基于有限元法的頂堆側取刮板臂架鋼結構分析

耿 雨孔 飛（.北方重工集團有限公司，遼寧 沈陽 04；.沈陽飛機工業（集團）有限公司，遼寧 沈陽 04）

基于有限元法的頂堆側取刮板臂架鋼結構分析

耿 雨1孔 飛2
（1.北方重工集團有限公司，遼寧 沈陽 110141；2.沈陽飛機工業（集團）有限公司，遼寧 沈陽 110141）

本文采用有限元的方法對頂堆側取中刮板臂架的鋼結構進行了靜力學分析，得出了變形和應力結果。為與強度、剛度相關的設計提供了數據支持。

頂堆側取；鋼結構；有限元；靜力分析；剛度；強度

1 引言

頂堆側取式堆取料機是一種新型環保且具有混勻功能的堆取料機，多用于大容量原煤儲料車間。料場采用封閉式廠房，提高了土地利用率，杜絕了因粉塵對料場附近環境的污染。現在廣泛應用于煤礦、鋼廠、電廠、散料物流等領域。

作為頂堆側取中重要的一部分，刮板臂架起到支撐刮板輸送系統運行的重要作用。刮板臂架的剛度及強度是否符合要求是頂堆側取取料裝置部分能否安全、順暢運行的前提。以往的傳統計算方法在計算精度及局部剛度、強度計算方面還有很多無法解決之處。本文簡單論述了如何采用有限元的方法對頂堆側取中刮板臂架的鋼結構進行靜力學分析，以校核刮板臂架的強度及剛度。

2 刮板臂架鋼結構強度、剛度分析

2.1有限元分析模型的建立

刮板臂架底部與門架鉸接；中上部設有鋼絲繩吊點；沿刮板臂架分布著上下導槽；在刮板臂架頭部安裝有改向鏈輪組及液壓張緊裝置；在刮板臂架尾部有驅動鏈輪組及驅動裝置。刮板刮著物料在導槽中沿刮板臂架運動以實現取料的功能。整個刮板輸送系統可通過鋼絲繩對刮板臂架的牽引實現繞底部鉸點作從水平至上仰38.5°的俯仰運動，同時通過門架的運動實現在水平面內繞料場中心的回轉運動。

為了提高計算效率，模型的建立過程中可將不重要區域的小孔、小尺寸結構及工藝結構忽略。在有限元分析方法中我們需要將分析模型不同的部位簡化為不同種類的離散單元來模擬結構的實際力學性能。鋼絲繩部分采用桿單元進行模擬（為消除鋼絲繩伸長量對計算結果的影響，需將鋼絲繩材料剛度設置的非常大，使鋼絲繩伸長量近似為0）；鋼板部分采用板單元進行模擬；傳動軸部分采用剛體單元進行模擬。有限元模型如圖1所示。

2.2 載荷及約束

在刮板臂架上主要作用有如下載荷：（1）尾部鏈輪組重量580kg；（2）刮板及鏈條重量27558 kg，沿刮板臂架全長均布；（3）驅動鏈輪組重量2911 kg；（4）刮板驅動重量3435 kg；（5）張緊鏈輪張緊力61600 N；（6）物料摩擦阻力15720N；（7）切削阻力10000 N；（8）刮板回轉摩擦阻力13270 N；建模部分自重由程序自動生成。

在刮板臂架尾部回轉鉸點約束除繞俯仰鉸點俯仰轉動外所有自由度，鋼絲繩定滑輪處約束所有平移自由度。

2.3 計算工況的選取

對于刮板臂架剛度，應選取臂架所受彎矩最大工況，即水平工況。

對于刮板臂架強度，由于刮板臂架在工作過程中存在水平與上仰38.5°兩種極限工況，所有此結構需分兩種工況進行分析：Ⅰ、刮板臂架水平；Ⅱ、 刮板臂架上仰（臂架與水平面成38.5°角）。

2.4 計算結果

根據GB/T 3811-2008 《起重機設計規范》中相關規定，刮板臂架在吊點前的懸臂部分變形量應小于懸臂部分長度的1/300；在俯仰鉸點與鋼絲繩吊點之間部分變形量應小于俯仰鉸點與鋼絲繩吊點間距離的1/600。

本結構材料為Q235-A，材料的屈服強度為235MPa，鋼材的彈性模量E=206000MPa，泊松比為0.3，密度P=7.85×103。依據JB/T8849-2005《移動式散料連續搬運設備鋼結構設計規范》中的規定，其許用應力為160 MPa。

經分析計算后得出的變形結果如圖2所示。由圖2中可看出刮板臂架在吊點前的懸臂部分變形量為7.5mm，小于懸臂部分長度10000mm的1/300；在俯仰鉸點與鋼絲繩吊點之間部分變形量為28.29mm，小于俯仰鉸點與鋼絲繩吊點間距離24645mm的1/600。

經分析計算后得出的應力結果如圖3、圖4所示。現將應力計算結果匯總為表1。由表1可以看出；此臺設備刮板臂架各工況的應力均未超過許用應力；最大應力始終在張緊液壓缸支座處，且應力大小基本不變，這是由于液壓缸的張緊力在各個工況是相同的；主截面的應力值在水平工況下最大，但遠小于材料的許用應力值。

表1 應力計算結果匯總表

圖1 刮板臂架有限元分析模型

圖2 變形云圖

圖3 工況Ⅰ應力云圖

圖4 工況Ⅱ應力云圖

結語

由分析結果可看出，此臺頂堆側取式堆取料機的刮板臂架剛度及強度均滿足規范要求，且整體應力值較小，可對其進行進一步的優化，減輕設備的重量。同時，通過計算還可以精確的得出俯仰鉸點的支反力和鋼絲繩的拉力，為頂堆側取堆取料機其它部件的設計提供了準確的數據。

[1]GB/T 3811-2008，起重機設計規范[S].

[2]JB/T 8849-2005，移動式散料連續搬運設備鋼結構設計規范[S].

TG31

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