門式刮板取料機門架結構有限元分析

王　浩　劉紅衛　程　佳

（北方重工集團設計研究院，沈陽110141）

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門式刮板取料機門架結構有限元分析

王浩劉紅衛程佳

（北方重工集團設計研究院，沈陽110141）

摘要：門架是門式刮板取料機中的主要承載部件，其結構決定了整機的性能和重量。因此，本文利用ANSYS軟件對門架進行了建模和有限元分析，為門架的具體結構設計與優化提供了理論依據。

關鍵詞：門式刮板取料機門架ANSYS有限元分析

門架式刮板取料機是將刮板取料機設在一門形構架上，取料機的俯仰采用機械式，即通過設在中心立柱附近的卷筒帶動鋼絲繩運動來實現的。門架一端與中心立柱亦采用回轉支承軸承連接，另一端支撐在料場擋料墻上部的圓形軌道上，取料機的回轉通過圓形軌道上的臺車驅動來完成。

1 QGM200 /54 門式刮板取料機主要結構

QGM200/54門式刮板取料機是某自備電廠輸料系統中料場取料設備，其主要由門架、固定端梁、擺動端梁和刮板輸送系統組成。門架結構長度跨距54米，高23米，寬度支撐跨距7米。門架結構全部用鋼板和型鋼焊接或有螺栓聯接而成。

2 門架的模型建立及分析

2.1 模型主要結構

QGM200/54門式刮板取料機門架結構全部由型鋼和鋼板焊接或栓接成的結構，根據結構特點和受力情況,有限元分析時把鋼結構各部分均等效為三維彈性板單元和三維彈性梁單元。劃分有限元后得到17815個板單元，103個梁單元，節點總數為47287個。

2.2 模型單元特性

取料機門架鋼結構是由多種型鋼桿件和鋼板組合成的空間結構，受有三維方向的力和彎矩作用，根據結構特點和受力情況,有限元分析時簡化成空間強支撐框架結構，結構中型材構件均等效為三維彈性梁單元BEAM189，鋼板焊接部分簡化成三維彈性板單元，兩種單元的特性分述如下：三維彈性板單元每個節點具有6個自由度，即沿X、Y、Z軸移動和繞X、Y、Z軸轉動。該單元由4個結節點確定，結構分析中該單元所需輸入的參數。三維彈性梁單元是具有拉伸、壓縮、扭轉和彎曲功能的單軸單元，在每個節點上具有6個自由度，即沿X、Y、Z軸移動和繞X、Y、Z軸轉動。該單元由三個節點確定。

2.3 模型中節點的確定遵循如下原則：

（1）結構各部分連接點為模型的節點；

（2）結構施力點為模型的節點。

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。門架結構單元圖如圖1所示。

圖1 門架結構單元圖

2.4 邊界條件約束

取料機門架結構分別通過頭部和尾部鉸接結構與固定端梁和擺動端梁聯接，有限元分析時將門架結構與固定端梁兩處鉸接點分別約束X、Y、Z三方向的線位移，門架結構與擺動端梁聯接的球鉸點約束Y、Z兩方向的線位移。

3 載荷分析

3.1 門架結構作用載荷

（1）變幅機構載荷：卷揚機構P1=2500kg；定滑輪組P2=702kg；卷揚鋼繩力T2（見刮板輸送系統對門架作用力）。

（2）控制室及掛架P3=4498kg。

（3）主刮板驅動裝置、驅動鏈輪組、導料槽P4=7494kg。

（4）主刮板鏈條張力F1=104KN。

（5）刮板輸送系統對門架作用力。刮板輸送系統與門架連接處是刮板對門架載荷的作用點，其載荷值由刮板輸送系統結構受力分析計算而得如下：定滑輪點作用力T1、T2；擺動端梁側副刮板對門架作用力P5x、P5y；固定端梁側主刮板對門架作用力P6x、P6y；副刮板在大車運行方向阻力F2=10360N；副刮板在大車運行方向阻力F3=17640N；當刮板在不同位置時，其對門架作用力見表1。

（6）梯子、欄桿Q2=100kg/m2（沿門架均布）。

（7）風載基本風壓W=80kg/m2（僅計算橫向風載）。

（8）門架結構自重80170kg。

3.2 載荷組合

結構載荷按表2進行組合

表1 刮板輸送系統對門架作用力

表2 載荷組合

由載荷組合，取刮板輸送在三個不同位置（0°、20°、37°）時工作情況，共有九種工況：

工況一，主刮板0°副刮板0°,第Ⅰ種載荷組合；工況二，主刮板0°副刮板0°,第Ⅱ種載荷組合；工況三，主刮板0°副刮板0°,第Ⅲ種載荷組合；工況四，主刮板20°副刮板18°,第Ⅰ種載荷組合；工況五，主刮板20°副刮板18°,第Ⅱ種載荷組合；工況六，主刮板20°副刮板18°,第Ⅲ種載荷組合；工況七，主刮板35°副刮板37°,第Ⅰ種載荷組合；工況八，主刮板35°副刮板37°,第Ⅱ種載荷組合；工況九，主刮板35°副刮板37°,第Ⅲ種載荷組合。我們選取工況最惡劣的工況九對門架進行分析計算。

4 計算結果

結構計算輸出結果時，應力云圖中單位均為MPa。結構變形值單位為mm。

4.1 強度計算結果（如圖2、圖3）

4.2 計算結果分析

取料機門架鋼結構型材和鋼板材料均為Q345E。鋼材的力學特性如表3所示。

根據載荷的類型，選取安全系數n=1.2,則許用應力：［σ］=288 Mpa，門架最大應力為268.16 MPa，小于許用應力，結構變形也在允許的范圍內，因此門架整體滿足設計要求。

圖2 工況九門架結構整體應力圖

圖3 工況九門架結構局部應力圖

表3 鋼材的力學特性

5 結論

本文利用ANSYS對門式刮板取料機的門架進行了建模和有限元分析，為其詳細設計與進一步的結構優化提供了理論依據。

參考文獻

［1］張洪信，趙清海.ANSYS有限元分析完全自學手冊［M］，北京，機械工業出版社，2008.

［2］王少懷.機械設計師手冊［M］，北京，電子工業出版社，2006.

［3］中華人民共和國建設部.GB50017-2003鋼結構設計規范［S］，北京，中國計劃出版社，2003.

Finite Element Analysis of Portal Scraper Reclaimer Portal-frame Structure

WANG hao, LIU Hongwei, CHENG Jia
（Design and Research Institute ,Northern Heavy Industries Group, Shenyang 110141）

Abstract:The portal-frame is the main load-bearing component of the Portal scraper reclaimer, the structure determines the performance and the weight of the whole machine.So this paper uses the ANSYS method to model and make finite element analysis. It will provide theory basis to the design of the portal-frame and further improvement.

Key words：portal scraper reclaimer, portal-frame, ANSYS finite element analysis