基于有限元法的顶堆侧取刮板臂架钢结构分析

耿 雨孔 飞（.北方重工集团有限公司，辽宁 沈阳 04；.沈阳飞机工业（集团）有限公司，辽宁 沈阳 04）

基于有限元法的顶堆侧取刮板臂架钢结构分析

耿 雨1孔 飞2
（1.北方重工集团有限公司，辽宁 沈阳 110141；2.沈阳飞机工业（集团）有限公司，辽宁 沈阳 110141）

本文采用有限元的方法对顶堆侧取中刮板臂架的钢结构进行了静力学分析，得出了变形和应力结果。为与强度、刚度相关的设计提供了数据支持。

顶堆侧取；钢结构；有限元；静力分析；刚度；强度

1 引言

顶堆侧取式堆取料机是一种新型环保且具有混匀功能的堆取料机，多用于大容量原煤储料车间。料场采用封闭式厂房，提高了土地利用率，杜绝了因粉尘对料场附近环境的污染。现在广泛应用于煤矿、钢厂、电厂、散料物流等领域。

作为顶堆侧取中重要的一部分，刮板臂架起到支撑刮板输送系统运行的重要作用。刮板臂架的刚度及强度是否符合要求是顶堆侧取取料装置部分能否安全、顺畅运行的前提。以往的传统计算方法在计算精度及局部刚度、强度计算方面还有很多无法解决之处。本文简单论述了如何采用有限元的方法对顶堆侧取中刮板臂架的钢结构进行静力学分析，以校核刮板臂架的强度及刚度。

2 刮板臂架钢结构强度、刚度分析

2.1有限元分析模型的建立

刮板臂架底部与门架铰接；中上部设有钢丝绳吊点；沿刮板臂架分布着上下导槽；在刮板臂架头部安装有改向链轮组及液压张紧装置；在刮板臂架尾部有驱动链轮组及驱动装置。刮板刮着物料在导槽中沿刮板臂架运动以实现取料的功能。整个刮板输送系统可通过钢丝绳对刮板臂架的牵引实现绕底部铰点作从水平至上仰38.5°的俯仰运动，同时通过门架的运动实现在水平面内绕料场中心的回转运动。

为了提高计算效率，模型的建立过程中可将不重要区域的小孔、小尺寸结构及工艺结构忽略。在有限元分析方法中我们需要将分析模型不同的部位简化为不同种类的离散单元来模拟结构的实际力学性能。钢丝绳部分采用杆单元进行模拟（为消除钢丝绳伸长量对计算结果的影响，需将钢丝绳材料刚度设置的非常大，使钢丝绳伸长量近似为0）；钢板部分采用板单元进行模拟；传动轴部分采用刚体单元进行模拟。有限元模型如图1所示。

2.2 载荷及约束

在刮板臂架上主要作用有如下载荷：（1）尾部链轮组重量580kg；（2）刮板及链条重量27558 kg，沿刮板臂架全长均布；（3）驱动链轮组重量2911 kg；（4）刮板驱动重量3435 kg；（5）张紧链轮张紧力61600 N；（6）物料摩擦阻力15720N；（7）切削阻力10000 N；（8）刮板回转摩擦阻力13270 N；建模部分自重由程序自动生成。

在刮板臂架尾部回转铰点约束除绕俯仰铰点俯仰转动外所有自由度，钢丝绳定滑轮处约束所有平移自由度。

2.3 计算工况的选取

对于刮板臂架刚度，应选取臂架所受弯矩最大工况，即水平工况。

对于刮板臂架强度，由于刮板臂架在工作过程中存在水平与上仰38.5°两种极限工况，所有此结构需分两种工况进行分析：Ⅰ、刮板臂架水平；Ⅱ、 刮板臂架上仰（臂架与水平面成38.5°角）。

2.4 计算结果

根据GB/T 3811-2008 《起重机设计规范》中相关规定，刮板臂架在吊点前的悬臂部分变形量应小于悬臂部分长度的1/300；在俯仰铰点与钢丝绳吊点之间部分变形量应小于俯仰铰点与钢丝绳吊点间距离的1/600。

本结构材料为Q235-A，材料的屈服强度为235MPa，钢材的弹性模量E=206000MPa，泊松比为0.3，密度P=7.85×103。依据JB/T8849-2005《移动式散料连续搬运设备钢结构设计规范》中的规定，其许用应力为160 MPa。

经分析计算后得出的变形结果如图2所示。由图2中可看出刮板臂架在吊点前的悬臂部分变形量为7.5mm，小于悬臂部分长度10000mm的1/300；在俯仰铰点与钢丝绳吊点之间部分变形量为28.29mm，小于俯仰铰点与钢丝绳吊点间距离24645mm的1/600。

经分析计算后得出的应力结果如图3、图4所示。现将应力计算结果汇总为表1。由表1可以看出；此台设备刮板臂架各工况的应力均未超过许用应力；最大应力始终在张紧液压缸支座处，且应力大小基本不变，这是由于液压缸的张紧力在各个工况是相同的；主截面的应力值在水平工况下最大，但远小于材料的许用应力值。

表1 应力计算结果汇总表

图1 刮板臂架有限元分析模型

图2 变形云图

图3 工况Ⅰ应力云图

图4 工况Ⅱ应力云图

结语

由分析结果可看出，此台顶堆侧取式堆取料机的刮板臂架刚度及强度均满足规范要求，且整体应力值较小，可对其进行进一步的优化，减轻设备的重量。同时，通过计算还可以精确的得出俯仰铰点的支反力和钢丝绳的拉力，为顶堆侧取堆取料机其它部件的设计提供了准确的数据。

[1]GB/T 3811-2008，起重机设计规范[S].

[2]JB/T 8849-2005，移动式散料连续搬运设备钢结构设计规范[S].

TG31

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