堆取料機門架結構的優化與機械設計

張浩，高鵬

（北方重工集團有限公司工程成套分公司，遼寧 沈陽 110141）

堆取料機門架結構的優化與機械設計

張浩，高鵬

（北方重工集團有限公司工程成套分公司，遼寧 沈陽 110141）

堆取料機是一種大型的環保機械設備，它廣泛應用于港口、化工企業等，具有較強的裝卸、輸送等功能，其應用的穩定性和可靠性也成為了實踐中所關注的內容。為了提升堆取料機的性能，我們需要關注堆取料機的門架結構設計與優化，由于堆取料機的門架是重要的承載機構，要對其進行優化設計，使堆料高度產生改變，提升機械結構的穩定性和可靠性。

堆取料機；門架結構；優化

在廣泛的散裝物料存儲和堆取過程中，堆取料機是一種連續、高效運輸的大型機械，為提升機械結構的穩定性，需要對堆料機的門架結構進行優化設計，如門架的變幅機構和截面機構，根據堆取料機的結構組成和原理，對門架結構的強度、剛度和屈曲穩定性進行優化設計，從而提高機械應用效能。

1 堆取料機綜述

應用于熱力發電廠、礦場之中的堆取料機根據不同的應用場所，可以呈現出不一樣的特點，它分類主要為：依照應用場所的不同，可以分為圓形堆取料機和條形堆取料機；依照結構不同，可以分為門式堆取料機和懸臂式堆取料機；依照取料設備的不同，可以分為刮板式堆取料機和斗輪式堆取料機。

2 堆取料機門架結構的優化設計分析

2.1 堆取料機門架結構的變幅機構優化設計

門架式堆取料機的堆料結構是一種桁架結構，它可承載物料傳送的負荷，其內部有縱向加強筋和橫向加強筋，可以承受變幅鋼絲繩傳遞而來的荷載。

2.1.1 門架結構的變幅機構受力分析

在進行取料作業時，可以根據料堆的高度，對變幅鋼絲繩變幅，如圖1所示。上述門架變幅機構的構成之中，1為變幅上鉸點；2為門架；3為取料耙；4為變幅下鉸點；5為取料耙變幅鋼絲繩；6為門架跟鉸點。

要對門架的變幅機構進行結構簡化設計，根據力學知識，取料耙變幅機構的受力作用下面圖，如圖2所示。

在圖2中的A坐標原點中，各個鉸點的初始坐標如圖，分別為A、B、C、D、E、H，а是HB與水平線之間的夾角；β是刮板與水平線之間的夾角；E是刮板中心。當其進行取料作業時，取料耙圍繞鉸點A進行旋轉，而鉸點B和鉸點D是固定不動的，鉸點H圍繞A進行旋轉。通過合理的簡化設計，在力平衡和力矩平衡的狀態下，可以對變幅鋼絲繩和不同的鉸點進行受力計算，根據不同的作業能力參數，采用MATLAB計算軟件，構建堆取料機的動力仿真模型，進行模型求解。

圖1 門架式堆取料機的機械結構構成

圖2 取料耙變幅機構的受力作用下面圖

2.1.2 優化設計變量

通過對變幅機構的受力分析，可以選取其優化變量，即：xH、XB、yB，根據如下公式，可得優化變量X為：

2.1.3 優化約束條件

對門架變幅機構的約束條件的優化，可以從邊界約束和結構性能約束兩個方面加以分析：

（1）邊界約束。

通過優化計算，可以獲取相應的變量范圍，尋求最佳點，其表達式為：

（2）結構性能約束條件。

為了使門架變幅機構能夠在幾何約束條件下，進行優化的設計，實現良好的機械運動狀態，需要對其結構約束條件加以計算，并表達如下：

2.1.4 優化目標函數

在對門架變幅機構的優化目標函數表達過程中，要明晰其受力特征，在變幅鋼絲繩受力越小的狀態下，門架變幅機構的荷載越小，因而，可以對變幅機構的目標函數加以優化設計，計算公式為：

2.2 堆取料機的門架截面優化與機械設計

堆取料機的門架截面在以往的實際應用中，是采用類比和試湊的方式，對門架截面的尺寸規格進行設計，這種方法較為繁瑣，沒有優越的實用性特征。因而，可以采用遺傳算法，對堆取料機的門架截面進行初始參數的優化，從而得到最優解，合理地進行受力分布。

對門架截面尺寸的優化，可以采用遺傳算法的優化方式，有效地對鋼結構截面進行優化，在MATLAB遺傳理論之下，可以使材料得到合理的分配，在箱形結構中，有a、b、c、d、e、f、g七個參數，根據這七個參數，可知門架截面形心軸的慣性矩計算公式為：

形心軸的抗彎截面系數公式為：

由以上兩個公式，可以得出門架結構的截面面積為：

2.2.1 優化門架結構截面設計變量

對門架結構截面設計的優化是依照目標函數變量而變化的，在變量的科學合理設計前提下，可以對截面參數進行改變，從而，可以使堆取料機的門架結構的受力更為合理。其變量可以優化設計為：

在上述公式之中，a1、b2、c3、d4、e5、f6、g7主要是表示AB段的截面參數；a8、b9、c10、d11、e12、f13、g14主要是表示BC段截面參數；a15、b16、c17、d18、e19、f20、g21主要是表示CD段的截面參數。

2.2.2 優化設計約束條件

對于門架結構的優化設計，要設定其邊界約束條件和結構性能約束條件的值。從邊界約束條件來說，要使門架結構在合理的上下限范圍之內，確保門架結構的穩固與合理，這就需要對門架結構的各個變量的取值范圍加以設定，要建構21個邊界約束。對于結構性能約束條件來說，主要是建構13個性能約束，以使門架結構的性能達到合理的要求，在對這兩個約束條件的設計之下，可以建立如下目標函數，以達到門架體積的最小值：

在這個優化目標函數之中，l1、l2、l3是用于表達門架各段的長度，用mm表示；A1、A2、A3是用于表達門架各段的截面積，用mm2表示。

2.2.3 選取優化算法

對于門架結構的截面優化可以選用遺傳算法和MATLAB遺傳算法工具箱，由于它是一種非線性單目標優化問題，因而，造用遺傳算法更為科學合理，可以滿足不同結構的設計要求，保證結構材料的強度、剛度和穩定性。

在對堆取料機的門架結構的力學分析條件下，可以對其單位荷載進行計算分析，對堆取料機的門架變幅機構和截面結構進行優化設計和分析，并在相關參數運用的前提下，優化設計目標函數模型，并在MATLAB遺傳算法工具的應用之下，可以得到優化的求解結果，從而對堆取料機的門架結構的強度、剛度和整體穩定性進行計算，在合理改善應力分布的狀態下，減輕門架自重，提升其安全性能。

[1]齊寶庫，滕儒民，苗明，李杰.基于遺傳算法的頂堆側取料機門架截面優化設計[J].建筑機械，2015(4).

[2]周游，張洋.關于國內外堆取料機現狀智能化研究[J].科技創新與應用，2014(9).

TH237

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1671-0711（2016）11（上）-0071-02