基于有限元法的頂堆側(cè)取刮板臂架鋼結(jié)構(gòu)分析

耿 雨孔 飛（.北方重工集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 04；.沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 04）

基于有限元法的頂堆側(cè)取刮板臂架鋼結(jié)構(gòu)分析

耿 雨1孔 飛2
（1.北方重工集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110141；2.沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

本文采用有限元的方法對(duì)頂堆側(cè)取中刮板臂架的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力學(xué)分析，得出了變形和應(yīng)力結(jié)果。為與強(qiáng)度、剛度相關(guān)的設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)支持。

頂堆側(cè)取；鋼結(jié)構(gòu)；有限元；靜力分析；剛度；強(qiáng)度

1 引言

頂堆側(cè)取式堆取料機(jī)是一種新型環(huán)保且具有混勻功能的堆取料機(jī)，多用于大容量原煤儲(chǔ)料車間。料場(chǎng)采用封閉式廠房，提高了土地利用率，杜絕了因粉塵對(duì)料場(chǎng)附近環(huán)境的污染。現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于煤礦、鋼廠、電廠、散料物流等領(lǐng)域。

作為頂堆側(cè)取中重要的一部分，刮板臂架起到支撐刮板輸送系統(tǒng)運(yùn)行的重要作用。刮板臂架的剛度及強(qiáng)度是否符合要求是頂堆側(cè)取取料裝置部分能否安全、順暢運(yùn)行的前提。以往的傳統(tǒng)計(jì)算方法在計(jì)算精度及局部剛度、強(qiáng)度計(jì)算方面還有很多無(wú)法解決之處。本文簡(jiǎn)單論述了如何采用有限元的方法對(duì)頂堆側(cè)取中刮板臂架的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，以校核刮板臂架的強(qiáng)度及剛度。

2 刮板臂架鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(shè)有鋼絲繩吊點(diǎn)；沿刮板臂架分布著上下導(dǎo)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(qū)動(dòng)鏈輪組及驅(qū)動(dòng)裝置。刮板刮著物料在導(dǎo)槽中沿刮板臂架運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)取料的功能。整個(gè)刮板輸送系統(tǒng)可通過(guò)鋼絲繩對(duì)刮板臂架的牽引實(shí)現(xiàn)繞底部鉸點(diǎn)作從水平至上仰38.5°的俯仰運(yùn)動(dòng)，同時(shí)通過(guò)門架的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)在水平面內(nèi)繞料場(chǎng)中心的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

為了提高計(jì)算效率，模型的建立過(guò)程中可將不重要區(qū)域的小孔、小尺寸結(jié)構(gòu)及工藝結(jié)構(gòu)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(jiǎn)化為不同種類的離散單元來(lái)模擬結(jié)構(gòu)的實(shí)際力學(xué)性能。鋼絲繩部分采用桿單元進(jìn)行模擬（為消除鋼絲繩伸長(zhǎng)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，需將鋼絲繩材料剛度設(shè)置的非常大，使鋼絲繩伸長(zhǎng)量近似為0）；鋼板部分采用板單元進(jìn)行模擬；傳動(dòng)軸部分采用剛體單元進(jìn)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(zhǎng)均布；（3）驅(qū)動(dòng)鏈輪組重量2911 kg；（4）刮板驅(qū)動(dòng)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(zhuǎn)摩擦阻力13270 N；建模部分自重由程序自動(dòng)生成。

在刮板臂架尾部回轉(zhuǎn)鉸點(diǎn)約束除繞俯仰鉸點(diǎn)俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì)算工況的選取

對(duì)于刮板臂架剛度，應(yīng)選取臂架所受彎矩最大工況，即水平工況。

對(duì)于刮板臂架強(qiáng)度，由于刮板臂架在工作過(guò)程中存在水平與上仰38.5°兩種極限工況，所有此結(jié)構(gòu)需分兩種工況進(jìn)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(jì)算結(jié)果

根據(jù)GB/T 3811-2008 《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定，刮板臂架在吊點(diǎn)前的懸臂部分變形量應(yīng)小于懸臂部分長(zhǎng)度的1/300；在俯仰鉸點(diǎn)與鋼絲繩吊點(diǎn)之間部分變形量應(yīng)小于俯仰鉸點(diǎn)與鋼絲繩吊點(diǎn)間距離的1/600。

本結(jié)構(gòu)材料為Q235-A，材料的屈服強(qiáng)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(jù)JB/T8849-2005《移動(dòng)式散料連續(xù)搬運(yùn)設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的規(guī)定，其許用應(yīng)力為160 MPa。

經(jīng)分析計(jì)算后得出的變形結(jié)果如圖2所示。由圖2中可看出刮板臂架在吊點(diǎn)前的懸臂部分變形量為7.5mm，小于懸臂部分長(zhǎng)度10000mm的1/300；在俯仰鉸點(diǎn)與鋼絲繩吊點(diǎn)之間部分變形量為28.29mm，小于俯仰鉸點(diǎn)與鋼絲繩吊點(diǎn)間距離24645mm的1/600。

經(jīng)分析計(jì)算后得出的應(yīng)力結(jié)果如圖3、圖4所示。現(xiàn)將應(yīng)力計(jì)算結(jié)果匯總為表1。由表1可以看出；此臺(tái)設(shè)備刮板臂架各工況的應(yīng)力均未超過(guò)許用應(yīng)力；最大應(yīng)力始終在張緊液壓缸支座處，且應(yīng)力大小基本不變，這是由于液壓缸的張緊力在各個(gè)工況是相同的；主截面的應(yīng)力值在水平工況下最大，但遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力值。

表1 應(yīng)力計(jì)算結(jié)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(yīng)力云圖

圖4 工況Ⅱ應(yīng)力云圖

結(jié)語(yǔ)

由分析結(jié)果可看出，此臺(tái)頂堆側(cè)取式堆取料機(jī)的刮板臂架剛度及強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求，且整體應(yīng)力值較小，可對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，減輕設(shè)備的重量。同時(shí)，通過(guò)計(jì)算還可以精確的得出俯仰鉸點(diǎn)的支反力和鋼絲繩的拉力，為頂堆側(cè)取堆取料機(jī)其它部件的設(shè)計(jì)提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

[1]GB/T 3811-2008，起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]JB/T 8849-2005，移動(dòng)式散料連續(xù)搬運(yùn)設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

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