基于ANSYS 的臂式斗轮堆取料机上部钢结构分析

吕 岩 赵兴钢

（北方重工集团有限公司，辽宁 沈阳 110027）

1 概述

斗轮堆取料机是最大的散料处理成套设备，随着火力发电厂、港口码头、钢铁、矿山等散料输送系统的迅猛发展，斗轮堆取料机开始向大型化的方向发展。斗轮机的上部钢结构承受着自重、物料、挖掘力、风载荷等垂直、水平及侧向等多种载荷，同时，由于结构的非对称性，还承受着附加扭矩载荷，因此其结构的合理性是斗轮堆取料机产品设计和提高性能的关键。

2 研究内容及方法

本文以非洲矿业项目DQL4000/3000·45 臂式斗轮堆取料机上部钢结构为研究对象，应用大型有限元分析软件ANSYS对初始设计方案进行有限元建模，并进行静力学分析和模态分析，达到既满足结构强度又达到降低成本的目的。

2.1 上部钢结构计算

2.1.1 计算工况

该斗轮机俯仰形式采用整体液压俯仰，计算臂架水平、臂架上仰至上限位置（11.3°）及臂架下俯至下限位（-10.5°）三种状态。以及三种工况，分别是：工况Ⅰ，斗轮机受自重载荷作用；工况Ⅱ，斗轮机正常取料；工况Ⅲ，斗轮机超载挖掘取料。

2.1.2 载荷种类

斗轮堆取料机钢结构的载荷分为主要载荷和附加载荷。主要载荷有：①恒载荷；②变动有效载荷；③动载荷；④正常挖掘阻力。附加载荷：①风载荷；②非正常挖掘阻力。

2.1.3 有限元模型的建立

基于上部钢结构的特点，型钢以及销轴等主要承受拉伸、压缩和弯曲的长细比构件均采用梁单元BEAM44 模拟，拉杆两端铰接主要是轴向力，因此用杆单元LINK10 模拟。臂架、塔架完全采用板壳单元SHELL63 建立模型，从而反映其复杂的受力情况。有限元模型如图1 所示。

图1 结构模型及加载情况

2.1.4 应力计算结果

上部钢结构的等效应力云图如图2所示，各部分的应力值见表1。所有应力值均小于Q345 号钢的屈服极限。其最大应力发生在塔架上，大小为193.9MPa，而其他部位的应力有的比较少，因此可以进一步优化，使钢结构更合理。

图2 上部钢结构应力云图

表1 上部钢结构应力

2.2 上部钢结构模态分析

对于斗轮堆取料机上部钢结构这样的大型钢结构求解低阶固有频率网格的划分与静态分析有所不同，整个模型应采取比较均匀的网格。这是因为固有频率和振型仅与结构总体的质量分布和刚度分布有关，不存在类似应力集中的现象，其次，均匀网格可使结构刚度矩阵和元素大小不至相差太大，可以减小数值计算误差。

计算模态采用分块BlockLanczos 法。通过对上部钢结构的模态分析,得出钢结构前4 阶振动的固有频率和振动模型（见如下图表）。

2.2.1 上部钢结构模态分析结果

表2 模态分析结果

2.2.2 上部钢结构振动振源及频率

图3 上部钢结构满载时前四阶振型

（1）设备振源主要存在于以下几个位置：①斗轮装置工作产生的振动；②胶带机滚筒产生的振动；③胶带产生的振动；④物料运行产生的振动。

（2）振源频率分析计算：①料斗的冲击频率：0.933Hz；②驱动滚筒产生的频率：1.162Hz；③头部卸料滚筒产生的频率：1.452Hz。

可见，激励频率与结构固有频率间的差值较大，可以认为这些激励源不会引起共振。这对实际生产时，避开这些容易引起共振的频段有一定的指导意义。

结语

上部钢结构是斗轮堆取料机的重要组成部分，由于斗轮机的结构构成及受力状态复杂，用传统的力学方法很难准确地对其进行受力状态分析。借用现代有限元分析方法，能够模拟实际结构和多种工况，得到比较真实的受力状态分析结果，模态分析得出其固有频率，并与激励源频率做出比较，避免共振发生，也为结构动力特性的优化设计提供依据。

[1]邵明亮.斗轮堆取料机[M].北京：化学工业出版社，2007.

[2]傅永华.有限元分析基础[M].武汉：武汉大学出版社，2003.

[3]傅志方，华宏星.模态分析理论与应用[M].上海：上海交通大学出版社，2000.