林楠，黃宇慧，馬超，張洪志，王志成

（中國電建集團長春發(fā)電設備有限公司，長春 130033）

0 引言

我國是工業(yè)大國，自20世紀90年代起，我國經濟迅猛發(fā)展，為全球社會進步做出突出貢獻。目前國內能源產業(yè)普遍存在產能過剩問題，在此大環(huán)境下，能源配套設備生產企業(yè)風險不斷加劇，導致國內臂式斗輪堆取料機（以下簡稱斗輪機）市場競爭異常激烈。斗輪機作為應用最為廣泛的一種大型、連續(xù)、高效的散狀、粒狀物料堆取作業(yè)設備，廣泛應用于火力發(fā)電廠、港口、焦化、冶金、礦山等行業(yè)。提能降耗成為當下廣大斗輪機廠家能夠生存及可持續(xù)發(fā)展必須面對及解決的新課題。作為斗輪機重要組成部件之一的固定交叉尾車，其對斗輪機整機成本的影響更是不可小覷。現(xiàn)有斗輪機固定交叉尾車自重很大，可優(yōu)化空間明顯。若對其進行優(yōu)化、降低成本，對降低斗輪機整機經濟指標貢獻巨大。因此本文提出了在滿足設備剛度、強度的前提下優(yōu)化交叉尾車金屬結構結構件截面尺寸的方法，以實現(xiàn)降低成本的目標，以期為同業(yè)廠家進行斗輪機尾車設計及改造開闊思路提供參考。

1 固定交叉尾車結構形式分析

固定交叉尾車是目前斗輪機常用的尾車形式之一，其主要由單輪從動臺車組、金屬結構、頭部落煤斗、連桿裝配、機上尾車膠帶機、回程壓輥裝置及尾部溜料導料裝置等部件組成。其中金屬結構是尾車承載的構架和載體，其結構形式如圖1所示，主要由主梁、斜梁、底梁、前支腿、后支腿、主梁上部斜拉、后部支撐等結構件組成。其中，底梁主承載構件為焊接組合工字梁結構，該結構形式被目前大型起重運輸機械設備、建筑鋼構、高鐵橋梁等廣泛采用，具有結構簡單美觀、經濟、斷面焊接性能好和良好的力學性能，日益成為鋼結構的主要構架形式。焊接組合工字梁由翼緣板和腹板焊接組對而成。該結構型式亦是斗輪機尾車的主導形式，得到了廣泛應用。底梁梁上布置眾多部件，主要包括電氣室、灑水裝置、動力控制電纜卷筒等（如圖2）。

圖1 尾車金屬結構

圖2 底梁承載機構件

圖3 工字梁截面

固定交叉尾車為主機設備與輸煤系統(tǒng)的連接部件。工作原理為：其功能是堆料，堆料時沿系統(tǒng)膠帶從前臂方向的來料進入進料尾車，經轉運料斗落入機上尾車膠帶機，尾車膠帶機將物料送至頭部落煤斗后落入中部料斗，轉運至懸臂膠帶機，經懸臂膠帶機將物料拋入料場。

2 固定交叉尾車優(yōu)化方案探討

2.1 優(yōu)化方案的提出

斗輪機固定交叉尾車廠外采購件和機械加工件所占比例甚少，金屬結構占自重的比例超過80%，因此該尾車作為已經成熟應用的成型產品，加之市場競爭的不斷加劇，從外購件和機加件角度降低成本收效甚微。因此如何通過結構件得優(yōu)化減輕質量，降低成本顯得尤為重要。且由于金屬結構質量在整個成本中所占比例很大，因此在滿足設備正常使用的前提下，通過設計優(yōu)化，減輕設備金屬結構質量，可以達到節(jié)約成本的目的。

2.2 優(yōu)化方案受靜載荷簡支梁計算校核

2.2.1 優(yōu)化前底梁

以某設計項目為例，參數(shù)如表1、表2所示。

表1 優(yōu)化前按常規(guī)選取底梁的主要參數(shù)

表2 優(yōu)化前底梁力學參數(shù)

2.2.2 優(yōu)化方案可行性探討

通過以上分析可知，對斗輪機固定交叉尾車金屬結構底梁進行設計優(yōu)化，對底梁中主承載工字梁截面尺寸進行合理配比是優(yōu)化工作的關鍵，對于該工字梁優(yōu)化的前提是保證優(yōu)化后工字梁的強度、剛度、穩(wěn)定性必須滿足使用要求。在此前提下確定最經濟優(yōu)化方案。

對于以承載靜載荷為主的工字梁結構，其力學主參數(shù)為強度校核，因此采用許用強度選擇最優(yōu)梁截面法是主推方法。具體為通過強度計算來確定優(yōu)化后梁的高度。優(yōu)化后對該梁高進行強度、剛度等校核。

下面按強度計算梁高。由

得

已知工字梁的慣性矩：

從而得到

將Ay代入式（3）后，將I代入式（2）得梁高：

式中：M為梁的最大彎矩；W為梁的截面抗彎模量；Ay為翼緣板截面積；δ為腹板厚度，初選腹板厚度為10 mm；［σ］為鋼材許用應力。

代入該項目參數(shù)，通過計算可得：

初算梁高度709.5 mm。

2.2.3 優(yōu)化基本數(shù)據(jù)

已知初選數(shù)據(jù)：梁高（為便于制作及序列化生產取整后）H=750 mm；翼緣板寬度B=250 mm；腹板厚δ=8 mm；翼緣板厚度b=10 mm。

經計算，電氣室彎矩P·a·b/L=329 000 N·m；卷筒彎矩P·a·b/L=51 420 N·m；梁自重彎矩q·L2/8=46 458 N·m。

上述計算中，電氣室、卷筒彎矩，按集中載荷公式求解，梁自重彎矩按照均布載荷公式求解。載荷相關數(shù)據(jù)同表1。a值為梁長左至右軸向受彎最大點處，b值為梁長右至左軸向受彎最大點處，上式中數(shù)據(jù)均不同，僅作為彎矩計算中次要數(shù)據(jù)，本文中不做詳細介紹。

通過計算及彎矩圖分析得出，疊加最大彎矩在電氣室處。最大彎矩數(shù)值MMAX=386657 N·m。

2.2.4 強度計算

該底梁為焊接組合工字梁，橫截面上同時存在彎矩和剪力兩種內力，與此相應的截面上的任一點處有正應力σ和剪應力τ。且正應力σ只與彎矩M有關，剪應力τ只與剪力Q有關。

2.2.4.1 對正應力校核

已知公式：

式中：IX為慣性矩，B為翼緣板寬度，WX為抗彎模量，H為梁高，MMAX為最大彎矩，b為受壓面寬，σMAX為最大正應力，h為腹板高。

2.2.4.2 對剪應力校核

已知公式：

式中：τmax為剪應力，Q為橫截面上的剪力，H為梁高，δ為腹板厚度。

通過計算得到，τmax=Q/（H·δ）=51.55 MPa。

2.2.4.3 復合應力校核

已知公式：

代入數(shù)值后，得σ合=169 MPa。

2.2.4.4 強度驗證

查機械設計手冊（GB 3811—2008）得出，尾車鋼結構底梁采用的Q235-A的許用應力極限值[σ] =175.3 MPa；

優(yōu)化后，梁受最大正應力169 MPa小于許用應力175.3 MPa，由上述計算得出，底梁各處的應力小于材料的許用應力，尾車的變形也小于其許用變形量。由此得出，該尾車底梁的強度、剛度均滿足規(guī)范的要求。再經其他方向計算優(yōu)化，既減輕結構質量，又使得應力分布趨于合理，而底梁的應力也不會很大，滿足設備正常運行的狀態(tài)，使底梁擺放元件更加合理。

尾車底梁為矩形雙梁結構形式，分為A、B梁。電氣室橫跨A、B梁，上述計算出的復合應力值為單梁最不利情況下，實際為雙梁平分彎矩、剪力，所以比上述計算值還要小。水源裝置在B梁，其彎矩遠小于A梁所受彎矩，最大復合應力值相對也較小，本文中不做詳細介紹。

通過上述計算結論及元件擺放使其更加合理，A梁與B梁滿足使用條件。

2.2.5 剛度計算

剛度計算是指工字梁在受外力作用下的材料構件或結構件抵抗變形的能力。剛度與物體的材料形狀、幾何形狀、邊界支撐情況，以及外力作用下的形式有關。該工字梁屬于靜載荷下抵抗變形，即為靜剛度。梁的靜剛度驗算為梁的撓度驗算。

2.2.5.1 撓度計算

已知公式：

式中：I為慣性矩，B為翼緣板寬度，E為抗彎模量，H為梁高，L為梁長，b為受壓面寬，Q為梁受最大彎矩，h為腹板高，fmax為最大撓度。慣性矩I=（BH3-bh3）/12= 1 008 722 500 mm4?？箯澞Ａ浚篍=（2·I）/H= 2 689 926.667 mm3。通過計算，得知：fmax=5QL3/（384EI） =11.75 mm。

2.2.5.2 剛度驗證

查機械設計手冊得出，梁的許用垂直靜撓度為

優(yōu)化后梁的撓度11.75 mm小于梁的許用垂直靜撓度24.67 mm，符合手冊標準。

所以，梁的剛度滿足使用條件。

2.2.6 優(yōu)化計算后可行性結論通過對強度、剛度的計算得知，將梁高優(yōu)化為750 mm,完全滿足使用要求。2.2.7 生產工藝要求

為了保證鋼結構加工制作的質量，明確其相關的技術工藝，是非常重要的一項內容，需要對鋼結構進行強度、硬度、變形等方面進行檢測，避免在加工制作的過程中產生問題，影響加工制作質量，以下就具體內容展開分析。

2.2.7.1 加工前準備

在鋼結構加工制作前，主要對加工方案進行審核，審核通過后開展技術交底工作，明確加工過程中的重點和難點及可能產生的問題，根據(jù)實際情況進行分析，對復雜的結構加工制作進行調整，確保加工制作的準確性。

2.2.7.2 撓度控制

撓度是指梁、桁架等受彎構件載荷作用下的最大形變，通常指豎直方向y軸的變形量。控制撓度形變位移，是將工字梁進行預拱處理，根據(jù)機械設計手冊要求，在該工字梁生產時按照千分之一預起拱，起拱值為18.5 mm，取整值為20 mm。

2.2.7.3 焊接要求

優(yōu)化后，該工字梁正應力增大，所以在焊接工藝處理上，更應該引起重視。由于該工字梁翼緣板與腹板厚度均在12 mm以下，不宜采用坡口焊接，而采用更加合理的雙邊角焊縫，焊高為相連件較薄者厚度，并選用Ⅱ類焊縫進行焊接。

2.2.7.4 局部加強

工字梁中加筋板后，使得鋼結構梁中節(jié)點的整體剛度大大提高，在受到剪切力作用時減少節(jié)點因彎矩導致的形變，從而大大增加節(jié)點的承載力。優(yōu)化后，底梁正應力增大，所以在受均布載荷及集中載荷相應節(jié)點位置處，應加筋板，使翼緣板和腹板相連接，形成小工字梁，使得節(jié)點處的整體剛度、承彎能力得到提高。

2.2.7.5 解體處處理

考慮到結構發(fā)運問題，對解體處進行特殊處理，采用高強螺栓連接，并在解體位置的兩側加連接板，通過計算確定連接板的大小和螺栓數(shù)量，已滿足使用要求。

2.2.8 安裝要求

尾車現(xiàn)場安裝時需要注意，設備在安裝過程的吊裝以及支撐等方面需要嚴格把關，避免在安裝過程中鋼結構發(fā)生形變等影響設備使用性能，需要保證水平方向的直線度5 mm，上下面的平面度10 mm，尾車的主梁相連接的兩部分的對稱度為10 mm，中心偏移為5 mm。

3 結論

尾車是斗輪機的重要結構件，其在堆料、取料作業(yè)過程中均起著重要的作用，其自身結構相對復雜，質量占斗輪機總質量的30%左右，其中底梁質量相對較大，所以，通過計算校核，優(yōu)化自重，降低成本是十分必要，通過計算校核，優(yōu)化后的尾車底梁的變形及應力均滿足規(guī)范要求，使其更加合理。通過可行性分析、元件合理布局、生產工藝改進等措施，優(yōu)化后尾車完全符合使用條件。目前，已逐步應用到斗輪機固定交叉尾車金屬結構使用中，并取得了很好的使用效果。

經成本核實后，每臺斗輪機尾車底梁（A、B）優(yōu)化后，總質量約降低5 t。另外，由于尾車自重減輕，各個工況下單輪從動臺車組的輪壓也大大降低，通過計算后，理論上可將原有8組從動臺車組改為4組，成本還會有所降低。