斗轮取料机回转轮压测试与有限元分析

方付宏，潘紫微，李权玺，吴海彤

(1.安徽工业大学机械工程学院，安徽马鞍山243002；2.马钢华阳设备诊断工程有限公司，安徽马鞍山243011)

斗轮取料机回转轮压测试与有限元分析

方付宏1，潘紫微1，李权玺1，吴海彤2

(1.安徽工业大学机械工程学院，安徽马鞍山243002；2.马钢华阳设备诊断工程有限公司，安徽马鞍山243011)

采用液压千斤顶顶起取料机单个回转轮组的方法，测试取料机不取料工况下的的油压，通过油压值计算得到该状态下的轮压，并对取料机的回转轮压进行ANSYS分析。比较分析顶起状态下测试的回转轮压和ANSYS分析的回转轮压结果，验证ANSYS分析回转轮压的可行性。进而利用ANSYS分析得取料机在各种工况下的回转轮压。结果表明取料机的质心位置与设计值相符，取料机在各种工况下稳定，回转轮组安全。

斗轮取料机；回转轮压；轮压测试；有限元分析；ANSYS

斗轮取料机是目前最大的散状物料装卸成套设备之一，广泛用于矿山、港口、火电厂、焦化厂、水泥厂等领域[1]。取料机的回转形式主要有回转支撑式和回转台车式2种。对回转台车式斗轮取料机而言，回转轮压是其设计、安装及维护的1个重要参数。回转轮压的大小直接反映取料机重心位置及稳定性，且取料机回转轨道对其有安全性要求，所以回转轮压对取料机的安全生产有非常重要的意义。

对取料机的轮压分析目前多采用理论计算的方法[2]及单独测试每个轮组轮压的方法[3]。取料机结构复杂，安装运行情况难以确定，且取料机轮组是超静定系统，采用理论分析和测试分析轮压的方法在某种程度上影响轮压值的准确度。采用有限元方法对取料机进行分析可以较准确地获得取料机的受力情况，但多数研究者将取料机的结构进行简化，并采用壳单元和梁单元等建立有限元模型[4-5]，这种处理会影响计算结果的准确性。为此，笔者采用现场测试和有限元分析相结合的方法分析取料机的回转轮压，有限元分析中采用实体单元建立回转轮组部分的模型，回转轮与回转轨道的连接采用标准接触对[6]，以期更加真实地模拟回转轮的受力情况。

1 顶起状态回转轮压的现场测试分析

回转轮压的测试方法为：在取料机不取料的工况下，将压力传感器连接在千斤顶无杆腔的液压回路上，利用单个液压千斤顶依次将各回转台车组（如图1）顶起到车轮离开回转轨道，然后取料机进行俯仰运动并记录时间，测得压力传感器在运动过程中的压力变化情况，从而分析计算回转轮压值。测试过程为：用千斤顶顶起某个回转台车组，被顶起的回转台车组的车轮离开回转轨道后，取料机悬臂架从水平位置下俯到下极限位置，接着回水平位置继续上仰到上极限位置，最后回水平位置，悬臂架回水平位置后给千斤顶卸荷，慢慢放下被顶起的回转台车组。重复上述过程，完成另外回转台车组的测试。在测试过程中用秒表记录各运动过程的时间。

现场测试时用320 t的液压千斤顶，活塞杆直径为250 mm，活塞杆截面积为49 087.4 mm2；重力加速度取9.8 m/s2；压力变送器为HUBA511，最大量程为40 MPa，输出为4～20 A的电流信号，通过加1个电阻，将输出改为1～5 V的电压信号；信号采集器为CRAS QL_108，采样频率为512 Hz。测试时，通过三通管将千斤顶无杆腔的液压油接压力变送器，将压力变送器的输出接信号采集器，进行信号采集。对测试信号就行标定、整理，绘制油压曲线。图2所示为千斤顶顶右后轮组时的测试油压曲线，限于篇幅，其它轮组的测试油压曲线未列出。根据记录的悬臂架在某位置时时间，计算出该时刻数据点位置，从而得到该位置的油压值。

经整理分析，得到不取料工况下顶起各回转台车组悬臂架在各位置处的油压，通过油压值计算得到轮压值，结果见表1。

表1 不取料工况顶起状态测得的油压及算得的轮压值Tab.1 Pressure values and wheel loads under non-operating and lifted conditions of the reclimer

2 顶起状态回转轮压的有限元分析

综合考虑ANSYS计算效率和轮压计算结果的准确性，对取料机进行简化，略去对轮压影响很小的回转平台之外的构件，将所有构件的质量综合考虑在简化后的模型上。在SolidWorks中建立如图3所示的回转平台实体模型，接着将模型导入ANSYS建立有限元模型。在ANSYS中采用是solid185单元（材料密度设为0）对导入的模型进行网格划分；在整个取料机回转上部机构的质心处建立1个质量节点（质量为整个回转上部机构的总质量，见表2），并将此质量节点与回转平台上表面的部分节点通过无质量梁单元（梁单元的截面进行多次试计算选取，保证质量节点的变形较小即可）进行连接；在被顶起的回转台车组的顶起部位施加1个竖直向上的位移约束，在其它回转台车组的车轮与轨道间设置接触对，对轨道下表面施加全约束；设置重力加速度。建立的有限元模型如图4。

对建立的有限元模型进行参数设定后求解计算，求解完成后，进入ANSYS后处理模块，导出施加位移约束部位节点的支反力，整理计算得到回转轮压。通过更改有限元模型中的质心位置及质量节点的质量（各种工况下利用图纸等资料理论计算，得到的回转上部机构的质量及其质心位置，如表2，回转中心为回转轨道上表面的圆心）模拟取料机悬臂架在各位置处的情况。

表2 各种工况下回转上部机构的总质量及质心坐标Tab.2 Total mass and coordinate of centre-of-mass of the slewing upper mechanisms under various working conditions

现场测试得到的顶起状态下回转轮压与利用ANSYS计算得到的回转轮压，如表3。由表3可得：ANSYS分析数据与测试数据的相对差值在30%以内，且ANSYS分析的数据比测试数据大；右后轮的轮压大于其它车轮的轮压，与质心位置偏向右后侧相符合。ANSYS分析数据偏大主要是因为在建立的有限元模型中，侧导轮和轨道间无间隙，由此引起侧导轮上有较大的摩擦阻力，而实际测试过程中侧导轮和轨道间存在间隙，没有摩擦阻力的作用。综上，认为现场测试的结果和ANSYS计算的结果相吻合，说明建立的有限元模型是合理的，可以利用ANSYS分析计算取料机在各种工况正常状态下的回转轮压。

测试结果和ANSYS计算结果相符合，说明该取料机经过20多年的生产运行，其质量、质心位置变化不大，表明该取料机的稳定性满足要求。

表3 不取料工况下测试与ANSYS分析的回转轮压/tTab.3 Comparison of the wheel load analyzed byANSYS and tested under non-operation condition/t

3 正常状态下回转轮压的有限元分析

在ANSYS中对有限元模型进行局部修改，更改模型质量节点的位置、质量属性及约束条件等，进而分析计算取料机各种工况下的回转轮压，计算结果如表4。

表4 各工况正常状态下各回转轮的有限元分析轮压/tTab.4 Wheel load analyzed by the FEM of all the wheels under various normal states/t

由表4可得，生产运行中取料机回转轮压最大的为右后轮，每个回转轮组有2个回转车轮，所以最大右后轮压为59.43 t，最小右后轮压为44.54 t。通过分析计算[7]，得到右后轮的车轮踏面疲劳计算载荷为54.47 t，远小于车轮踏面疲劳强度162.5 t，表明回转轮组在生产运行中是安全的。由表4也可得取料机在各种工况下回转轮压的情况，为后续回转下部机构的分析提供载荷数据。

4 结 论

1)顶起状态取料机回转轮压的测试值与ANSYS计算值相吻合，两种方法相互验证，说明测试结果是可靠的，建立的有限元模型是合理的，为正常状态下回转轮压的分析计算提供依据。

2)通过测试轮压与有限元计算轮压的对比分析，表明该取料机经过20多年的生产运行，其质量、质心位置等参数变化不大，其稳定性是满足要求的。

3)通过ANSYS分析正常状态各工况下的回转轮压，得到承受载荷最大的是右后轮，与取料机回转上部机构的质心位置相符合，且右后轮压值在许可范围内，表明回转轮组在生产运行中是安全的；另外通过ANSYS分析得到取料机各种工况下的回转轮压，为后续回转下部机构的分析计算提供载荷数据。

[1]王玉兴，唐艳芹，魏民祥，等.悬臂式斗轮堆取料机的发展及研究动向[J].建筑机械，1999,19(8):25-29.

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[3]张玉华.大型斗轮机的振动特性分析及力学性能测试[D].吉林：吉林大学，2007.

[4]韩刚华，梁智强，余崇义.基于ANSYS的斗轮堆取料机金属结构有限元分析[J].港口装卸，2005,27(5):24-26.

[5]韩晓娟，朱向东.B3Q型悬臂取料机力学模型的建立与有限元分析[J].工程机械，2009,40(11):40-43.

[6]包家汉，徐培民，余晓流，等.柔体机构有限元模态分析中铰链联接的处理[J].机械设计，2007,24(3):13-15.

[7]成大先.机械设计手册[M].4版.北京：化学工业出版社，2002:8-117.

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[9]包家汉，张玉华，薛家国.基于ANSYS的齿轮参数化建模及其应用[J].安徽工业大学学报：自然科学版，2005,22(1):35-38.

[10]潘紫微，邵韦循，王彪，等.80 MN水压机下梁有限元分析[J].安徽工业大学学报：自然科学版，2005,22(2):145-146.

[11]邵明亮，于国飞，耿华.斗轮堆取料机[M].北京：化学工业出版社，2007:38-39

[12]耿华.斗轮堆取料机工作装置动态特性研究[D].吉林：吉林大学，2007.

[13]刘星茹.KL-7型斗轮取料机臂架机构的故障诊断[D].河北：燕山大学，2011.

责任编辑：何莉

Field Test and Finite ElementAnalysis of the Slewing Wheel Load of Bucket Wheel Reclaimer

FANG Fuhong1,PAN Ziwei1,LI Quanxi1,WU Haitong2
(1.School of Mechanical Engineering,Anhui University of Technology,Ma'anshan 243002,China；2.Huayang Ma-steel Equipment Diagnosis Engineering Co.Ltd.，Ma'anshan 243011,China)

Oil pressure of the reclaimer under the conditions of not taking materials was field tested by lifting a single slewing wheel using hydraulic jack,then the lifted test load of the slewing wheel load was calculated with oil pressure value.and the slewing wheel load was analyzed with the finite element method.The practicability that using ANSYS to analyze the slewing wheel load after jacking the wheel up was illustrated by the comparative analysis of the wheel load field tested and that of analyzed with ANSYS,then the slewing wheel loads of various working conditions were analyzed with ANSYS.The results show that there are no obvious changes of the centroid positions of the reclaimer in present situation and the original design;the stability of the reclaimer under various working conditions can meet demands,and the slewing wheel is safe.

bucket wheel reclaimer;slewing wheel load;wheel load test;finite element analysis;ANSYS

U653.928

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2015.01.009

2014-09-26

安徽工业大学创新团队项目(201203)

方付宏(1988-)，男，安徽安庆人，硕士生，研究方向为大型设备运行性能与状态研究。

潘紫微(1956-)，男，江西婺源人，教授，研究方向为大型设备运行性能与状态研究。

1671-7872(2015)-01-0044-04