斗輪堆取料機俯仰鋼結構的設計計算說明書

1、1 俯仰機構的概述為保證斗輪和懸臂皮帶機等機構在所需的位置上進行堆取料或取料作業(yè)，需要某種機構支撐斗輪和臂架的重量，并能改變斗輪的高度，從而操縱上部金屬結構等變幅構件進行俯仰變幅，這種機構稱為俯仰機構。斗臂架的俯仰是指臂架在垂直平面內(nèi)的角度變化。俯仰角是指懸臂縱向中心線與過懸臂后鉸軸中心線水平面的夾角。即臂架上仰至最高位置(稱正角度 或下俯至最低位置時與水平線之間的夾角(稱負角度 。當懸臂梁處在水平位置時為零度。懸臂式斗輪堆取料機的俯仰結構通常有兩種方式，整體俯仰結構和非整體俯仰結構。整體俯仰結構是當俯仰機構在運動時，設備的塔架、懸臂、配重體繞同一鉸軸轉動同樣的角度。非整體俯仰結構是一個多連桿

2、系統(tǒng)，在俯仰過程中塔架不隨俯仰角度發(fā)生變化，懸臂的俯仰角度變化和配重的角度變化不同，其運動由連桿連接來完成。同時，俯仰鋼結構按平衡方式可分為固定平衡式、活動平衡式和整體平衡式等。固定平衡式是指配重及門柱固定不動，采用鋼絲繩卷揚變幅，配重僅用于整機的防傾覆平衡，不參與變幅平衡，不降低變幅的驅動力。這種平衡方式對變幅驅動要求非常高，在早期應用較多，目前已經(jīng)基本淘汰。活動平衡式結構中立柱固定不動，懸臂梁自重和工作載荷由立柱對側的活動配重通過拉桿系統(tǒng)來平衡，實現(xiàn)整機的穩(wěn)定和降低懸臂梁變幅時的驅動力，懸臂架、配重、拉桿系統(tǒng)和工作載荷最終由固定式門柱支承，一般采用鋼絲繩卷揚驅動，鋼絲繩、滑輪及活動鉸點多，

3、且多位于設備的高處，維護保養(yǎng)困難，目前已經(jīng)較少應用。整體平衡式結構中懸臂架、配重、立柱、拉桿等連成一個整體，變幅時相對回轉平臺主鉸點作俯仰擺動，一般采用液壓驅動。這種結構運動簡單，除俯仰主鉸點外均是固定鉸點，不需加油維護。其中L 梁式結構在中小出力和中等懸臂長度的斗輪機中得到了較為普遍的應用。平行四邊形結構自重大，結構重心位移小，在大出力、長懸臂的斗輪機中得到較多應用。 圖1 俯仰裝置斗輪機堆取料機上部金屬結構又可分為斗輪結構、懸臂架、立柱、后壁架、平衡梁及拉桿。上部金屬結構與回轉平臺之間通過后臂架上的鉸座及油缸支撐聯(lián)系。通過油缸的伸縮，使上部金屬結構繞后壁架上的鉸點轉動，從而實現(xiàn)斗輪機上仰、

4、下俯變幅動作。圖1是俯仰裝置外形圖，本機采用油缸與液壓系統(tǒng)，驅動上部變幅構件進行整體俯仰。共有兩個液壓油缸，在油缸的作用下，工作裝置繞著與支座的鉸接點作俯仰運動，從而實現(xiàn)俯仰過程。斗臂架俯仰速度，在斗輪中心點處通常為5m/min。斗臂架的質量很大，慣性也很大，所以俯仰運動的速度不能一下達到一個常速度，它有一個加速的過程，當制動的時候，也是有一個減速的過程的，所以在下一章的仿真過程中，在啟動和制動的過程中，配重重心的加速度、速度的變化情況是一項重要的內(nèi)容，如果速度過大，可能引起傾翻。2 俯仰機構的有限元靜力學分析斗輪堆取料機的俯仰機構處于整臺機器的關鍵部位，起著支撐整臺機器工作裝置的作用，俯仰機

5、構的安全性與可靠性對整臺斗輪堆取料機的安全運行起著重要的作用。將三維造型軟件Solidworks 和有限元分析軟件Ansys 相結合，以懸臂式斗輪堆取料機工作裝置為研究對象，建立了懸臂式斗輪堆取料機俯仰變幅機構、斗輪機構的虛擬樣機模型，通過裝配進行干涉檢查，檢查裝配體各零件之間的相對位置關系，看是否存在在特定的裝配結構形式下的干涉，結果發(fā)現(xiàn)沒有裝配干涉的存在。并對裝備承載負荷較大、運動交變頻繁的關鍵部件懸臂梁、仰俯機構關鍵工況進行有限元分析，就其靜態(tài)應力分布、運行受力分析、承載變形量等進行深入研究和分析，就其強度變形、應力集中、疲勞破壞等情況進行有限元仿真分析，得出俯仰變幅機構受力及位移圖，從

6、而為設計性能和可靠性更高的部件，設計新型結構以及更合理的參數(shù)值，使部件設計中的缺陷得到明顯的改進奠定理論基礎，滿足了裝備在不同作業(yè)環(huán)境下的性能、強度、壽命和安全的高要求。正因為電子計算機的運算速度不斷加快，有限單元法才有了長足的發(fā)展，利用有限元軟件進行數(shù)值分析的一般步驟如圖2所示，由圖可知，有限元分析分為3個步驟：有限元前處理有限元分析計算有限元后處理。前、后處理則進一步給人們應用有限元分析計算提供了方便。它們采用圖形界面的人機交互方式，前處理為分析計算準備輸入數(shù)據(jù)，它將整體結構或其一部分簡化為理想的數(shù)學模型; 后處理則對計算結果進行分析整理和歸納。我們只要把一個工程問題抽象為一種單元模型，在

7、有限元軟件中建模，通過前處理模塊確定材料性質、幾何形狀，再進行結構離散，然后施加邊界條件和負載條件，之后求解的工作就留給軟件本身，最后通過后處理模塊取得結果，如果對結果不滿意，可以返回前處理模塊對模型進行修改，直到對結果滿意為止。 圖2 有限元分析步驟常用的有限元分析軟件有：MSC NASTRAN ，ANSYS ，ALGOR 等。本文使用的是ANSYS ，它是集結構、流體、電磁場、聲場和禍合場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，已廣泛應用于機械、電子、航空航天、汽車、船舶等各個領域，是現(xiàn)代設計中必不可少的工具。由世界上著名的有限元分析軟件公司ANSYS 開發(fā)，它能與多數(shù)的CAD 軟件結合使用，

8、如pro/E飛ineer 、NAsTRAN 、Alogor 、I 一DEAs 、Aut0CAD 等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設計中的高級CAD 工具之一。ANSYS 作為一個功能強大、應用廣泛的有限元分析軟件，主要包括三個部分:前處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊。ANSYS 的結構力學分析包括結構靜力學分析、結構動力學分析和結構非線性分析等。1、結構靜力學分析：用來求解外載荷引起的位移和應力。靜態(tài)分析適合求解慣性和阻尼對結構影響并不顯著的問題。ANSYS 程序中的靜力分析不僅可以進行線性分析，而且可以進行非線性分析，如塑性、蠕變、大應變、大變形及接觸分析。2、結構動力學分析：結構動力學用來求解結構的固有振

9、型以及隨時間變化的載荷對結構或部件的影響。與靜力分析不同，動力學分析要考慮隨時間變化的載荷以及它對阻尼和慣性的影響。ANSYS 可進行的結構動力學分析類型包括:模態(tài)分析、瞬態(tài)動力學分析、諧波響應分析及隨機振動響應分析。3、結構非線性分析：結構非線性導致結構或部件的響應隨外載荷不成比例變化。ANSYS 程序可求解靜態(tài)和瞬間非線性問題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性材料3種。有了ANSYS 軟件的幫助，只要在ANSYS 中建立起模型，施加適當?shù)倪吔鐥l件和載荷，軟件就會自動計算出結果。本文基于ANSYS 強大的分析功能，對斗輪堆取料機的設計和特性進行優(yōu)化。得到比較理想的效果，同時縮短了設計周

10、期和降低了設計費用，獲得了比較好的效果。2.1俯仰裝置結構靜力學模型的建立斗輪堆取料機俯仰鋼結構包括臂架、拉桿組、立柱和配重架等部分。斗輪機堆取料時由頭部挖掘取料，通過接料斗傳遞到俯仰臂架。臂架與搖架梁立柱通過鉸銷相連接。臂架和搖架梁立柱隨著俯仰油缸的伸縮完成俯仰變位，從而適應不同料位的取料需要。作為斗輪機的工作裝置，承受著自重、物料、挖掘力，風載荷等垂直、水平及側向等多種載荷。此外，由于結構的非對稱性，還承受著附加扭矩載荷。因此，俯仰鋼結構不但結構復雜，而且其受力和應力分布情況較為復雜。另一方面，它位于整個結構的上層且工作外伸距大（47m ）對整機重量和輪壓分布起主要影響，設計中必然要求在滿

11、足強度和剛度的條件下，盡可能減輕自重。本文以斗輪堆取料機的俯仰鋼結構為研究對象，利用有限元仿真元件進行分析，確定懸臂式斗輪堆取料機俯仰機構的最大應力和應變，完成了斗輪機俯仰鋼結構的應力和應變分析。分析懸臂式斗輪堆取料機俯仰結構參數(shù)及選用的材料是否滿足使用要求，并以此為基礎實現(xiàn)懸臂式斗輪堆取料機俯仰機構的優(yōu)化設計，分析過程如下：（1）單元類型的選擇確定單元的類型對于有限元分析至關重要, 它不僅影響模型網(wǎng)格的劃分, 而且對求解的精度也影響很大。綜合考慮機架結構的復雜程度, 精度要求, 為了較真實地模擬斗輪機的結構特征，更好的模擬臂架和搖架梁立柱之間的邊界關系并適應模態(tài)分析需要，采用臂架和立柱整體多

12、種單元混合建模，即包括臂架系統(tǒng)、立柱、拉桿組、配重架等統(tǒng)一建立有限元分析模型，從而更加真實反映整個俯仰鋼結構的受力情況。具體為拉桿僅受拉力，可簡化為桿單元；平衡梁由規(guī)則的型鋼（工字型、L 型）構成，可簡化為梁單元；懸臂架和后壁架的頭部截面變化復雜，為了準確了解應力情況，可采用板單元。殼單元、梁單元、桿單元接頭處往往易出現(xiàn)應力集中，這是由模型簡化引起的，并不反映真實情況，為了避免這種情況，可以采用殼單元和梁單元結合的方式，尤其要在板單元和梁單元連接處增加虛擬梁單元，以鋼化局部模型。（2）定義材料屬性工作裝置的主要部件材料為Q345號鋼，它的性能參數(shù)是：密度為7.8×l0-9t/mm3，

13、楊氏模量為2.07×105N/mm2，泊松比為0.29，屈服極限為345MPa ，長度單位用的是mm 是為了與所建模型的單位保持一致。（3）施加約束施加約束對于有限元分析也很重要。邊界約束條件的準確度直接影響有限元 分析的結果。設置約束邊界條件一般遵循2個原則:施加足夠多的約束, 保證模型不會產(chǎn)生剛性位移; 力求簡單直觀便于計算分析。文中對機架的所有自由度進行約束。 （4）施加載荷對懸臂式斗輪堆取料機俯仰機構在最惡劣的工作狀況下進行分析, 即懸臂式斗輪堆取料機在取料工況的水平位置處時，懸臂的受力與變形情況。根據(jù)計算結果，在斗輪與斗臂架的連接處斗輪對臂架的作用力為：X 方向，17166

14、0N ；Y 方向，40653N ；Z 方向， 360000N(其中包括挖掘阻力和斗輪的重力 。 （5）求解及后處理Ansys 本身有兩種兩種后處理器，文中采用通用后處理器進行后處理。2.2計算結果及分析求解完成后, 應用后處理器可直觀地看出應力、變形等結果在模型上的分布情況。這樣可以快速地確定所需的結果最大值位置, 以便快速地確定所要著重分析的區(qū)域, 然后通過列表功能獲得指定節(jié)點, 或者是所有的節(jié)點的具體的應力、應變、位移等結果值。利用這些數(shù)值分析校核其強度。 （1）應力分布云圖圖3 應力分布云圖斗輪堆取料機俯仰鋼結構計算模型如圖4所示，計算模型細部如圖5所示。 圖 4斗輪機俯仰鋼結構計算模型

15、 圖5斗輪機俯仰鋼結構計算模型細部臂架水平工作時俯仰鋼結構分析臂架水平工作時俯仰鋼結構合成應力分布見圖 6、7。圖7是最大合成應力部位局部放大。此工作位置上最大應力出現(xiàn)在立柱塔索與搖架梁立柱連接支座附近。圖6 俯仰鋼結構合成應力 圖7 俯仰鋼結構合成應力，局部放大圖8 俯仰鋼結構垂直位移 圖9 斗輪以最大能力堆料（下俯12度） 圖10 斗輪以最大能力堆料（上仰8 度） 圖11 斗輪以最大能力堆料（水平） 圖12 斗輪以最大挖掘力取料（下俯12 度） 圖13 斗輪以最大挖掘力取料（上仰8 度） 圖14 斗輪以最大挖掘力取料（水平）計算結果表明:位移最大的地方是平衡架的尾部，31.077mm ，最

16、大應力發(fā)生在支座附近，大小為212.58MPa ，小于Q345號鋼的屈服極限，由于最大應力均出現(xiàn)在連接處, 是由于構造有限元模型時, 局部和實際不符引起的, 所以取該點處的平均應力。最終仿真結果表明均未超出最大安全應力，滿足強度要求，因此結構是安全的。3. 軸的校核進行軸的強度校核計算時，應根據(jù)軸的具體受載及應力情況，采取相應的計算方法，并恰當?shù)倪x取其許用應力。對于僅僅（或主要）承受扭矩的軸（傳動軸），應按扭轉強度條件計算；對于只承受彎矩的軸（心軸），應按彎曲強度條件計算；對于既承受彎矩又承受扭矩的軸（轉軸），應按彎扭合成強度條件進行計算，需要時還應按疲勞強度條件進行精確校核。由機械理論計算得

17、，懸臂式堆取料機俯仰裝置總重已知，具體計算數(shù)據(jù)見表1。表1 部件重量參數(shù)表 俯仰鋼結構包括臂架、拉桿組、立柱和配重架等部分。其結構簡圖如圖15所示。1. 前拉桿 2. 中拉桿 3. 后拉桿 4. 平衡架及配重 5. 軸 6. 俯仰臂 7. 軸 8. 軸圖15 俯仰結構簡圖俯仰機構中各軸的材料均為42GrMo42GrMo 的力學性能如下： 抗拉強度B 1080Mpa屈服強度S 930Mpa 伸長率 12% 斷面收縮率45%許用切應力0.8B =864MPa 許用彎曲應力為=750MPa軸為臂架與立柱塔架的連接處，對于軸進行受力分析如下圖所示，它受到的載荷錯誤！未找到引用源。，軸的直徑為d=160

18、mm，錯誤！未找到引用源。 ，則軸中點處所受最大彎矩為錯誤！未找到引用源。，抗彎截面系數(shù) 錯誤！未找到引用源。，可知彎曲應力錯誤！未找到引用源。 圖16 軸的受力分析已選定軸的材料為42CrMo ，調(diào)質處理，查得許用彎曲應力為750MPa ，因此錯誤！未找到引用源。，故安全。 剪切應力的校核：F s由上圖可知剪切力 ：F s =F1/2=958250N 則剪切面上的剪切力應滿足強度條件： F /2 958250 = s2 = × 6 =47.66Mpa【 】 10 160 160 d / 4 × × / 4 故銷軸符合強度要求。 軸為塔架上部與塔架下部的連接處，對軸進行受力分析如下圖所示，它 受到的載荷錯誤！未找到引用源。 ，軸的直徑錯誤！未找到引用源。 ，錯誤！未找 到引用源。 ，則軸中點處所受最大彎矩錯誤！未找到引用源。 ，抗彎截面系數(shù)錯 誤！未找到引用源。 ，可知彎曲應力