侧式悬臂堆料机来料车大支腿应力应变分析

崔 强，蔡 琳

CUI Qiang1, CAI Lin2

（1.安徽机电职业技术学院，芜湖 241000；2.江西新余学院 现代教育技术中心，新余 338004）

0 引言

自80年代初期以来，侧式悬臂堆料机在我国水泥、煤炭、冶金等行业的原料预均化堆场已得到广泛的应用，其优越性已越来越被认可。来料车大支腿是堆料机的重要钢结构部件和主要受力部件。堆料机工作时，堆料机行走机构带动来料车大支腿带动堆料机纵向运动(矩形料场)，或者绕着中心轴回转运动(圆形料场)，同时来料车大支腿支撑侧式悬臂来料车带式供料系统，将带式供料输送机上的物料，按要求堆积到料场的指定位置。

悬臂式堆料机的来料车大支腿结构大、支承条件有限，大支腿的受力对其自身和整个堆料机的强度、刚度和稳定性都有较大影响。以徐州矿务集团水泥厂实际应用的侧式悬臂堆料机为例，使用中发现局部大支腿因疲劳撕裂，需要停机补焊，耽误水泥生产线正常生产。因此在保证来料车大支腿功能的前题下，合理确定来料车大支腿各部分尺寸，可改善来料车大支腿与整机的受力，减少堆料机后期维护费用[1]。

1 有限元模型的建立

侧式悬臂堆料机主要由行走机构、液压变幅机构、悬臂部分、来料车、电缆卷盘、司机室、轨道系统等组成，如图1所示。其工况条件为： 装机功率：70kw；堆料能力：正常800t／h；皮带速度：3m/s；行走速度：20m/min；变幅范围：最大+20.5°到-11.5°；工作+18°到-11°；侧式堆料机自重：110t左右。

本文以侧式悬臂堆料机来料车大支腿作为研究对象，从侧式悬臂堆料机来料车大支腿结构的特点和实际的分析目的出发，对侧式悬臂堆料机来料车大支腿的模型作如下简化[2]：

1）由于来料车大支腿的各杆之间为焊接结构，焊接可靠，可以认为是刚性连结；

2）略去对来料车大支腿刚度影响小的小孔和附属物，例如皮带，扶梯、护栏等；

3）来料车大支腿与其余各构件的连接，视为完全接触。

图1 侧式悬臂堆料机

利用SolidWorks软件对侧式悬臂堆料机来料车大支腿进行精确的三维实体模型绘制。为了能完整地表征侧式悬臂堆料机的力学特性，首先将装配图另存为‘*.part’零件格式，通过SolidWorks自带‘合并’命令将两两位置不变的构件定义成一个刚体，并去掉不必要的机构，这样来料车大支腿就简化为1个刚体。

由于ANSYS的支持导入文件格式是Para solid格式的模型文件，所以把在SOLIDWORKS生成的来料车大支腿模型转换成Para solid格式的‘*.x-t’文件就可以了。 将模型文件导入到ANSYS软件中，ANSYS自动生成该模型，定义模型材料类型，泊松比和密度等，按solid45单元网格划分[3]，得有限元模型有182929个单元和593868个节点，有限元模型如图2所示。

图2 来料车大支腿有限元模型

2 计算与分析

分别分析侧式悬臂堆料机来料车大支腿在不同工作状态下的的力学性能：1）静止状态满负荷情况下；2）逆向匀速行驶状态（与皮带行驶方向相反）满负荷情况下；3）正向匀速行驶状态（与皮带行驶方向相同）满负荷情况下。

侧式悬臂堆料机来料车大支腿在静止状态满负荷情况下，受力主要是斜梁和物料对支腿顶面A的重力G1，斜梁对支腿顶面A的侧向力F1，皮带对大支腿上滚轮B作用力P1， 皮带对大支腿下滚轮C作用力P2，大支腿的自重G和滚轮对地板D的支撑力，考虑ANSYS中分析方便，将滚轮对地板D的支撑设为固定约束，如图3所示。

侧式悬臂堆料机来料车大支腿在逆向行驶状态满负荷情况下，受力包括静止状态时的G1，F1，P1，P2，G以及来料车底盘对大支腿前连接板E的压力N1和牵引杆对大支腿后连接板H的压力N2，将滚轮对地板D的支撑设为固定约束，如图4所示。

图3 大支腿静止状态受力示意图

图4 大支腿逆行状态受力示意图

侧式悬臂堆料机来料车大支腿在正向行驶状态满负荷情况下，受力包括静止状态时的G1，F1，P1，P2，G以及来料车底盘对大支腿前连接板E的拉力N3和牵引杆对大支腿后连接板H的拉力N4，将滚轮对地板D的支撑设为固定约束，如图5所示。

在ANSYS中对侧式悬臂堆料机来料车大支腿模型按照上面分析的结果施加载荷和约束。以左底板D面中心为原点， D-H方向为x轴正方向，D-A方向为y轴正方向，D-C方向为z轴正方向建立笛卡尔坐标系，通过ANSYS后处理，在大支腿外表面X点附近建立x轴方向路径，绘制路径节点在xy方向上的的应变曲线，图6-8所示。

从图6-8可得，侧式悬臂堆料机来料车大支腿外表面X点（x=0.04）在xy方向上的的应变值。在静止状态下，X点应变理论计算值约为1.114µε；在逆向行驶状态下，X点应变理论计算值约为-7.8µε；在正向向行驶状态下，X点应变理论计算值约为13.89µε。

图5 大支腿正行状态受力示意图

图6 静止状态X点应变曲线

图7 逆行状态X点应变曲线

3 现场测量应变

应力应变电测方法是实验应力应变分析方法中应用最广泛和适用性最强的技术之一。对于多通道应变测量系统，为了减少测量前的准备工作，提高测试效率，一般都采用单臂工作桥路。此处我们使用TST3827动静态应变测试分析系统，将X点位置的油漆和铁锈等杂物清理干净，粘贴箔式金属应变片，连续测量X点在三种不同工况下的应变曲线，测量结果如图9所示。

图8 正行状态X点应变曲线

图9 测量结果

在图9中，0-30s侧式悬臂堆料机来料车大支腿在静止状态（0-29.9s）满负荷情况下，稳定运行时其应变平均值为3.2858µε；

在逆向行驶状态（29.9s-83.7s）满负荷情况下，稳定运行时其应变平均值为-8.7072µε；在正向行驶状（83.7s-114s）态满负荷情况下，稳定运行时其应变平均值为15.0868µε。X点应变仿真与测量比较，如表1所示。

测量结果中，应变突变主要发生在工作条件变化时。即当堆、取料机以30m/min速度运行时，电动机转向发生变化， 由于大型设备自重较大，因此保持惯性运行的能力较大，所以短时内设备仍会保持高速运行，造成冲击过大，引起晃动现象，对金属结构造成一定影响。

表1 X点应变仿真值与测量值比较

理论计算值和实验相关测点的应变对比可以发现，模型计算结果要普遍小于试验结果但相差不大，即可认为模型可靠的，其结果是可用的。通过分析对比结果，笔者认为造成仿真结果和实验误差的原因主要有以下两点：

1）模拟仿真时， 运物料皮带张紧力采用了理论计算值，而且认为是传动匀速稳定的，但实际生产现场皮带是变速的和强烈震动的，所以模型计算虽然与实验结果相差不大，但仿真结果应比实验结果略小。

2）侧式悬臂堆料机大立柱腿主要基于多刚体建模，模型比较复杂，在建模时做了过多简化。机体其他部分作为一个刚体处理，而且在各零部件的接触处理上只有相关的约束副，没有考虑零部件间的碰撞和摩擦，模型中作用力低于实验值。

4 结论

1）通过实验及有限元的分析计算，可认为模型可靠的，其结果是可用的机身的。侧式悬臂堆料机大立柱腿强度与刚度都符合要求，而且整个的计算结果具有较高的计算精度。

2）侧式悬臂堆料机来料车大支腿在三种工况下，其应力应变均在其屈服极限内，但在电机反转时应变突增，因此应考虑改进电控通过重新设定减速时间参数，从而降低了减速引起的冲击。

3）根据得到应力应变分布情况，建议对关键结构尺寸作了一些调整，如加大支腿梯形下拐角处角度和牵引杆与支腿连接处板材厚度，减少应力应变，以达到结构优化的目的。

4）应用虚拟样机建模和有限元分析方法， 对堆料机大立柱腿受力作了仿真分析，可以简化堆料机的设计开发过程，减少开发成本。

[1]马魁文, 杨好志.悬臂式堆料机臂架的优化设计.起重运输机械, 第8期, 20O7, 7-12.

[2]李 媛.石油修井机井架的有限元应力应变分析.青岛农业大学学报(自然科学版)第26卷, 第1期, 2009, 49-51.

[3]杨明.Ansys软件与其它CAD/CAE/CAM软件的接口问题.哈尔滨铁道科技, 2004, 13-15.

[4]薛永杰, 李宏堆.取料机行走减速过程中整机结构冲击过大原因分析及对策.港口科技, 第9期, 2006, 36-37.