基于ANSYS的作業(yè)裝置回轉(zhuǎn)機構(gòu)的受力分析與設計

張理想，黃胤真，區(qū)思榜

（廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州 545007）

0 前言

近年來，隨著國家環(huán)保政策的變化，很多物料都采用集裝箱進行運輸。為了確?；疖囋谶\輸時不受偏載，達到安全要求，集裝箱內(nèi)的物料（如干煤、鐵礦粉等）在運輸之前需要平整。常見的平整方式主要依靠人力，危險性高、效率低、成本高，而且受各方面因素的影響。作業(yè)裝置是基于裝載機平臺針對火車集裝箱開發(fā)的一款平整工具，如圖1所示。

圖1 裝置作業(yè)示意圖

由于作業(yè)裝置是通過連桿機構(gòu)與裝載機連接，且工作方向幾乎與集裝箱的長度方向平行，通過裝載機整機移動調(diào)整需要平整物料的方向與寬度，既困難又浪費時間。所以需要設計一種回轉(zhuǎn)機構(gòu)，附屬于作業(yè)裝置上，用于調(diào)整物料平整的方向與寬度。

1 回轉(zhuǎn)機構(gòu)結(jié)構(gòu)及工作原理

回轉(zhuǎn)機構(gòu)是作業(yè)裝置中直接與物料接觸的部件，可以實現(xiàn)根據(jù)集裝箱中堆尖物料的位置，調(diào)整作業(yè)角度，將堆尖物料平整。其主要由垂直伸縮臂、刀板組件、回轉(zhuǎn)支座、油缸等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。垂直伸縮臂3用于調(diào)整插入物料的深度，刀板組件1可以通過油缸4與回轉(zhuǎn)支座2組成的回轉(zhuǎn)機構(gòu)繞著回轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)，通過油缸4的往復運動，調(diào)整耙平物料的角度和寬度。

圖2 回轉(zhuǎn)機構(gòu)示意圖

2 回轉(zhuǎn)機構(gòu)的有限元分析

2.1 工況分析

回轉(zhuǎn)機構(gòu)主要工作情況為，先調(diào)整好刀板組件的工作角度，將刀板組件插入需要平整物料一定深度，通過整機前后移動的過程，刀板組件將物料平整。因此，在工作過程中回轉(zhuǎn)機構(gòu)所承受的載荷主要是當?shù)栋褰M件插入物料之后，在裝載機前后移動時，物料對刀板產(chǎn)生的阻力。在回轉(zhuǎn)中心的作用下，經(jīng)油缸傳遞給支座。

由此看來刀板受力的情況有2種，分別是正載和偏載工況。在正載工況下，物料產(chǎn)生的阻力均勻的分布在刀板的長度方向上，與刀板運動的方向相反，并垂直于刀板；偏載工況下，由于物料的不均勻分布或者刀板與集裝箱發(fā)生碰撞，只有一側(cè)受力。其中偏載的受力情況較為常見，且此工況下的回轉(zhuǎn)機構(gòu)受力比較大，需對偏載工況進行強度校核[1]。

2.2 模型建立

為了簡化模型，在計算時忽略焊縫對整體結(jié)構(gòu)強度的影響，只需要考慮垂直伸縮臂、回轉(zhuǎn)支座、刀板組件、油缸組成的回轉(zhuǎn)機構(gòu)的強度。將簡化后的三維實體模型導入ANSYS軟件，如圖3所示。

圖3 回轉(zhuǎn)機構(gòu)模型

2.3 材料定義、約束與載荷

回轉(zhuǎn)機構(gòu)零件采用Q345鋼，材料參數(shù)如下：密度7.85 g/cm3、彈性模量210 MPa、泊松比0.3、屈服極限強度為345 MPa[2]。網(wǎng)格類型劃分為六面體[3]，如圖4所示。由于回轉(zhuǎn)機構(gòu)在工作時油缸是鎖死的，分析結(jié)果不關注油缸的受力情況，因此將油缸簡化成一根剛度無限大的連接桿。根據(jù)作業(yè)裝置的工作方式，建立約束與載荷模型[4]，如圖5所示。偏載力F的計算情況如下：

圖4 回轉(zhuǎn)機構(gòu)網(wǎng)格圖

圖5 回轉(zhuǎn)機構(gòu)約束與載荷圖

由于作業(yè)對象主要為干煤炭（密度1.4 kg/m3）和鐵礦粉（密度4.89 kg/m3），2種物料一般是混合運輸，取其平均密度約為3.15 kg/m3，根據(jù)物料在作業(yè)過程中的流動性，決定選取在作業(yè)面前端0.6 m內(nèi)的物料會對作業(yè)裝置產(chǎn)生阻力，耙刀板的插入物料深度為0.45 m，作業(yè)面的寬度為2.5 m，因此由物料產(chǎn)生的阻力（偏載力）F的計算結(jié)果為：

式中：V為產(chǎn)生阻力的物料的有效體積（m3）；ρ為物料平均密度；H為插入物料深度（m）；L為產(chǎn)生阻力的物料長度（m）；W為作業(yè)面的寬度（m）。

根據(jù)計算得出F≈20 000 N。

2.4 有限元結(jié)果分析

通過分析得到回轉(zhuǎn)機構(gòu)的應力云圖和變形位移圖，分別如圖6和圖7所示。從分析結(jié)果可以看出，最大等效應力出現(xiàn)在回轉(zhuǎn)支座的與垂直伸縮臂的端部連接出，其值為118.24 MPa，遠遠低于材料的屈服強度345 MPa，安全系數(shù)約為2.9，結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生塑性變形。最大變形位移約19 mm，變形位置集中在受力點附近，應變?yōu)?.003 1。綜合以上結(jié)果可以看出：回轉(zhuǎn)機構(gòu)所受最大應力值遠遠低于材料屈服極限。機構(gòu)產(chǎn)生的是彈性變形，理論計算滿足工況要求[5]。

圖6 回轉(zhuǎn)機構(gòu)應力云圖

圖7 回轉(zhuǎn)機構(gòu)變形位移圖

3 結(jié)束語

主要針對作業(yè)裝置回轉(zhuǎn)機構(gòu)支座進行了應力分析，結(jié)果表明回轉(zhuǎn)機構(gòu)理論計算應力值及變形位移都滿足設計要求，具有實用價值。

在今后的懸臂結(jié)構(gòu)設計方案時，綜合考慮工藝、制造、成本的情況下，應盡可能使懸臂結(jié)構(gòu)的根部受力面積增大，提高結(jié)構(gòu)強度。

結(jié)構(gòu)件設計時應充分考慮工況，對構(gòu)件的受力情況做出準確的定位，通過有限元分析軟件對部件進行應力計算，識別出結(jié)構(gòu)的弱點進行補強，減少故障情況的出現(xiàn)[6]。

通過此機構(gòu)可以代替人力對松散物料的平整，使作業(yè)效率大大提升，主要應用于煤炭、鐵礦粉、細砂、干土等需要平整的工況。目前已在鐵路、港口等需要集裝箱運輸?shù)念I域取得較好工作表現(xiàn)，下一步將會向其他領域進行拓展。