基于可靠性斗轮机的结构优化

金海龙 张健睿

摘 要：现代工业的施工机械不仅要求有较高的强度和稳定性，还要求设备的轻量化，尤其针对大型工程机械，所以对大型工程机械的优化设计就显得至关重要。文章对斗轮机的结构进行具体的分析，并提出了相应的优化设计，为斗轮机的设计者及使用者提供了有效的支持，同时为同类工程机械的结构优化提供了借鉴。

关键词：斗轮机；结构优化；可靠性；分析

引言

斗轮机是一种料场散货专用的堆取工程机械，一般用于大型散货港口、大型钢铁厂的矿石或煤炭原料场以及火电厂的储煤场等类型场所。在工业使用上会因为物料的不同以及使用工况的不同而选用不同的斗轮机参数，它的主要工作原理是通过斗轮连续取料，再用带式输送机进行连续堆料，从而达到连续不断的供给原材料的机械。与间歇式工作的起重机和装载机相比较，斗轮机具有效率高、堆取能力强、运行速度稳定、功率变化小、自动化水平高、占地面积小等优点。斗轮机作为大型工程机械同样具有苯重、不灵活等缺相，尤其是斗轮机的俯仰结构是斗轮机的核心部件，在工作中需要上下俯仰和水平旋转，它的重量严重影响了斗轮机的工作效率。文章通过对斗轮机结构的优化设计，为斗轮机的推广使用提供有力的支持。

1 基于可靠性斗轮机的结构优化研究

1.1 斗轮机的结构及工作原理简介

斗轮机的主要结构有回转机构、斗轮机构、行走台车尾车、带式输送机以及俯仰结构。斗轮机构是用于取料的执行结构，由斗轮和斗轮的驱动装置组成；俯仰结构是斗轮机进行工作的核心结构，也是整个斗轮机中受力最复杂的结构，它的工作方式有取料和堆料两种，在进行取料工作时，物料由斗轮带动进入带式输送机，由带式输送机运走，同时通过俯仰结构的选择和上下移动选择取料位置，以便于将料堆取尽，而堆料过程与之相反，由输送机将物料放在臂架的传输带上，由传输带送到斗轮处，抛洒在料场上，然后通过臂架的旋转、俯仰保证料堆成梯形断面分布。斗轮机是连续规律工作的，容易实现自动化，在控制方式上分为手动、半自动以及自动三种，而俯仰结构是斗轮机的核心结构，它的灵活性是斗轮机工作效率的关键，所以对俯仰结构进行优化设计是至关重要的，将它的重量作为一个优化目标，在满足其它条件的情况下，重量越小越好，所以文章以斗轮机的俯仰结构作为研究对象进行可靠性优化设计。

1.2 斗轮机俯仰结构可靠性优化设计的理论分析

在传统机械设计中，大多采用材料强度的许用应力作为约束条件进行设计，这样的方法简单易行，具有一定的参考价值，已经被大多数的设计者采用，但是却忽略了参数的随机性和离散性两个最很重要的因素，所以设计的工业产品在进行安全系数选择时具有很强大的近似性和经验性，不是符合客观实际的最优方案，也不能定量的反应工程系统的可靠性，所以有必要引入机械可靠性设计对斗轮机俯仰机构进行优化设计。

在机械设计中，为了保证结构的安全工作，通常将设计的结构强度高于系统的工作压力，但对于可靠性设计来说，由于结构的强度值与应力值都具有很大的离散性，所以应力强度仍然有可能高于结构的强度，即结构存在失效的可能性。因此，我们应该运用现代机械可靠性設计的理论，在忽略设计参数的随机性和离散型条件下，建立了基于可靠性的斗轮机结构优化设计模型，对斗轮机结构进行优化设计，引入可靠性许用应力的新概念。

对于可靠性优化设计来说，主要目的是研究将机械设计与机械可靠性设计进行有机结合的可能性。综合两种机械设计理念，使设计在满足定量可靠性的前提下，进行机械设计不能定量的可靠性设计，用精确的理论设计取代传统的经验近似设计，使斗轮机在作业中能够灵活俯仰以及选择，对它的俯仰结构进行可靠性的优化设计，具有很大的经济效益和实用价值。

1.3 斗轮机俯仰结构的优化设计

对斗轮机俯仰结构的可靠性优化设计，主要是对机械可靠性设计中基础理论公式进行变差系数的计算，即不能将参数当成定值，而是视为离散的随机变量，从而减轻有关作业负荷、结构尺寸、材料强度等统计特征数据的影响。

选定设计变量，建立目标函数。选取水平臂架、立柱截面尺寸、前拉杆、平衡重拉杆以及撑杆截面积为设计变量，以俯仰结构的总体积最小，即结构自身种量最轻为优化目标。

约束条件的选取及原因分析。考虑俯仰结构的生产制造工艺和维护保养的需要，钢板厚度不能低于6mm，同样考虑到钢板的焊接性能和机械性能，钢板的厚度不能超过20mm，考虑到料场使用的方便，立柱高度不得超过8m，俯仰结构的水平臂架要采用双工字钢做组合梁，立柱采用双箱型钢作组合梁，这些组合在工作过程中反复受到压力、弯矩的组合负载，为了保证俯仰结构的整体稳定性和局部稳定性，工字钢的宽度、厚度、宽厚比以及高厚比必须符合国家标准规定的工字钢选用标准。

可靠性许用应力和刚度的计算。进行可靠性优化设计的关键在于可靠性许用应力的计算，根据机械可靠性设计的选用标准可知：斗轮机结构的16Mn钢的可靠性参数为：μδ=345MPa，Cδ=0.054，σδ=μδXCδ=18.63MPa。取斗轮机俯仰结构的可靠度为0.999，则可靠性系数为z=3.09，所以可靠性许用应力公式应为：

根据此公式求得各构件在可靠性为0.999时的许用应力如表1所示：

优化算法选择。对于斗轮机俯仰结构这样的多变量、多约束条件的非线性优化问题，常用的优化计算方法有模拟退火、遗传算法、拉格朗日法等。其中模拟退火算法比较适合解决这种大规模组合优化问题，能够受较少的初始条件和初始点的限制，在一定的条件下收敛于整体最优解集。

计算结果分析。经过生产实际运算结果证明：使用可靠性结构优化设计后，斗轮机俯仰结构的各个截面明显减小，与优化前相比，重量下降了27.6%。

1.4 可靠性优化设计的意义

经过可靠性优化设计的研究分析发现，它具有以下特点：首先可靠性优化设计考虑了设计参数的随机性和离散性，比传统设计更接近客观实际；其次可靠性优化设计在满足传统的定量可靠度的基础上，使设计方案更优，这对大型工程机械优化应力分布和结构布局，减轻设备重量，节省材料，降低工程造价，具有重要意义；再次这种可靠性许用应力的设计方法简单有效，具有很大的可推广性，可以广泛在同类型机械中使用。

2 结束语

文章首先对斗轮机的结构和工作原理进行了详细的描述，并论述了斗轮机进行优化设计的必要性，然后通过与传统设计方法对比，说明了可靠性优化设计的理论和优势，最后对斗轮机俯仰机构的可靠性优化设计的关键理论进行了探讨，并结合优化结果与生产实际说明了这种优化设计方法的意义，为斗轮机的生产者和使用者提供了有效的理论支持，也为同类型的工程机械进行优化设计提供了一种有效的借鉴方案。

参考文献

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[2]许见春，赵立峰.斗轮机的结构组成及工作工艺研究[J].科技资讯，2008，05（05）：85-85.