張 維，王麗薇*，張 波

（1. 太原重工股份有限公司，山西 太原 030024；2. 太重（天津）濱海重型機(jī)械有限公司，天津 300452）

1 引言

臂架式斗輪堆取料機(jī)是一種高效率的散狀物料連續(xù)裝卸、轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于港口、電力、煤炭、冶金等行業(yè)的大型現(xiàn)代化儲料場。斗輪堆取料機(jī)主體屬于大型鋼結(jié)構(gòu)，其自重較大，整機(jī)質(zhì)量一般在200 t 以上，門座架作為斗輪堆取料機(jī)的基礎(chǔ)，需要承載其上部所有鋼結(jié)構(gòu)重力，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度直接影響整臺設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性及安全性。

本文針對我公司研發(fā)的某型臂架式斗輪堆取料機(jī)門座架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，并給出改進(jìn)建議，為提升堆取料機(jī)穩(wěn)定性和安全性提供參考依據(jù)。

2 堆取料機(jī)組成及工作原理

我公司研發(fā)的臂架式堆取料機(jī)如圖1所示，主要由斗輪機(jī)構(gòu)、臂架機(jī)構(gòu)、臂架輸送機(jī)、門柱、俯仰機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、門座架、回轉(zhuǎn)平臺、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、平衡系統(tǒng)、尾車輸送機(jī)等組成。

圖1 某型臂架式斗輪堆取料機(jī)

堆取料機(jī)工作原理：取料時，臂架頭部斗輪機(jī)構(gòu)將物料提取放至臂架輸送機(jī)上，輸送機(jī)將物料通過中心溜筒傳至地面皮帶機(jī)，地面皮帶機(jī)將物料輸出；堆料時，物料經(jīng)由尾車輸送機(jī)送至中部轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)，中部轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)與臂架輸送機(jī)對接，輸送機(jī)反轉(zhuǎn)將物料堆至料場；俯仰機(jī)構(gòu)與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)聯(lián)合匹配動作，可實(shí)現(xiàn)物料均勻堆取。

3 門座架結(jié)構(gòu)分析

常見門座架有四支腿四支點(diǎn)、三支腿四支點(diǎn)形式。四支腿四支點(diǎn)具有剛性好、抗傾翻力矩大優(yōu)點(diǎn)，多用于中小型斗輪機(jī)；三支腿四支點(diǎn)腿壓分配合理，在大型斗輪機(jī)上廣泛采用，但這種結(jié)構(gòu)形式門座經(jīng)常出現(xiàn)因強(qiáng)度不足使整機(jī)塌陷破壞情況，極易引發(fā)安全事故。

門座架除承載斗輪堆取料機(jī)自回轉(zhuǎn)軸承以上所有部分（包括物料）的重力外，在挖掘物料過程中，直接作用于斗輪機(jī)構(gòu)的力也要傳遞至門座架結(jié)構(gòu)，尤其是疊加俯仰運(yùn)動、回轉(zhuǎn)運(yùn)動或臂架輸送機(jī)帶載，門座架受力狀態(tài)會發(fā)生很大變化。因此，門座架結(jié)構(gòu)設(shè)計時需保證強(qiáng)度及剛度具有足夠儲備。門座架結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)設(shè)計方法時，存在一定程度盲目性，常常依靠增加自重提升強(qiáng)度及剛度，而當(dāng)自重增加到一定程度時，或削弱結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)強(qiáng)度和剛度，或造成材料冗余，這不僅無益于整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度改善，有時甚至導(dǎo)致關(guān)聯(lián)部件無從設(shè)計。利用有限元靜力學(xué)分析方法，校核門座架僅受重力載荷下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度，可以首先確保門座架結(jié)構(gòu)合理性，然后再通過材料優(yōu)化配置，為滿足多變載荷工況要求創(chuàng)造有利條件。

3.1 有限元模型

門座架屬箱型梁結(jié)構(gòu)，主要由不同厚度的鋼板焊接而成，材料為Q345B，彈性模量206 000 MPa，泊松比0.3，密度 7.85×10kg/m。

門座架三維模型如圖2所示，主要由環(huán)梁、支腿組成，如圖2a所示。另外，為增加環(huán)梁和支腿強(qiáng)度及剛度，還在其內(nèi)部焊接了一些加強(qiáng)筋板，如圖2b所示。

圖2 門座架三維模型

門座架載荷及約束如圖3所示。門座架結(jié)構(gòu)質(zhì)量約22 t，其上部所有鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量約275 t。門座架自重及其上所有鋼結(jié)構(gòu)重力通過施加重力載荷模擬。因門座架與行走機(jī)構(gòu)采用鉸接連接形式，同時考慮運(yùn)行過程中車輪組可在軌道水平面內(nèi)有一定平移，故約束左側(cè)上支腿、下支腿鉸軸位置自由度，右側(cè)支腿鉸軸位置、、自由度。采用自由網(wǎng)格劃分方法，選擇4節(jié)點(diǎn)四面體單元對門座架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元尺寸50 mm，共劃分單元數(shù)534 074。

圖3 門座架載荷及約束

3.2 計算結(jié)果

門座架應(yīng)力如圖4所示，等效應(yīng)力最大值為339.0 MPa，位于環(huán)梁蓋板與右側(cè)支腿過渡連接處，此處蓋板厚度18 mm，蓋板材料屈服極限為325 MPa，按許用應(yīng)力設(shè)計法，載荷組合A類，高危險度系數(shù)γ取值1，則查表得安全系數(shù)=1.48，即許用應(yīng)力[]=220 MPa。由此可知，環(huán)梁蓋板處的最大應(yīng)力已超出許用應(yīng)力，這與門座架通常出現(xiàn)開裂位置基本吻合。

圖4 門座架應(yīng)力云圖

門座架變形如圖5所示，絕對變形最大值（向）約為16 mm，位于環(huán)梁處，按結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，門座架剛度值應(yīng)不大于1/1 000，而兩側(cè)支腿跨度長約為10 783 mm，即剛度值為16/10 783≈1.5/1 000。由此可知，門座架剛度不滿足設(shè)計要求。

圖5 門座架變形云圖（Z向）

3.3 結(jié)果分析

門座架屬于高強(qiáng)度鋼焊接結(jié)構(gòu)件，應(yīng)特別注意防止焊縫開裂及控制高強(qiáng)度鋼材的結(jié)構(gòu)變形。由門座架結(jié)構(gòu)設(shè)計可知，環(huán)梁蓋板與右側(cè)支腿過渡連接處有多道交接焊縫，主要呈壓彎受力狀態(tài)，屬裂紋敏感區(qū)，通常早期表現(xiàn)為門座架變形大，致使行走機(jī)構(gòu)的車輪發(fā)生“啃軌”，車輪磨損嚴(yán)重，若不及時處置，將極易產(chǎn)生重大安全隱患。

環(huán)梁蓋板與右側(cè)支腿過渡連接處由壓縮和彎曲受力產(chǎn)生的組合變形大小，主要取決于環(huán)梁抗彎剛度，若環(huán)梁抗彎剛度較大，則組合變形小。理論計算時，在最大剛度平面內(nèi)，可以先不考慮向載荷影響，這并不會引起很大誤差，能夠滿足工程問題所需要的精度。彎曲強(qiáng)度計算公式

式中，為最大彎曲正應(yīng)力；為彎矩；為抗彎截面系數(shù)。

依據(jù)式 (1)，在彎矩不變條件下，抗彎截面系數(shù)越大，最大彎曲正應(yīng)力越小?？箯澖孛嫦禂?shù)與截面幾何形狀尺寸有關(guān)。對于環(huán)梁而言，截面幾何形狀為矩形，應(yīng)盡可能通過增加高度或?qū)挾瘸叽纾源私档妥畲髲澢龖?yīng)力，使其不超過許用應(yīng)力。

3.4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

（1）改進(jìn)方案1

由門座架計算結(jié)果可知，門座架高應(yīng)力區(qū)和大變形區(qū)主要集中于環(huán)梁區(qū)域，結(jié)構(gòu)改進(jìn)以環(huán)梁為主。考慮到增加環(huán)梁高度，對結(jié)構(gòu)整體設(shè)計及關(guān)聯(lián)部件影響較大，先采取改進(jìn)方案1，將橫梁加寬，即保持蓋板和腹板厚度不變，僅增加蓋板和加強(qiáng)筋板寬度，改進(jìn)方案1具體如圖6所示，將環(huán)梁上、下蓋板加寬，加強(qiáng)筋板寬度原設(shè)計值450 mm，可調(diào)整加寬至最大設(shè)計值650 mm。

圖6 門座架改進(jìn)方案1

對門座架改進(jìn)方案1進(jìn)行有限元計算驗(yàn)證。門座架加強(qiáng)筋板寬度達(dá)650 mm。采取改進(jìn)方案1的應(yīng)力和變形計算結(jié)果分別如圖7、圖8所示，等效應(yīng)力最大值為213.0 MPa，仍位于環(huán)梁蓋板與右側(cè)支腿過渡連接處，但高應(yīng)力區(qū)域顯著縮小，且與此位置毗鄰的內(nèi)、外腹板應(yīng)力狀態(tài)也得到明顯改善。絕對變形最大值（向）約為11 mm，位于環(huán)梁處，剛度值約為11/10 783≈1/1 000。

圖7 門座架應(yīng)力云圖（改進(jìn)方案1）

圖8 門座架變形云圖（改進(jìn)方案1）

有限元計算驗(yàn)證結(jié)果對比見表1，采取改進(jìn)方案1，門座架等效應(yīng)力最大值由339.0 MPa降至213.0 MPa，降幅約37%，絕對變形最大值由16.12 mm降至10.95 mm，降幅約32%。

表1 門座架結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后有限元計算驗(yàn)證結(jié)果對比

（2）改進(jìn)方案2

經(jīng)有限元計算驗(yàn)證結(jié)果可知，門座架采取改進(jìn)方案1后，應(yīng)力和變形改善效果明顯，強(qiáng)度和剛度均已滿足設(shè)計要求，但強(qiáng)度和剛度儲備較小，有必要繼續(xù)采取措施，提升門座架強(qiáng)度和剛度水平。結(jié)構(gòu)改進(jìn)仍以環(huán)梁為主。考慮到與腹板內(nèi)、外徑尺寸相比，腹板間加強(qiáng)筋板數(shù)量較少，采取改進(jìn)方案2，即在改進(jìn)方案1基礎(chǔ)上，增加加強(qiáng)筋板數(shù)量，由原設(shè)計8個增加至13個，同時遵循支腿附近加密布置原則，即每個支腿附近加強(qiáng)筋板數(shù)量由2個增加至3個，右側(cè)支腿與左側(cè)上支腿、左側(cè)下支腿之間加強(qiáng)筋板數(shù)量均由1個增加至2個。

對門座架改進(jìn)方案2進(jìn)行有限元計算驗(yàn)證。采取改進(jìn)方案2的應(yīng)力和變形計算結(jié)果分別如圖9、圖10所示，等效應(yīng)力最大值為197.7 MPa，仍位于環(huán)梁蓋板與右側(cè)支腿過渡連接處，與改進(jìn)方案1相比，各支腿的應(yīng)力均勻性提高，表明結(jié)構(gòu)布置更趨于合理。絕對變形最大值（向）約為10 mm，位于環(huán)梁處，與改進(jìn)方案1相比，剛度有一定提高。由此可知，通過增加加強(qiáng)筋板數(shù)量，并遵循支腿附近加密布置原則，對于提高門座架強(qiáng)度和剛度儲備是有效的。

圖9 門座架應(yīng)力云圖（改進(jìn)方案2）

圖10 門座架變形云圖（改進(jìn)方案2）

采用不同改進(jìn)方案的有限元計算驗(yàn)證結(jié)果對比見表2，門座架等效應(yīng)力最大值由213.0 MPa降至197.7 MPa，降幅約7%，絕對變形最大值由10.95 mm降至9.96 mm，降幅約9%。

表2 門座架結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案有限元計算驗(yàn)證結(jié)果對比

4 結(jié)束語

本文應(yīng)用有限元靜力學(xué)分析方法，對某型臂架式斗輪堆取料機(jī)門座架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計及改進(jìn)，得出以下結(jié)論：

1）門座架設(shè)計時應(yīng)首先校核其僅在受重力載荷下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度，然后再通過材料優(yōu)化配置，使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度具有足夠儲備，為滿足多變載荷工況要求創(chuàng)造有利條件。

2）門座架整體高度不變情況下，靠增加門座架環(huán)梁結(jié)構(gòu)寬度尺寸可以有效提高門座架強(qiáng)度及剛度，結(jié)構(gòu)寬度尺寸增至約1.44倍，等效應(yīng)力最大值降幅約37%，絕對變形最大值降幅約32%。

3）門座架環(huán)梁蓋板與支腿過渡連接處有多道交接焊縫，主要呈壓彎受力狀態(tài)，屬裂紋敏感區(qū)，應(yīng)考慮對此處結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化。通過采取增加環(huán)梁加強(qiáng)筋板數(shù)量，并在支腿附近加密布置加強(qiáng)筋板，可進(jìn)一步降低此處結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形最大值，提高門座架強(qiáng)度和剛度儲備水平。

如圖11所示，工程應(yīng)用證明，我公司研制的某型臂架式斗輪堆取料機(jī)結(jié)構(gòu)性能滿足規(guī)范要求，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

圖11 某型臂架式斗輪堆取料機(jī)現(xiàn)場