门式双刮板取料机有限元分析

韩志永+张海宽

【摘 要】 通过对取料机整体结构进行分析后，得知结构应力满足要求，局部结构可从经济性角度做适当的减重处理。利用ANSYS软件，研究在多载荷共同作用下结构应力（应变）和位移（变形）情况，并在有限元计算结果基础上对其结构进行分析，使设计更加合理。通过设计分析，为取料机结构设计提供了良好而高效的设计手段，从而提高设计水平，缩短设计周期，为后续取料机系列化设计及新产品设计打下了基础。

【关键词】 有限元 取料机 ANSYS 门架

1 本文研究工作主要内容

根据门式取料机整体结构特点，本文主要进行了以下工作：通过有限元结果分析，表明结构整体设计相对合理，应力满足要求。研究在多载荷共同作用下结构应力（应变）和位移（变形）情况，并在有限元计算结果基础上对其结构进行分析，提高了设计水平，缩短设计周期。因门式取料机在国内为首创，从国外引进的数据并不完全，在设计方面有很多的不足，为后续产品系列化设计及新产品设计提供了借鉴。使取料机的设计尺寸更加趋于合理并使结构重量尽量减轻。

2 门式取料机工作原理及结构组成

2.1 取料机工作原理

门式取料机在国内几乎没有业绩，而在国外也只有几台。但根据业主的要求，我们对门取进行了考查，并结合多年的同类型产品的设计经验，进行了取料机原理的初步确定。取料机的工作完成主要通过刮板取料系统的运行。首先堆好完整的物料堆，取料机通过固定端梁、摆动端梁中的电机减速机带动行走，使取料机靠近物料堆。在刮板取料系统将要接近物料堆时，刮板运行。刮板取料系统中刮板的运行方向是一致的，即向固定端梁方向。由小刮板向物料的堆顶推料，再由大刮板将料推到固定端梁一侧。然后物料穿过固定端梁中的导料槽，由漏斗进入地面胶带输机将物料带走。

随着固定端梁、摆动端梁的行走，取料机会将料堆的最高部分物料取走。当物料堆最高一部分物被取走后，取料机会通过电子探头得知物料高度下降，刮板取料系统无法取到料。此时取料机会让卷扬提升系统运行，刮板取料系统会下降一定的高度，继续进行取料作业。当刮板取料系统下至水平，将物料全部取走，取料机则完成一个料堆取料作业周期。

2.2 取料机主要结构

本机结构比较复杂，但是根据各部件的重要性不同，其主要结构包括以下部分：刮板取料系统、卷扬提升系统、门架部分、固定端梁、摆动端梁、链条润滑系统等部分。（见图2.1）

3 门式取料机主体结构有限元建模

3.1 取料机结构分析的简化

取料机的大多数机体结构的截面多为箱形和工字形，根据受力方式采用板单元，工字形翼缘采用梁单元。截面尺寸相对较小，受力以拉压为主的构件采用梁单元或杆单元。各部分相连接的铰轴用梁单元和杆单元组合模拟刚度和自由度。网格划分均自由划分的方法，这样不但节省了分析时间又可以保证了结果的精确度。取料机不同的部位采用不同的单元，应力在反映其结构的力学特性的前提下，尽可能选用简单的单元，使得模型既合理，又节约计算时间。为真实模拟原结构，采用多种单元偶合方法，计算模型主要包括以下几个方面：

（1）门架、刮板取料臂架等结构主要由钢板、型钢组成，故采用空间壳单元模拟钢板，梁单元模拟型钢。（2）有限元分析中将卷扬提升系统、司机室等重量作为载荷施加在结构上。（3）车轮和驱动装置简化为有约束的支承点。（4）摆动端梁与门架连接设置为铰接，保证转轴空间360°旋转。（5）省略所有焊缝及连接板，对非危险部位的细节结构进行简化，略去工艺结构，并略去不重要区域的孔及小尺寸结构。（6）结构的简化，造成模型重量小于直实重量，故采用质量元对重量进行了补偿。

3.2 定义材料属性

本文在分析过程中，取料机选择的弹塑性材料模型，与应变速率无关的材料属性，需要的参数有：DENS（密度）、EX（弹性模量）、NUXY（泊松比）、Yield Stress（屈服应力），本机设备材料属性为Q345 碳钢，材质密度7.86×103kg/m3，弹性模量212Gpa，泊松比0.288。

3.3 建模方案

为了描述节点坐标、节点位移及节点载荷方向等有关参数，建立模型时取整体坐标系为右手系OXYZ，其中Y轴垂直向上。建模遵循两个原则：（1）取料机桥梁及端梁型材杆件的连接点为模型的节点；（2）取料机桥梁及端梁型材与板的连接点或施力点为模型的节点；取料机结构复杂，因此在不影响计算精度的前提下，对结构进行了必要简化后，有限元模型见图3.1。

然后对建好的模型进行网格剖分，单元的大小、多少和疏密程度也非常关键。划分网格时，需要分析人员的一些经验和较认真细致的决定与正确的网格单元参数选择。尤其是重要部位，如门架体、刮板取料臂的单元划分，更是关键。在对实际结构划分有限单元网格时，如果使用梁单元来划分钢丝绳和门架中的加强筋和立柱等，则可以节省总单元数目，但大多数加强筋是由钢板焊接成的薄壳结构，也无法描述某些关键部位的细部结构。所以，为了较准确模拟实际结构，计算中使用ANSYS中的92号四面体实体单元和93号高阶壳单元进行网格划分，壳单元用于壳体、筋、立柱等部位的划分。经过ANSYS程序的自由单元划分。

3.4 载荷的加载

对于荷载，国内外常用2种概率模型。像恒载这样与时间无关的永久荷载，根据设备的各部件质量及物料的实际密度。取料机主要承受的载荷有以下几方面。

（1）取料机自重以重力加速度的方式加到每个单元上。（2）在在门架下部施加的刮板臂重以集中载荷的方式加到门架的几个节点上。（3）在设备运行中物料对设备的反作用力，承受的阻力以集中载荷的方式加到门架的节点上。（4）固定取料机底部约束底部的四个结点的所有自由度。 作用在大跨度空间钢结构的可变荷载主要有：风荷载、雪荷载以及少量的活荷载。对于这类可变荷载，荷载模型可采用平稳二项随机过程。根据平稳二项随机过程的特点可知，目标使用期内最大荷载的概率分布函数为：endprint

式中，为荷载概率分布函数；m为荷载在目标使用期内平均出现的次数。在本次分析中没有雪荷载，只有风荷载并忽略其它作用力对取料机的影响。将各载荷加载在不同的点上（见图3.2）。

4 门式取料机有限元计算结果分析

4.1 门式取料机有限元计算结果

模型建立后求解也很重要，当求解选项设置不当时，不出现不收敛的情况，所以要设置合理的数值。通过ANSYS软件的分析计算，可以显示模型的应力与位移图，并能利用颜色区分他们的大小。

通过ANSYS有限元软件分析得出表4.1结论。

4.2 门式取料机有限元计算结果分析

针对本设备的特点，借助于有限元分析软件ANSYS对结构的简支、悬臂和两端固定的组合梁等部件的荷载模型和构件抗力模型进行了深入的分析研究，取料机中的悬臂梁结构，最大允许变形范围。

A：最大允许变形范围

L：悬臂梁长度

也就是说变形一定要小于总长度的3.33‰。利用有限元计算得出的结果，做以下分析：

（1）在刮板臂水平额定静工作载荷作用时，门架的最大应力为190MPa，最大变形为33.8mm。门架长54m，变形约占总长度的0.625‰；（2）前取料臂架最大应力为125MPa，最大变形为17.7mm。前取料臂架长17.9m，变形约占总长度的0.98‰；（3）后取料臂架最大应力为118MPa，最大变形为62.5mm。后取料臂架长30.8m，变形约占总长度的2.0‰；（4）摆动端梁最大应力为118MPa，最大变形为12.5mm。摆动端梁长度为5000mm，变形约占总长度的2.5‰；（5）取料臂架上吊点最大应力为121MPa，最大变形为62.5mm。后取料臂架长30.8m，变形约占总长度的2.0‰；（6）固定端梁最大应力为132MPa，最大变形为18.6mm。固定端梁长7.54m，变形约占总长度的2.4‰。

综合以上分析，以上结论都满足门式刮板取料机的安全性设计要求，有限元计算结果与理论计算结果很接近。所以该有限元分析结果是可信的。

从结果来看整机的应力在设备可承受范围内。其设备应力主要出现在设备门架与两侧端梁联接处。设备的两个端梁是用来承载整台设备的重量，所以在门架与端梁的接触点上有很小的应力集中，可以通过加强局部钢板的厚度来解决。由于取料的机的门架中间最高处大截面，而两端与端梁相接处较小截面的设计方式，所以在门架的中间反而没有应力集中的出现。主刮板臂也有应力集中，因为刮板不但受到物料的反作用力，而且还受到卷扬机构的一个水平的拉力。虽然刮板臂也采用了同门架相同的设计理念，但是还是出现了应力集中现象。通过ANSYS有限元分析软件分析后，主刮板臂应力在可以承受围内。

经过有限元分析，设备没有出现过大的应力集中，说明应力较小，但是整台设备出现了总长度变形。所以在结构方面改进减重的空间不大。可以在不太重要的地方进行小幅度的减重。

5 结语

门式堆取料机目前在国内还属于一种新型设备，与臂式斗轮、桥式斗轮、桥式刮板等结构的堆取料机相比，很多数据仍然处于摸索状态，只能通过类比设计。很多数据是需要经过长时间的检测得到的。

本文以门式取料机整机结构为研究对象，对其进行了从设计到有限元分析的研究。通过理论设计，通过对门式取料机整机的建模，并对有限元结果进行分析，表明结构整体设计相对合理，应力满足要求，局部结构可从经济性角度做进一步的减重处理。通过前面的设计分析可以看出，方法对结构设计提供了良好而高效的设计手段，从而提高设计水平，可以有效的缩短产品开发的周期，提高生产效率，为后续产品系列化设计及新产品设计提供了借鉴。

参考文献：

[1]泮威风.门式刚架轻钢结构抗风柱的设计[J].宁波大学学报（理工版），2005，12：549-552.

[2]尹现吉，马春雨，郝岩.大型斗轮堆取料机三维有限元分析[J].试验技术和试验机，2006，3：20-21.

[3]谢加保.带式输送机传动滚筒虚拟样机的设计与研究[D].安徽：安徽理工大学，2009.

[4]Saeed Moaveni著，欧阳宇，王菘，等译.ANSYS理论与应用[M].北京：电子工业出版社，2003，6.endprint

式中，为荷载概率分布函数；m为荷载在目标使用期内平均出现的次数。在本次分析中没有雪荷载，只有风荷载并忽略其它作用力对取料机的影响。将各载荷加载在不同的点上（见图3.2）。

4 门式取料机有限元计算结果分析

4.1 门式取料机有限元计算结果

模型建立后求解也很重要，当求解选项设置不当时，不出现不收敛的情况，所以要设置合理的数值。通过ANSYS软件的分析计算，可以显示模型的应力与位移图，并能利用颜色区分他们的大小。

通过ANSYS有限元软件分析得出表4.1结论。

4.2 门式取料机有限元计算结果分析

针对本设备的特点，借助于有限元分析软件ANSYS对结构的简支、悬臂和两端固定的组合梁等部件的荷载模型和构件抗力模型进行了深入的分析研究，取料机中的悬臂梁结构，最大允许变形范围。

A：最大允许变形范围

L：悬臂梁长度

也就是说变形一定要小于总长度的3.33‰。利用有限元计算得出的结果，做以下分析：

（1）在刮板臂水平额定静工作载荷作用时，门架的最大应力为190MPa，最大变形为33.8mm。门架长54m，变形约占总长度的0.625‰；（2）前取料臂架最大应力为125MPa，最大变形为17.7mm。前取料臂架长17.9m，变形约占总长度的0.98‰；（3）后取料臂架最大应力为118MPa，最大变形为62.5mm。后取料臂架长30.8m，变形约占总长度的2.0‰；（4）摆动端梁最大应力为118MPa，最大变形为12.5mm。摆动端梁长度为5000mm，变形约占总长度的2.5‰；（5）取料臂架上吊点最大应力为121MPa，最大变形为62.5mm。后取料臂架长30.8m，变形约占总长度的2.0‰；（6）固定端梁最大应力为132MPa，最大变形为18.6mm。固定端梁长7.54m，变形约占总长度的2.4‰。

综合以上分析，以上结论都满足门式刮板取料机的安全性设计要求，有限元计算结果与理论计算结果很接近。所以该有限元分析结果是可信的。

从结果来看整机的应力在设备可承受范围内。其设备应力主要出现在设备门架与两侧端梁联接处。设备的两个端梁是用来承载整台设备的重量，所以在门架与端梁的接触点上有很小的应力集中，可以通过加强局部钢板的厚度来解决。由于取料的机的门架中间最高处大截面，而两端与端梁相接处较小截面的设计方式，所以在门架的中间反而没有应力集中的出现。主刮板臂也有应力集中，因为刮板不但受到物料的反作用力，而且还受到卷扬机构的一个水平的拉力。虽然刮板臂也采用了同门架相同的设计理念，但是还是出现了应力集中现象。通过ANSYS有限元分析软件分析后，主刮板臂应力在可以承受围内。

经过有限元分析，设备没有出现过大的应力集中，说明应力较小，但是整台设备出现了总长度变形。所以在结构方面改进减重的空间不大。可以在不太重要的地方进行小幅度的减重。

5 结语

门式堆取料机目前在国内还属于一种新型设备，与臂式斗轮、桥式斗轮、桥式刮板等结构的堆取料机相比，很多数据仍然处于摸索状态，只能通过类比设计。很多数据是需要经过长时间的检测得到的。

本文以门式取料机整机结构为研究对象，对其进行了从设计到有限元分析的研究。通过理论设计，通过对门式取料机整机的建模，并对有限元结果进行分析，表明结构整体设计相对合理，应力满足要求，局部结构可从经济性角度做进一步的减重处理。通过前面的设计分析可以看出，方法对结构设计提供了良好而高效的设计手段，从而提高设计水平，可以有效的缩短产品开发的周期，提高生产效率，为后续产品系列化设计及新产品设计提供了借鉴。

参考文献：

[1]泮威风.门式刚架轻钢结构抗风柱的设计[J].宁波大学学报（理工版），2005，12：549-552.

[2]尹现吉，马春雨，郝岩.大型斗轮堆取料机三维有限元分析[J].试验技术和试验机，2006，3：20-21.

[3]谢加保.带式输送机传动滚筒虚拟样机的设计与研究[D].安徽：安徽理工大学，2009.

[4]Saeed Moaveni著，欧阳宇，王菘，等译.ANSYS理论与应用[M].北京：电子工业出版社，2003，6.endprint

式中，为荷载概率分布函数；m为荷载在目标使用期内平均出现的次数。在本次分析中没有雪荷载，只有风荷载并忽略其它作用力对取料机的影响。将各载荷加载在不同的点上（见图3.2）。

4 门式取料机有限元计算结果分析

4.1 门式取料机有限元计算结果

模型建立后求解也很重要，当求解选项设置不当时，不出现不收敛的情况，所以要设置合理的数值。通过ANSYS软件的分析计算，可以显示模型的应力与位移图，并能利用颜色区分他们的大小。

通过ANSYS有限元软件分析得出表4.1结论。

4.2 门式取料机有限元计算结果分析

针对本设备的特点，借助于有限元分析软件ANSYS对结构的简支、悬臂和两端固定的组合梁等部件的荷载模型和构件抗力模型进行了深入的分析研究，取料机中的悬臂梁结构，最大允许变形范围。

A：最大允许变形范围

L：悬臂梁长度

也就是说变形一定要小于总长度的3.33‰。利用有限元计算得出的结果，做以下分析：

（1）在刮板臂水平额定静工作载荷作用时，门架的最大应力为190MPa，最大变形为33.8mm。门架长54m，变形约占总长度的0.625‰；（2）前取料臂架最大应力为125MPa，最大变形为17.7mm。前取料臂架长17.9m，变形约占总长度的0.98‰；（3）后取料臂架最大应力为118MPa，最大变形为62.5mm。后取料臂架长30.8m，变形约占总长度的2.0‰；（4）摆动端梁最大应力为118MPa，最大变形为12.5mm。摆动端梁长度为5000mm，变形约占总长度的2.5‰；（5）取料臂架上吊点最大应力为121MPa，最大变形为62.5mm。后取料臂架长30.8m，变形约占总长度的2.0‰；（6）固定端梁最大应力为132MPa，最大变形为18.6mm。固定端梁长7.54m，变形约占总长度的2.4‰。

综合以上分析，以上结论都满足门式刮板取料机的安全性设计要求，有限元计算结果与理论计算结果很接近。所以该有限元分析结果是可信的。

从结果来看整机的应力在设备可承受范围内。其设备应力主要出现在设备门架与两侧端梁联接处。设备的两个端梁是用来承载整台设备的重量，所以在门架与端梁的接触点上有很小的应力集中，可以通过加强局部钢板的厚度来解决。由于取料的机的门架中间最高处大截面，而两端与端梁相接处较小截面的设计方式，所以在门架的中间反而没有应力集中的出现。主刮板臂也有应力集中，因为刮板不但受到物料的反作用力，而且还受到卷扬机构的一个水平的拉力。虽然刮板臂也采用了同门架相同的设计理念，但是还是出现了应力集中现象。通过ANSYS有限元分析软件分析后，主刮板臂应力在可以承受围内。

经过有限元分析，设备没有出现过大的应力集中，说明应力较小，但是整台设备出现了总长度变形。所以在结构方面改进减重的空间不大。可以在不太重要的地方进行小幅度的减重。

5 结语

门式堆取料机目前在国内还属于一种新型设备，与臂式斗轮、桥式斗轮、桥式刮板等结构的堆取料机相比，很多数据仍然处于摸索状态，只能通过类比设计。很多数据是需要经过长时间的检测得到的。

本文以门式取料机整机结构为研究对象，对其进行了从设计到有限元分析的研究。通过理论设计，通过对门式取料机整机的建模，并对有限元结果进行分析，表明结构整体设计相对合理，应力满足要求，局部结构可从经济性角度做进一步的减重处理。通过前面的设计分析可以看出，方法对结构设计提供了良好而高效的设计手段，从而提高设计水平，可以有效的缩短产品开发的周期，提高生产效率，为后续产品系列化设计及新产品设计提供了借鉴。

参考文献：

[1]泮威风.门式刚架轻钢结构抗风柱的设计[J].宁波大学学报（理工版），2005，12：549-552.

[2]尹现吉，马春雨，郝岩.大型斗轮堆取料机三维有限元分析[J].试验技术和试验机，2006，3：20-21.

[3]谢加保.带式输送机传动滚筒虚拟样机的设计与研究[D].安徽：安徽理工大学，2009.

[4]Saeed Moaveni著，欧阳宇，王菘，等译.ANSYS理论与应用[M].北京：电子工业出版社，2003，6.endprint