基于可靠性斗轮机的结构优化

陈立国 郑东霞 肖禹 黄宇慧

中国电建集团长春发电设备有限公司 吉林长春 130000

1 基于可靠性斗轮机的结构优化研究

1.1 斗轮机的结构及工作原理简介

斗轮机的主要结构有回转机构、斗轮机构、行走台车尾车、带式输送机以及俯仰结构。斗轮机构是用于取料的执行结构，由斗轮和斗轮的驱动装置组成；俯仰结构是斗轮机进行工作的核心结构，也是整个斗轮机中受力最复杂的结构，工作方式有取料和堆料两种，在进行取料工作时，物料由斗轮带动进入带式输送机，由带式输送机运走，同时通过俯仰结构的选择和上下移动选择取料位置，以便于将料堆取尽，而堆料过程与之相反，由输送机将物料放在臂架的传输带上，由传输带送到斗轮处，抛洒在料场上，然后通过臂架的旋转、俯仰保证料堆成梯形断面分布。斗轮机是连续规律工作的，易实现自动化，在控制方式上分为手动、半自动以及自动三种，而俯仰结构是斗轮机的核心结构，它的灵活性是斗轮机工作效率的关键，所以对俯仰结构进行优化设计是至关重要的，将它的重量作为一个优化目标，在满足其它条件的情况下，重量越小越好，所以文章以斗轮机的俯仰结构作为研究对象进行可靠性优化设计[1]。

1.2 斗轮机俯仰结构可靠性优化设计的理论分析

在传统机械设计中，大多采用材料强度的许用应力作为约束条件进行设计，这样的方法简单易行，具有一定的参考价值，已被大多数的设计者采用，但却忽略了参数的随机性和离散性两个最很重要的因素，所以设计的工业产品在进行安全系数选择时具有很强大的近似性和经验性，不是符合客观实际的最优方案，也不能定量的反应工程系统的可靠性，所以有必要引入机械可靠性设计对斗轮机俯仰机构进行优化设计。在机械设计中，为保证结构的安全工作，通常将设计的结构强度高于系统的工作压力，但对于可靠性设计来说，由于结构的强度值与应力值都具有很大的离散性，所以应力强度仍然有可能高于结构的强度，即结构存在失效的可能性。因此，我们应运用现代机械可靠性设计的理论，在忽略设计参数的随机性和离散型条件下，建立了基于可靠性的斗轮机结构优化设计模型，对斗轮机结构进行优化设计，引入可靠性许用应力的新概念。对于可靠性优化设计来说，主要目的是研究将机械设计与机械可靠性设计进行有机结合的可能性。综合两种机械设计理念，使设计在满足定量可靠性的前提下，进行机械设计不能定量的可靠性设计，用精确的理论设计取代传统的经验近似设计，使斗轮机在作业中能够灵活俯仰以及选择，对它的俯仰结构进行可靠性的优化设计，具有很大的经济效益和实用价值[2]。

1.3 斗轮机可靠性优化设计

在常规机械优化设计中，所建立的强度约束条件大多沿用传统的安全系数概念，并给出一个安全程度不确定的许用应力，这种方法虽简便易行，已被广泛采用，但忽略了两个重要因素，即参数的随机性和离散性，因而很难设计出符合客观实际的最优方案，而且安全系数的选择带有很强大的经验性和近似性，不能定量地反映可靠程度，所以有必要引入机械可靠性设计。

为保证结构安全正常工作，通常要求结构强度高于其工作应力。但在可靠性理论中，由于结构的强度值与应力值的离散性，使应力强度两个概率密度函数曲线在一定条件下可能相交，因而即使结构的强度高于其工作应力，仍存在失效概率。因此对于现行优化设计中的一些不足，使我们急需建立基于可靠性的斗轮机结构优化设计数学模型，不考虑设计参数的随机性和离散性以及设计结果不能定量反映可靠度大小的不足之处，斗轮机的俯仰钢结构为优化设计对象，运用机械可靠性设计的基本理论，提出了一种简便适用的新概念，即可靠性许用应力，从而将可靠性设计巧妙地引入机械优化设计中。

基于可靠性的斗轮机结构优化设计的目的就是要探索将机械化设计与机械可靠性设计相结合的可行性。综合两种先进的设计思想的优点，弥补单纯机械化设计不能定量地反映产品可靠程度的不足，使设计在满足定量可靠度的前提下达到最佳的优化效果[3]。

2 俯仰钢结构的优化设计

由于斗轮机俯仰钢结构既是斗轮机的关键受力部位，又是核心结构件。要保证斗轮机安全可靠的运行，则要求俯仰钢结构的最大工作应力不得超过可靠性许用应力。因此要对俯仰钢结构进行优化设计，在机械可靠性设计的基本理论当中应用公式进行变差系数的计算。其中应注意在机械可靠性设计中，不能再把参数看做定值，而要视为离散的随机变量。这样可使分析计算简便，且计算结果与按设计变量间函数关系进行计算的结果很接近。此外，用变差系数还可以部分地减轻对有关材料强度、作用负荷、结构尺寸等统计特征数据的要求。取水平臂架和立柱截面尺寸以及前拉杆、平衡重拉杆和撑杆的截面积为设计变量；设立目标函数，以俯仰钢结构的自重最轻、即钢结构的体积最小为目标，表达式是各构件截面积与其相应长度的乘积；考虑设计优化的约束条件，斗轮机的俯仰钢结构的边界尺寸条件，为保证制造工艺和耐久性，防止锈蚀和变形，钢板厚度一般要不小于6mm。

3 结语

首先对斗轮机的结构和工作原理进行了详细的描述，并论述了斗轮机进行优化设计的必要性，然后通过与传统设计方法对比，说明了可靠性优化设计的理论和优势，最后对斗轮机俯仰机构的可靠性优化设计的关键理论进行了探讨，并结合优化结果与生产实际说明了这种优化设计方法的意义，为斗轮机的生产者和使用者提供了有效的理论支持，也为同类型的工程机械进行优化设计提供了一种有效的借鉴方案。