周文兵

(銅陵職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系,安徽 銅陵 244061)

0 引 言

在煤礦露天開采時物料運(yùn)輸非常關(guān)鍵，這就需要依靠大型移動破碎站這種機(jī)械設(shè)備對煤礦與土方等物料進(jìn)行運(yùn)移。自移動破碎站因其具有給料、破碎以及運(yùn)輸?shù)榷囗椆δ埽⒕哂羞\(yùn)移效率高、使用壽命長和運(yùn)營成本低等諸多特點(diǎn)成為半連續(xù)露天煤礦開采中必不可少的機(jī)械設(shè)備。相較于西方發(fā)達(dá)國家，我國在大型自破碎站的研發(fā)上起步較晚且技術(shù)水平存在著較大差距，目前主要依賴于進(jìn)口，但是鑒于作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境差異影響，使得自移動破碎站出現(xiàn)了不少的問題，嚴(yán)重影響了開采的效率[1]。

目前國內(nèi)眾多科研工作者對破碎站的性能提升方面展開了一定的研究，如張慶民(2004)對半移動式破碎站的總體鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)與優(yōu)化[2]；陳樹召(2012)通過建立綜合優(yōu)選模型對大型他移式破碎站的受料倉結(jié)構(gòu)、移動步距等進(jìn)行了優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)了性能、效益的最大化[3]；楊柳松與王炳龍等人(2018)通過仿真分析半移動破碎站平臺在極限條件下的相關(guān)穩(wěn)定性參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算，并以歐洲規(guī)范為標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化破碎站平臺結(jié)構(gòu)[4]。而自移式破碎站相較于半移動式、他移式靈活性更高，但是卸料臂結(jié)構(gòu)跨度更大，這使得在惡劣作業(yè)環(huán)境下極易發(fā)生變形扭曲、斷裂等問題，因此更需要加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，使之更為合理，保障煤礦作業(yè)的安全性。以3000t/h大型自移式破碎站為研究對象，針對其卸料臂結(jié)構(gòu)存在的問題，并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步改良與優(yōu)化。

1 卸料臂結(jié)構(gòu)設(shè)計

自移式破碎站是集破碎、運(yùn)輸、給料等功能為一體的機(jī)械設(shè)備，而卸料臂是自移式破碎站不可或缺的，其主要起到破碎物料運(yùn)輸作用。

根據(jù)我國露天煤礦開采的現(xiàn)實(shí)需求，需改變引進(jìn)現(xiàn)狀，加強(qiáng)自移式破碎站研發(fā)與創(chuàng)新。在3000t/h大型自移式破碎站的基礎(chǔ)上進(jìn)行研發(fā)，其卸料臂系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)初始設(shè)計圖見圖1(a)，共由皮帶運(yùn)輸、受料斗以及主體鋼結(jié)構(gòu)等構(gòu)成，其中主體鋼結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。卸料臂設(shè)計采用兩個分肢的格構(gòu)式梁搭建主體鋼結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)“先寬后窄”的變化特點(diǎn)，并且其中存在著過渡段。對此依據(jù)“先寬后窄”變化特征，可將主體鋼結(jié)構(gòu)梁劃依次劃分為始段、過渡段與末段。

卸料臂結(jié)構(gòu)組成部件中承載負(fù)荷最大的是卸料臂鋼結(jié)構(gòu)的始段，始段不僅承載了電機(jī)、減速機(jī)、張緊機(jī)構(gòu)等大重量部件，還受到了破碎后物料的沖擊力[5]。

根據(jù)卸料臂三段的受力特征，對初始設(shè)計的結(jié)構(gòu)做如下調(diào)整：一是改變始段分肢的腹梁結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)抗沖擊性能；二是將始段的等截面工字鋼梁更改為矩形截面箱型梁；三是采取雙液壓缸支撐[6,7]方案，能有效減少或避免鋼結(jié)構(gòu)偏載問題的出現(xiàn)。

圖1 初始設(shè)計

2 力學(xué)特征仿真分析

自移式破碎站卸料臂在正常作業(yè)時所承受的外載荷，根據(jù)需求分別對正常氣候、惡劣氣候與地震三種工況條件下的力學(xué)特征進(jìn)行仿真分析。

2.1 工況1：正常氣候

該情況表示無大風(fēng)，沒有低溫的條件，且卸料臂存在物料和沖擊載荷。從正常氣候工況條件下卸料臂總位移云圖中，最大位移主要發(fā)生于末端漏料口位置，最大值為19.292mm；該工況下的等效應(yīng)力最大值(85 MPa)比Q345鋼的屈服強(qiáng)度要小得多，且主要在連接末段與過渡段的兩個主梁的上下翼緣位置產(chǎn)生。

2.2 工況2：惡劣氣候

該情況表示高寒大風(fēng)的環(huán)境，且卸料臂受到物料與沖擊載荷。其中最大位移為30.08mm，主要在始端橫梁的上下翼緣位置產(chǎn)生，且易發(fā)生很大程度的扭曲與變形；等效應(yīng)力最大值高達(dá)210 MPa，主要集中于始端橫梁的兩端。結(jié)構(gòu)部件的材料受到低溫影響承載能力大打折扣，很容易造成破損或斷裂，影響作業(yè)安全。

2.3 工況3：地震作用

自移式破碎站還需考慮到抗震作用，本次設(shè)計成果預(yù)計在鄂爾多斯地區(qū)使用，根據(jù)《規(guī)范》查閱結(jié)果顯示，設(shè)防烈度為7度，卓越周期為0.45s[8]。最大位移與最大等效應(yīng)力分別為2.62mm、13.9 MPa，這表明了設(shè)計的卸料臂結(jié)構(gòu)具有良好的抗震效果。

3 結(jié)果討論

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)上述的力學(xué)行為仿真分析結(jié)果可以得到，自移式卸料臂在高寒大風(fēng)工況環(huán)境下存在很強(qiáng)的安全隱患，在始端橫梁的上下翼緣位置發(fā)生扭剪與變形，對此需要對卸料臂結(jié)構(gòu)的始段橫梁進(jìn)行改良與優(yōu)化，在維持卸料臂梁結(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)上將始段橫梁的工型鋼梁更改成矩形箱型，以提升破碎站卸料臂的安全系數(shù)，如圖2所示。

圖2 始段橫梁截面(單位：mm)

圖3 優(yōu)化后卸料臂惡劣氣候下總位移云圖(單位：mm)

圖4 優(yōu)化后卸料臂惡劣氣候下等效應(yīng)力云圖(單位：Pa)

3.2 數(shù)值模擬分析

為驗(yàn)證設(shè)計方案的合理性，對優(yōu)化后的卸料臂結(jié)構(gòu)在惡劣氣候條件下的力學(xué)特征進(jìn)行仿真模擬，模擬結(jié)果如下圖3、圖4所示，優(yōu)化結(jié)構(gòu)后的最大總位移和最大等效應(yīng)力分別為19.683mm、86.2 MPa，相較于優(yōu)化前最大總位移量減少了10.397mm，最大等效應(yīng)力值也減少了123.8MPa，通過對比可知優(yōu)化后的卸料臂結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定，安全系數(shù)得到明顯提高，這也證明了優(yōu)化設(shè)計方案的合理性。

4 結(jié) 語

通過對三種工況下卸料臂結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征進(jìn)行仿真研究顯示，在大風(fēng)、高寒作業(yè)環(huán)境下，卸料臂結(jié)構(gòu)的始段橫梁容易發(fā)生扭曲與變形，安全性能受到惡劣氣候環(huán)境影響大幅度下降。并根據(jù)仿真結(jié)果將原有的始段處“工”型橫梁截面更改為“箱”型，數(shù)值模擬結(jié)果顯示優(yōu)化后的卸料臂結(jié)構(gòu)更為合理化，安全系數(shù)明顯增強(qiáng)。