基于可靠性斗輪機的結構優化

陳立國 鄭東霞 肖禹 黃宇慧

中國電建集團長春發電設備有限公司 吉林長春 130000

1 基于可靠性斗輪機的結構優化研究

1.1 斗輪機的結構及工作原理簡介

斗輪機的主要結構有回轉機構、斗輪機構、行走臺車尾車、帶式輸送機以及俯仰結構。斗輪機構是用于取料的執行結構，由斗輪和斗輪的驅動裝置組成；俯仰結構是斗輪機進行工作的核心結構，也是整個斗輪機中受力最復雜的結構，工作方式有取料和堆料兩種，在進行取料工作時，物料由斗輪帶動進入帶式輸送機，由帶式輸送機運走，同時通過俯仰結構的選擇和上下移動選擇取料位置，以便于將料堆取盡，而堆料過程與之相反，由輸送機將物料放在臂架的傳輸帶上，由傳輸帶送到斗輪處，拋灑在料場上，然后通過臂架的旋轉、俯仰保證料堆成梯形斷面分布。斗輪機是連續規律工作的，易實現自動化，在控制方式上分為手動、半自動以及自動三種，而俯仰結構是斗輪機的核心結構，它的靈活性是斗輪機工作效率的關鍵，所以對俯仰結構進行優化設計是至關重要的，將它的重量作為一個優化目標，在滿足其它條件的情況下，重量越小越好，所以文章以斗輪機的俯仰結構作為研究對象進行可靠性優化設計[1]。

1.2 斗輪機俯仰結構可靠性優化設計的理論分析

在傳統機械設計中，大多采用材料強度的許用應力作為約束條件進行設計，這樣的方法簡單易行，具有一定的參考價值，已被大多數的設計者采用，但卻忽略了參數的隨機性和離散性兩個最很重要的因素，所以設計的工業產品在進行安全系數選擇時具有很強大的近似性和經驗性，不是符合客觀實際的最優方案，也不能定量的反應工程系統的可靠性，所以有必要引入機械可靠性設計對斗輪機俯仰機構進行優化設計。在機械設計中，為保證結構的安全工作，通常將設計的結構強度高于系統的工作壓力，但對于可靠性設計來說，由于結構的強度值與應力值都具有很大的離散性，所以應力強度仍然有可能高于結構的強度，即結構存在失效的可能性。因此，我們應運用現代機械可靠性設計的理論，在忽略設計參數的隨機性和離散型條件下，建立了基于可靠性的斗輪機結構優化設計模型，對斗輪機結構進行優化設計，引入可靠性許用應力的新概念。對于可靠性優化設計來說，主要目的是研究將機械設計與機械可靠性設計進行有機結合的可能性。綜合兩種機械設計理念，使設計在滿足定量可靠性的前提下，進行機械設計不能定量的可靠性設計，用精確的理論設計取代傳統的經驗近似設計，使斗輪機在作業中能夠靈活俯仰以及選擇，對它的俯仰結構進行可靠性的優化設計，具有很大的經濟效益和實用價值[2]。

1.3 斗輪機可靠性優化設計

在常規機械優化設計中，所建立的強度約束條件大多沿用傳統的安全系數概念，并給出一個安全程度不確定的許用應力，這種方法雖簡便易行，已被廣泛采用，但忽略了兩個重要因素，即參數的隨機性和離散性，因而很難設計出符合客觀實際的最優方案，而且安全系數的選擇帶有很強大的經驗性和近似性，不能定量地反映可靠程度，所以有必要引入機械可靠性設計。

為保證結構安全正常工作，通常要求結構強度高于其工作應力。但在可靠性理論中，由于結構的強度值與應力值的離散性，使應力強度兩個概率密度函數曲線在一定條件下可能相交，因而即使結構的強度高于其工作應力，仍存在失效概率。因此對于現行優化設計中的一些不足，使我們急需建立基于可靠性的斗輪機結構優化設計數學模型，不考慮設計參數的隨機性和離散性以及設計結果不能定量反映可靠度大小的不足之處，斗輪機的俯仰鋼結構為優化設計對象，運用機械可靠性設計的基本理論，提出了一種簡便適用的新概念，即可靠性許用應力，從而將可靠性設計巧妙地引入機械優化設計中。

基于可靠性的斗輪機結構優化設計的目的就是要探索將機械化設計與機械可靠性設計相結合的可行性。綜合兩種先進的設計思想的優點，彌補單純機械化設計不能定量地反映產品可靠程度的不足，使設計在滿足定量可靠度的前提下達到最佳的優化效果[3]。

2 俯仰鋼結構的優化設計

由于斗輪機俯仰鋼結構既是斗輪機的關鍵受力部位，又是核心結構件。要保證斗輪機安全可靠的運行，則要求俯仰鋼結構的最大工作應力不得超過可靠性許用應力。因此要對俯仰鋼結構進行優化設計，在機械可靠性設計的基本理論當中應用公式進行變差系數的計算。其中應注意在機械可靠性設計中，不能再把參數看做定值，而要視為離散的隨機變量。這樣可使分析計算簡便，且計算結果與按設計變量間函數關系進行計算的結果很接近。此外，用變差系數還可以部分地減輕對有關材料強度、作用負荷、結構尺寸等統計特征數據的要求。取水平臂架和立柱截面尺寸以及前拉桿、平衡重拉桿和撐桿的截面積為設計變量；設立目標函數，以俯仰鋼結構的自重最輕、即鋼結構的體積最小為目標，表達式是各構件截面積與其相應長度的乘積；考慮設計優化的約束條件，斗輪機的俯仰鋼結構的邊界尺寸條件，為保證制造工藝和耐久性，防止銹蝕和變形，鋼板厚度一般要不小于6mm。

3 結語

首先對斗輪機的結構和工作原理進行了詳細的描述，并論述了斗輪機進行優化設計的必要性，然后通過與傳統設計方法對比，說明了可靠性優化設計的理論和優勢，最后對斗輪機俯仰機構的可靠性優化設計的關鍵理論進行了探討，并結合優化結果與生產實際說明了這種優化設計方法的意義，為斗輪機的生產者和使用者提供了有效的理論支持，也為同類型的工程機械進行優化設計提供了一種有效的借鑒方案。