連續式卸船機輔鏈斗安裝失效分析與優化設計

周仲元 譚康超 段建強

寶鋼湛江鋼鐵有限公司

1 引言

連續式鏈斗卸船機是一種利用鏈斗從散礦船艙內挖取物料并將物料通過機內輸送機系統卸至碼頭上的散料卸船機械。寶鋼原料碼頭鏈斗卸船機輔鏈斗在生產作業中曾發生數次損壞現象，失效根源未能確定，給生產、設備維護造成一定的困擾。為解決鏈斗卸船機輔鏈斗安裝失效問題，通過Creo Parametric 5.0對輔鏈斗進行數字三維建模，模擬安裝裝配，并利用其集成的Simulate模塊進行有限元分析及優化結構設計。

2 輔鏈斗有限元分析

2.1 分析參數與模型

根據設計制造廠提供的隨機圖紙資料，通過Creo軟件對輔鏈斗、驅動鼓盤、墊板、高分子抗磨塊進行1∶1尺寸三維建模，并按裝配圖紙的安裝裝配工藝要求對其進行模擬裝配。

鏈斗斗體設計容積0.65 m3，設計礦石比重2.0～3.3 t/m3，按設計最大比重礦種計算，即滿負荷狀態下，每一鏈斗礦石重量為：0.65×3.3=2.145 t。所以按2.145 t載荷進行靜態分析，在載荷選項里面選擇力/力矩選項，對輔鏈斗進行載荷定義，載荷面選輔鏈斗中心區域及前側板。輔鏈斗、墊板、驅動鼓盤皆為Q235B低碳鋼，故模型材料選擇定義為“Steel_low_carbon_heat_treated”；高分子抗磨塊材料選擇“PA66-GF”[1]。本分析擬定其工作狀態為輔鏈斗旋轉作業過程中，鏈斗中自由落體卸下的散礦對輔料斗產生沖擊力的受力狀況，故約束部位設定為驅動鼓盤，約束類型為位移約束[2]。

為了得到裝配模型最準確的有限元分析結果，三維建模、安裝工藝都盡可能吻合設計圖紙及安裝工藝。圖紙中的輔鏈斗、墊板與驅動鼓盤安裝，除了螺栓裝配緊固外，還通過填充焊、點焊固定。所以在分析前，需對模型進行精細化處理。通過Simulate模塊內的“精細模型”工具，對輔鏈斗與墊板、墊板與驅動鼓盤進行焊縫處理。

2.2 靜態分析及失穩分析

2.2.1 靜態分析

靜態分析用來模擬模型結構的剛度和強度，根據約束和載荷條件計算模型的應力和應變。從輔鏈斗有限元分析結果來看，其應力主要集中在輔鏈斗腹板與面板的焊接部位，輔鏈斗與驅動鼓盤連接部位，應力及應變較小，在安全范圍內(見圖1)。應力集中的輔鏈斗腹板與面板焊接部位容易最先出現失效現象，與現場輔鏈斗磨損情況吻合，驗證了有限元分析結果的正確性。同時說明分析時設定的約束集、載荷集是正確的，分析結果可為后續分析提供條件。

圖1 靜態分析結果

2.2.2 失穩分析

失穩分析是在靜態分析結果的基礎上分析模型的穩定性，即模型在載荷作用下是如何發生變形的，以及變形量的大小等。從失穩分析結果可知，在極端情況下，輔鏈斗可能會發生沿驅動鼓盤軸向方向側向偏擺位移，當偏擺位移量過大時，輔鏈斗側翼可能與提升鏈條發生干涉，造成輔鏈斗損壞(見圖2)。輔鏈斗腹板在生產運行中，由于灑落料的沖刷，會造成其一定程度的磨損，導致側向晃動失穩加劇，這也驗證了為什么輔鏈斗失效損壞多發生在投產1年后的原因。

圖2 輔鏈斗失穩分析結果

2.3 失效原因分析

在設計上該結構存在軸向的偏擺位移晃動失穩，輔鏈斗可能與提升鏈條干涉導致損壞。同時，在現場調研發現，施工安裝時未完全按照圖紙裝配工藝要求，對墊板、螺栓進行填焊、點焊處理。輔鏈斗受周期交變負荷沖擊，未填焊、點焊處理容易導致安裝螺栓松動，造成連接失效。

安裝施工缺陷，可通過對墊板、螺栓填焊、點焊消除。結構失穩，可通過優化設計消除。

3 優化設計

從失穩分析結果可知，輔鏈斗結構腹板穩定性存在一定欠缺，可以從輔鏈斗腹板著手，解決輔鏈斗失穩問題。結構強度提升，常見方案有材料加厚、采用高標號材料及失穩處結構加筋等手段。

3.1 材料加厚

材料加厚，可通過Creo的敏感度分析來確認材料厚度變化對結構加固的影響。一般來說，模型上的應力及位移，會隨著材料厚度增加而減少，但材料厚度增加，會造成構件質量大幅度增加。在允許的強度范圍內，應盡量選擇相對薄的厚度。對不同厚度的腹板重新進行失穩分析可知，當輔鏈斗的腹板厚度由8 mm加厚到10 mm后，即可解決輔鏈斗側晃問題。

3.2 采用高標號材料

原設計輔鏈斗材質選用碳素結構鋼Q235B，輔鏈斗腹板厚度需10 mm才不會發生左右偏擺位移現象。在同等厚度，即腹板厚度為8 mm的模型下，修改材料屬性為“低合金鋼”，再次進行分析。從失穩分析結果可知同等厚度，高標號材料失穩結果與低標號加厚材料分析結果類似，采用高標號材料可滿足使用要求。

3.3 失穩部位加筋

對失穩分析結果中腹板開始發生形變部位添加加強筋，對模型重新分析。從失穩分析結果可知，輔鏈斗腹板加筋后，輔鏈斗側向偏擺位移量相當小，可解決輔鏈斗側向形變位移現象(見圖3)。

圖3 加筋優化后失穩分析結果

從優化設計后的失穩分析結果可知，材料加厚、采用高標號材料及失穩部位加筋，均可解決輔鏈斗腹板側向偏擺位移晃動失穩現象，可從根源上消除輔鏈斗因晃動與提升鏈條干涉損壞的隱患。材料加厚及采用高標號材料需更換輔鏈斗總成，因此這兩個方案更適合制造廠設計制造階段采用。失穩部位加筋，可在用戶現場施工解決。

4 結語

通過應用Creo Parametric 5.0的三維建模、模擬裝配、靜態分析、失穩分析、局部敏感度分析、優化設計功能，從根源上找出寶鋼原料碼頭的連續式鏈斗卸船機的輔鏈斗安裝失效原因，并給出結構設計優化方案的科學依據，解決了輔鏈斗作業中的安裝失效損壞故障。