装船机俯仰机构计算和L架结构有限元分析

2014-12-02 01:40高崇金

机械工程师 2014年8期

高崇金

（珠海三一港口机械有限公司，广东珠海 519000）

0 引言

在能源、电力、冶金、港口等行业，特别是一些大宗散料集散中心的高速、稳定、集效、滚动式发展中，大型港口散料装船机发挥着重要作用。本文分析的装船机是三一海洋重工1 600 t/h 移动回转式粮食装船机。该装船机为目前国内最大吨位粮食装船机。相对其他装船机，具有整机重量轻、生产率高和载荷大等特点。俯仰机构作为装船机的核心部件，安全方面尤其重要。本文通过建立装船机俯仰机构计算简图，得到俯仰钢丝绳最大拉力，又根据其载荷条件，对上部金属结构通过有限元HyperMesh 软件建立三维模型，对关键部件L 架结构进行分析。并将计算结果用于指导设计，为相关领域提供设计依据和参考。

1 装船机装卸工艺流程及金属结构组成

1.1 装卸工艺流程和主机参数

装船机装船工艺流程如下：仓储区→码头皮带机→转运站→码头皮带机→装船机尾车皮带机→中继皮带机→臂架皮带机→伸缩溜管→船舱。

表1 粮食装船机主要参数

1.2 上部金属结构组成

上部金属结构统称为回转支撑以上部分，它实现了上部回转、臂架俯仰和安全挂钩等动作。包括伸缩溜管、臂架、臂架皮带机和L 架等结构及部件，如图1。

图1 上部钢结构各部件分布图

2 力学模型建立

分析简化后的装船机模型，其中主臂和溜筒，L 架、司机室、除尘系统和机器房等之间相对位置固定，在进行运动分析时作为整体，取其质心位置进行力学分析。臂架系统各部分质心位置如图2 所示，以臂架铰点O 为坐标原点，各质心点坐标为：

溜筒G1（X1，Y1）；臂架G2（X2，Y2）；臂架皮带机G3（X3，Y3）；物料质量G4（X4，Y4）。

重心分布如图2。

图2 重心分布图

建立力矩平衡方程：

式中，G1、G2、G3、G4依次为溜筒、臂架、臂架皮带机、物料自重的各部件重心位置。

表2 臂架水平满载时质心参数

根据表2 中臂架水平满载时质心参数数据，求解方程（1）得：

俯仰机构中，同一零件上各铰点的相对距离是根据具体的结构设计固定不变的，随着俯仰钢丝绳长度的变化，发生变化的是臂架系统与转台之间铰点连线的夹角，这些夹角都是随着俯仰钢丝绳长度这一个变量发生变化的，直接反映为臂架俯仰角度的变化。为更加明确地建立起各变量之间内在的几何联系，将变幅机构的夹角及相对铰点距离均归结为臂架俯仰角度θ 有关的函数。装船机俯仰机构计算简图如图3 所示。

图3 俯仰机构计算简图

图3 中：A（X1，Y1）为L 架滑轮组中心位置；B（X2，Y2）为臂架滑轮组中心位置；D（X3，Y3）为臂架部分重心坐标，同式（2）；α 为臂架滑轮组中心与坐标轴原点连线和X 轴夹角；θ 为臂架俯仰过程中角度变化；γ 为变化过程中L架滑轮组和臂架滑轮组相对坐标轴夹角；β 为L 架滑轮组与Y 轴夹角。

根据已知条件，臂架水平状态下，得出各夹角值和各点之间间距，如表3。

本文选择臂架在几种工况（θ=10°～68°）下电机所需功率、钢丝绳拉力和俯仰时间等进行对比，如表4。

根据以上表格确认钢丝绳在整个俯仰过程中最大拉力F=5×104N，所需最大功率M=29.98 kW，单根钢丝绳最大行程L=13.3 m 等。

表3 各夹角值和距离

表4 各工况下计算结果

3 有限元计算模型

装船机上部金属结构模型如图4 所示。

图4 上部金属结构模型

本文以臂架下俯10°时，分别在无风、工作风载荷垂直于大车轨道方向吹（X 方向）、工作风载荷垂直于大车轨道方向吹（-X 方向）以及工作风载荷平行于大车轨道方向吹（Z 方向）几种工况下分析L 架最大应力。

3.1 载荷组合

1）结构自重G。结构以及结构上均布构件的自重通过更改材料密度来调整模型自重，其余集中载荷构件，采用质量载荷来施加，见表2。

2）制动载荷Kr。Kr=ψλcma。其中：λc为载荷系数；ψ 为惯性载荷增大系数，取值2.0，参考《FEM 设计规范》；m 为结构自重；a 为行走加速度。

通过给有限元模型输入行走加速度，由软件自动计算行走惯性力。

3）风载荷W。风载荷按F.E.M 规范计算，折算到各个节点上。工作状态下，最大风速vi=20 m/s，风压qi=245.2 N/m2。非工作状态下，最大风速vo=55 m/s，风压qo=1854.325 N/m2。工作状态下，风载Wi=CfqiAsin2α，非工作状态下，风载Wo=CfQoAsin2α。式中：C 为风力系数；A 为垂直于风向的迎风面积；α 为风向与结构纵轴的夹角。

风沿垂直轨道方向（X 方向）风载Wix、Wox如表5。