门式刮板取料机门架结构有限元分析

王　浩　刘红卫　程　佳

（北方重工集团设计研究院，沈阳110141）



门式刮板取料机门架结构有限元分析

王浩刘红卫程佳

（北方重工集团设计研究院，沈阳110141）

摘要：门架是门式刮板取料机中的主要承载部件，其结构决定了整机的性能和重量。因此，本文利用ANSYS软件对门架进行了建模和有限元分析，为门架的具体结构设计与优化提供了理论依据。

关键词：门式刮板取料机门架ANSYS有限元分析

门架式刮板取料机是将刮板取料机设在一门形构架上，取料机的俯仰采用机械式，即通过设在中心立柱附近的卷筒带动钢丝绳运动来实现的。门架一端与中心立柱亦采用回转支承轴承连接，另一端支撑在料场挡料墙上部的圆形轨道上，取料机的回转通过圆形轨道上的台车驱动来完成。

1 QGM200 /54 门式刮板取料机主要结构

QGM200/54门式刮板取料机是某自备电厂输料系统中料场取料设备，其主要由门架、固定端梁、摆动端梁和刮板输送系统组成。门架结构长度跨距54米，高23米，宽度支撑跨距7米。门架结构全部用钢板和型钢焊接或有螺栓联接而成。

2 门架的模型建立及分析

2.1 模型主要结构

QGM200/54门式刮板取料机门架结构全部由型钢和钢板焊接或栓接成的结构，根据结构特点和受力情况,有限元分析时把钢结构各部分均等效为三维弹性板单元和三维弹性梁单元。划分有限元后得到17815个板单元，103个梁单元，节点总数为47287个。

2.2 模型单元特性

取料机门架钢结构是由多种型钢杆件和钢板组合成的空间结构，受有三维方向的力和弯矩作用，根据结构特点和受力情况,有限元分析时简化成空间强支撑框架结构，结构中型材构件均等效为三维弹性梁单元BEAM189，钢板焊接部分简化成三维弹性板单元，两种单元的特性分述如下：三维弹性板单元每个节点具有6个自由度，即沿X、Y、Z轴移动和绕X、Y、Z轴转动。该单元由4个结节点确定，结构分析中该单元所需输入的参数。三维弹性梁单元是具有拉伸、压缩、扭转和弯曲功能的单轴单元，在每个节点上具有6个自由度，即沿X、Y、Z轴移动和绕X、Y、Z轴转动。该单元由三个节点确定。

2.3 模型中节点的确定遵循如下原则：

（1）结构各部分连接点为模型的节点；

（2）结构施力点为模型的节点。

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。门架结构单元图如图1所示。

图1 门架结构单元图

2.4 边界条件约束

取料机门架结构分别通过头部和尾部铰接结构与固定端梁和摆动端梁联接，有限元分析时将门架结构与固定端梁两处铰接点分别约束X、Y、Z三方向的线位移，门架结构与摆动端梁联接的球铰点约束Y、Z两方向的线位移。

3 载荷分析

3.1 门架结构作用载荷

（1）变幅机构载荷：卷扬机构P1=2500kg；定滑轮组P2=702kg；卷扬钢绳力T2（见刮板输送系统对门架作用力）。

（2）控制室及挂架P3=4498kg。

（3）主刮板驱动装置、驱动链轮组、导料槽P4=7494kg。

（4）主刮板链条张力F1=104KN。

（5）刮板输送系统对门架作用力。刮板输送系统与门架连接处是刮板对门架载荷的作用点，其载荷值由刮板输送系统结构受力分析计算而得如下：定滑轮点作用力T1、T2；摆动端梁侧副刮板对门架作用力P5x、P5y；固定端梁侧主刮板对门架作用力P6x、P6y；副刮板在大车运行方向阻力F2=10360N；副刮板在大车运行方向阻力F3=17640N；当刮板在不同位置时，其对门架作用力见表1。

（6）梯子、栏杆Q2=100kg/m2（沿门架均布）。

（7）风载基本风压W=80kg/m2（仅计算横向风载）。

（8）门架结构自重80170kg。

3.2 载荷组合

结构载荷按表2进行组合

表1 刮板输送系统对门架作用力

表2 载荷组合

由载荷组合，取刮板输送在三个不同位置（0°、20°、37°）时工作情况，共有九种工况：

工况一，主刮板0°副刮板0°,第Ⅰ种载荷组合；工况二，主刮板0°副刮板0°,第Ⅱ种载荷组合；工况三，主刮板0°副刮板0°,第Ⅲ种载荷组合；工况四，主刮板20°副刮板18°,第Ⅰ种载荷组合；工况五，主刮板20°副刮板18°,第Ⅱ种载荷组合；工况六，主刮板20°副刮板18°,第Ⅲ种载荷组合；工况七，主刮板35°副刮板37°,第Ⅰ种载荷组合；工况八，主刮板35°副刮板37°,第Ⅱ种载荷组合；工况九，主刮板35°副刮板37°,第Ⅲ种载荷组合。我们选取工况最恶劣的工况九对门架进行分析计算。

4 计算结果

结构计算输出结果时，应力云图中单位均为MPa。结构变形值单位为mm。

4.1 强度计算结果（如图2、图3）

4.2 计算结果分析

取料机门架钢结构型材和钢板材料均为Q345E。钢材的力学特性如表3所示。

根据载荷的类型，选取安全系数n=1.2,则许用应力：［σ］=288 Mpa，门架最大应力为268.16 MPa，小于许用应力，结构变形也在允许的范围内，因此门架整体满足设计要求。

图2 工况九门架结构整体应力图

图3 工况九门架结构局部应力图

表3 钢材的力学特性

5 结论

本文利用ANSYS对门式刮板取料机的门架进行了建模和有限元分析，为其详细设计与进一步的结构优化提供了理论依据。

参考文献

［1］张洪信，赵清海.ANSYS有限元分析完全自学手册［M］，北京，机械工业出版社，2008.

［2］王少怀.机械设计师手册［M］，北京，电子工业出版社，2006.

［3］中华人民共和国建设部.GB50017-2003钢结构设计规范［S］，北京，中国计划出版社，2003.

Finite Element Analysis of Portal Scraper Reclaimer Portal-frame Structure

WANG hao, LIU Hongwei, CHENG Jia
（Design and Research Institute ,Northern Heavy Industries Group, Shenyang 110141）

Abstract:The portal-frame is the main load-bearing component of the Portal scraper reclaimer, the structure determines the performance and the weight of the whole machine.So this paper uses the ANSYS method to model and make finite element analysis. It will provide theory basis to the design of the portal-frame and further improvement.

Key words：portal scraper reclaimer, portal-frame, ANSYS finite element analysis