂架一般選用桁架結(jié)構(gòu)，桁架結(jié)構(gòu)有重量輕、成本低的優(yōu)點(diǎn)。本文截取了傳統(tǒng)臂架設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)三維圖，并以此為例來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖1所示臂架部分結(jié)構(gòu)。

圖1 斗輪臂架部分結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)臂架桁架結(jié)構(gòu)主框架由H型鋼組成，而側(cè)面則均采用無縫方管作為斜撐、橫撐及豎撐，對于此部分臂架鋼結(jié)構(gòu)中無縫方管占此部分總重約30%，并且由于斜撐、橫撐及豎撐均采用焊接，工藝要求高，安裝、拆卸不方便。現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)如下：采用兩角鋼背靠背連接的方式，角鋼之間采用連接板錯位焊接，角鋼端頭采用鉆打螺紋孔，與臂架主框架結(jié)構(gòu)中連接板采用螺栓連接的方式。

傳統(tǒng)臂架撐桿采用無縫方管焊接（圖2（a）），優(yōu)化后臂架撐桿采用兩根角鋼錯位焊接（圖2（b））。

由圖2可見，傳統(tǒng)撐桿只可采用焊接連接設(shè)計(jì)，焊后成密閉結(jié)構(gòu)，焊接要求高（需熔透焊接，并做NDT檢測），有氣密性要求，根據(jù)相應(yīng)設(shè)計(jì)規(guī)范及業(yè)主要求，需做氣密性檢測試驗(yàn)，工藝復(fù)雜；而優(yōu)化后撐桿可采用螺栓連接（亦可采用焊接連接），工藝簡單，制作方便，工人勞動強(qiáng)度小；更重要的是，市場上無縫方管的采購周期及采購成本遠(yuǎn)高于角鋼，相差近幾倍，優(yōu)化設(shè)計(jì)后不僅能節(jié)約成本還能縮短制作周期。

圖2 撐桿結(jié)構(gòu)

2 撐桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算

根據(jù)圖2所示撐桿，得其撐桿截面圖，如圖3所示。

圖3 撐桿截面

本文選用的無縫方管型號為150 mm×8 mm，；優(yōu)化后的撐桿截面選用角鋼125mm×125 mm×10 mm，考慮到撐桿連接板厚12 mm，故兩角鋼間設(shè)計(jì)有橫豎交錯間斷連接板（連接板尺寸120 mm×120 mm×12 mm），經(jīng)計(jì)算得到兩種斜撐截面性能參數(shù)見表1所示。

表1 截面性能參數(shù)表

經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，在單位重量等值的情況下，錯位角鋼撐桿的截面面積和抗扭截面系數(shù)均略大于方管。

由以上數(shù)據(jù)初步分析，撐桿結(jié)構(gòu)在不增加臂架重量的情況下，可以采用背靠背角鋼的連接方式替代原方管連接的方式，性能滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

3 撐桿整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

通過SolidWorks三維設(shè)計(jì)軟件對撐桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)體建模，在不失實(shí)際結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的基礎(chǔ)上對基座進(jìn)行簡化，并忽略對分析計(jì)算影響很小的局部細(xì)節(jié)特征，模型經(jīng)過網(wǎng)格劃分后進(jìn)行有限元分析計(jì)算，對撐桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度等方面進(jìn)行校核。采用一定的后處理方法，能夠直觀準(zhǔn)確得到任意位置的應(yīng)力、應(yīng)變分布，應(yīng)力云圖如圖4所示，位移云圖如圖5所示。

圖4 撐桿應(yīng)力云圖

圖5 撐桿位移云圖

以上分析是基于以下數(shù)據(jù)：撐桿材質(zhì)為Q345鋼，安全系數(shù)n=1.33，許用應(yīng)力［σ］=345/1.33=259.4 MPa。由上述軟件計(jì)算結(jié)果σ=225 MPa＜［σ］，強(qiáng)度滿足要求。

由此可見，優(yōu)化后的撐桿結(jié)構(gòu)在不增加臂架重量的情況下，性能完全滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，可以替代原方管式撐桿結(jié)構(gòu)，并且制作方便、成本低，周期短，同時有利于后期的拆卸、維修更換等。

4 結(jié)語

懸臂式斗輪取料機(jī)臂架設(shè)計(jì)改善后，極大地減少臂架制造難度，降低了耗材和人工成本，縮短了制作周期。且此類撐桿拆卸方便，便于后續(xù)替換、維修，具有一定的實(shí)用性。

［1］ 邵明亮.斗輪堆取料機(jī)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［2］ 辛少彤.SolidWorks入門到精通［M］.北京：人民郵電出版社，2012.