閆海鷹

【摘 要】斗輪斗體的設(shè)計(jì)在斗輪堆取料機(jī)中比較復(fù)雜。其作為斗輪機(jī)工作的核心部件，要求能穩(wěn)定的工作；同時(shí)，來(lái)自于優(yōu)化的因素又要求其盡量的輕。本文根據(jù)實(shí)際運(yùn)用的例子，對(duì)斗體在工作中的受力，靜強(qiáng)度，疲勞強(qiáng)度和屈曲進(jìn)行分析，以對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化和確認(rèn)。

【關(guān)鍵詞】斗輪堆取料機(jī)；斗體強(qiáng)度；屈曲；分析

0 背景

斗輪堆取料機(jī)是廣泛用于料場(chǎng)堆、取散料的裝置，在各個(gè)散貨料場(chǎng)中應(yīng)用十分廣泛，是散貨料場(chǎng)堆取料的主要設(shè)備。

隨著當(dāng)今港口料場(chǎng)的逐步專(zhuān)業(yè)化、大型化，我們對(duì)斗輪堆取料機(jī)的工作能力要求也越來(lái)越高。在取料能力增大的實(shí)踐過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)，能滿(mǎn)足高的生產(chǎn)能力、高的可靠性和高的經(jīng)濟(jì)性的斗體設(shè)計(jì)在這一發(fā)展趨勢(shì)上有很大的阻力。

斗體用來(lái)直接挖取物料，并將挖取的物料運(yùn)送到卸料處。通常情況下，斗輪體上裝置的斗體數(shù)目有6～12個(gè)，斗體的容積根據(jù)生產(chǎn)能力和其他參數(shù)而定。斗體要有合理的形狀，使挖取過(guò)程中的阻力最小。斗體還要有足夠的強(qiáng)度和耐磨性，保證工作過(guò)程安全可靠。

本次以某電廠斗輪機(jī)為例，分析斗體結(jié)構(gòu)的受力，分別從靜強(qiáng)度和屈曲方面進(jìn)行判別，討論斗體的設(shè)計(jì)。

1 斗體的受力分析[1]

在斗輪工作過(guò)程中，斗體所受的挖掘阻力是斗體所受力的主要因素。通常計(jì)算挖掘阻力的方法有兩種：一種是采用單位切割長(zhǎng)度上所受的挖掘力計(jì)算；另一種是通過(guò)計(jì)算單位切屑面積來(lái)計(jì)算挖掘阻力。由于以切割刃長(zhǎng)度表示的單位挖掘阻力，是唯一與切片形狀和面積基本無(wú)關(guān)的參數(shù)，也即不論斗體的切割刃形狀如何，單位挖掘阻力基本上為一常數(shù)。因此，目前采用這一計(jì)算方法的比較多。

2 斗體的強(qiáng)度設(shè)計(jì)與疲勞強(qiáng)度分析

斗體的強(qiáng)度設(shè)計(jì)的原則是，在滿(mǎn)足生產(chǎn)率和工況要求的前提下，合理布置斗體的形狀并選擇適當(dāng)?shù)陌搴?。斗體的工作受力是脈沖式的。所以，斗體的疲勞強(qiáng)度應(yīng)該是強(qiáng)度分析中十分重要的部分，它關(guān)系到斗體的結(jié)構(gòu)疲勞壽命。

2.1 靜強(qiáng)度分析

斗體在工作過(guò)程中所受的是動(dòng)載荷。本文中按照前面所分析的靜載荷進(jìn)行計(jì)算，相應(yīng)的斗體動(dòng)載荷研究受力將是筆者后續(xù)研究的內(nèi)容。

本次強(qiáng)度計(jì)算采用有限元軟件ANSYS11.0進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)前面的理論，采用三維軟件INVENTOR取單個(gè)斗體進(jìn)行實(shí)體建模，三維模型導(dǎo)入ANSYS11.0的workbench進(jìn)行計(jì)算。

這里以1500t/h斗輪堆取料機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)為例，對(duì)斗體的靜強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。用于計(jì)算的INVENTOR模型見(jiàn)圖1。考慮到工作時(shí)候的受力狀態(tài)，對(duì)斗體的約束和加載情況如圖2所示。

加載方面，給了一個(gè)斗口法向的切割力和一個(gè)平行于斗口向外的切割分量。約束方面，對(duì)斗輪鉸軸處進(jìn)行鉸接約束和對(duì)后部進(jìn)行法向位移約束。由于斗體和斗輪架支架有采用螺栓連接，因此現(xiàn)有的約束方式在約束面上存在失真，但這不影響對(duì)結(jié)果的判斷，因?yàn)橹攸c(diǎn)關(guān)注區(qū)域?yàn)槎俘X和外部斗體附近，這些區(qū)域都遠(yuǎn)離約束點(diǎn)了。

2.2 疲勞強(qiáng)度分析

材料、零件和構(gòu)件在循環(huán)載荷作用下，在某個(gè)點(diǎn)或某些點(diǎn)逐漸產(chǎn)生局部的永久性的性能變化，在一定循環(huán)次數(shù)后形成裂紋，并在載荷作用下繼續(xù)擴(kuò)展直到完全斷裂的現(xiàn)象，成為疲勞斷裂或疲勞破壞。

由于斗輪的軸受到循環(huán)變應(yīng)力，根據(jù)疲勞破壞的定義我們知道，即使斗輪靜強(qiáng)度滿(mǎn)足要求，也不能保證其安全，因此需要進(jìn)行疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

疲勞計(jì)算通不過(guò)，通常分為兩種：一種是整體截面或者板厚偏弱，不能滿(mǎn)足工況的需要；另一種是局部結(jié)構(gòu)處理不合理，導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重。改進(jìn)結(jié)構(gòu)是減少應(yīng)力集中的一個(gè)主要的措施。最簡(jiǎn)單的方法是增大零件尺寸，但勢(shì)必影響其輕巧等性能。在零件設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量避免橫截面有急劇突變，在零件的橫截面尺寸和形狀有改變的地方，應(yīng)盡可能用較大的圓角光滑過(guò)渡。鉚釘孔和螺栓孔等都是產(chǎn)生應(yīng)力集中的地方，孔的不同排列得到的峰值應(yīng)力是不同的，因此要尋求最合理的排列形式，以減小峰值應(yīng)力。零件或構(gòu)件上應(yīng)盡可能少開(kāi)缺口，特別是在受拉表面盡量不開(kāi)缺口。如有可能，應(yīng)盡量采用對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，并避免帶有偏心的結(jié)構(gòu)。焊縫是應(yīng)力集中的地部位，設(shè)計(jì)焊接件時(shí)，要合理布置焊縫。零件上用硬印打上的號(hào)碼和標(biāo)志，是容易被忽略的產(chǎn)生應(yīng)力集中的地方。在應(yīng)力集中的部位（如橫向圓孔）附近，可開(kāi)卸載溝槽，以降低峰值應(yīng)力。

斗體的疲勞壽命可按照1000萬(wàn)次循環(huán)考慮，疲勞應(yīng)力低于規(guī)定次數(shù)的疲勞許用應(yīng)力，則認(rèn)為疲勞計(jì)算通過(guò)。經(jīng)過(guò)疲勞計(jì)算分析，根據(jù)圖3的應(yīng)力情況計(jì)算的斗體疲勞強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。

3 斗體的屈曲驗(yàn)算

在計(jì)算局部穩(wěn)定性的臨界屈曲應(yīng)力時(shí)，可以采用Galerkin法或者應(yīng)用德國(guó)鋼結(jié)構(gòu)委員會(huì)頒布的薄板穩(wěn)定性計(jì)算準(zhǔn)則DASt-Richtlinie 012中提出的簡(jiǎn)化方法，后者在工程計(jì)算中的應(yīng)用比較廣泛。

本節(jié)利用ANSYS軟件建立斗輪體的有限元分析模型，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行線性穩(wěn)定性分析，考慮結(jié)構(gòu)的幾何線性與材料線性。分析比較彈性屈曲在斗體結(jié)構(gòu)破壞中的作用。

3.1 結(jié)構(gòu)和載荷特征

斗體結(jié)構(gòu)和受載有比較明顯的特點(diǎn)：開(kāi)口結(jié)構(gòu)、開(kāi)口處受力、周期性間歇載荷等。

3.2 材料特性

斗體結(jié)構(gòu)的材料是Q345B鋼材，密度ρ=7.85×10-9 t/mm3 ，彈性模量為2.06×105 N/mm2 ，泊松比μ=0.3。當(dāng)考慮進(jìn)行材料非線性時(shí)，本文采用雙線性彈塑性模型，見(jiàn)圖4。其中A點(diǎn)為材料的屈服極限，B點(diǎn)為材料的強(qiáng)度極限。

3.3 邊界條件

對(duì)斗體鉸點(diǎn)進(jìn)行鉸約束，對(duì)斗體后端進(jìn)行法向的位移約束，來(lái)對(duì)斗體進(jìn)行約束。載荷則以3噸力施加在斗體口上，同時(shí)對(duì)斗口施加一定的法向力（見(jiàn)圖2）。

3.4 屈曲分析

由計(jì)算結(jié)果（圖4）可知，斗體的變形載荷乘數(shù)很高，意味著屈曲安全系數(shù)很高，不會(huì)發(fā)生屈曲現(xiàn)象。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)斗體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、受力分析、強(qiáng)度計(jì)算、疲勞校核、屈曲分析，再回到斗體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程體現(xiàn)了斗體設(shè)計(jì)的精細(xì)化設(shè)計(jì)思路，再結(jié)合施工和安裝中的焊接制造，安裝和使用，讓設(shè)計(jì)者對(duì)斗體的設(shè)計(jì)有了從感性到理性，從理論到實(shí)踐的認(rèn)識(shí)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]GB/T-14695-93 臂式斗輪堆取料機(jī)型式與基本參數(shù)[S].1993.

[責(zé)任編輯：田吉捷]