半移动破碎站受料仓结构分析及受力计算

齐善朋

(辽宁轨道交通职业学院管理工程系，辽宁 沈阳 110023)

移动式破碎站是一种比较常见的破碎用设备，用于矿山、冶金、化工等行业中各种矿石、煤炭、岩石等大块状物料的破碎作业。相对于固定式破碎站，移动式破碎站的优点是可移动、适应性强。半移动式破碎站是固定式破碎站和可移式破碎站的结合体，是大型露天矿进行半连续开采的重要组成设备，主要功能是将自卸车运送来的大块状和硬度较大的矿料进行破碎，然后利用带式输送机完成运输工作[1]。半移动式破碎站根据移动方式可分为滑橇式半移动破碎站、半固定式破碎站等；根据破碎机形式可分为液压旋回破碎机半移动式破碎站、齿辊破碎机半移动式破碎站、颚式破碎机半移动式破碎站等。

破碎站料仓是破碎站系统重型刮板输送机的受料装置，需要承受输送机运送来的块状矿石的冲击。本文研究的料仓结构长15 m、宽11 m、高10 m，由受料漏斗和支撑结构组成，全部由钢板和型钢焊接或栓接而成。整个结构按受料漏斗和支撑结构两部分进行强度和刚度计算，计算时采用有限元法。

1 料仓受料漏斗结构计算

1.1 结构模型

受料漏斗采用由钢板和型钢通过焊接或栓接组成的结构，要能够经受物料的冲击和磨损，因此需要具有足够的强度。根据结构特点和受力情况，在进行有限元分析时把钢结构各部分均等效为弹性板单元[2]。受料漏斗采用ANSYS软件建模，如图1和图2所示，模型单元总数为174 473个，节点总数为162 847个。

图1 受料漏斗结构模型

图2 受料漏斗结构模型单元图

1.2 约束

受料漏斗整体结构的重力作用在其下面的钢结构底座上，有限元分析时将受料漏斗与钢结构底座连接处作为受料漏斗的约束，共计24个点，每个点均约束X,Y,Z3个方向的线位移。

1.3 载荷

载荷是受料漏斗结构设计时需要重点考虑的因素。载荷包括恒载、贮料压力、风载、地震和物流冲击载荷等。

1)恒载。恒载包括受料漏斗结构自重及衬板质量80 000 kg。

2)贮料压力。受料漏斗在漏斗深S处单位面积上的法向和切向压力如图3所示。

图3 受料漏斗壁压力示意图

Pn=Pvcos2α+ksin2α

(1)

Pt=Pv(1-k)sinαcosα

(2)

式中：Pn为受料漏斗在深S处单位面积上法向压力标准值；Pt为受料斗在深S处单位面积上切向压力标准值；Pv为贮料作用于仓壁单位面积上的垂直压力标准值，Pv=γS，其中γ为贮料的重力密度，γ=8 900 N/m3，k=tan2(45°-φ/2)，其中φ为贮料的内摩擦角,φ=37°；α为漏斗壁与水平面夹角。

3)风载。风载P的计算公式为

P=ACeCqqs

(3)

式中：A为构件迎风面积；Ce为高度系数，Ce=1.4；Cq为体形系数，结构立面有外装处迎风面Cq=0.8，背风面Cq=-0.5；qs为基本风压，qs=0.6 kN/m2。

构件X方向的迎风面积为118 m2，Z方向的迎风面积为127 m2，由式(3)可得X方向风载为79.27 kN，Z方向风载为85.28 kN。

4)地震作用。计算地震对结构的作用力时采用底部剪力法，根据工程技术规范书，计算地震作用时加速度取0.2g。

5)物料冲击载荷。物料冲击载荷按料仓满料时的2.5倍动载系数考虑。

1.4 载荷组合

载荷组合1∶1.35恒载+0.98物料+0.84风载。载荷组合2∶1.2恒载+1.4物料+0.84风载。载荷组合3∶1.2恒载+1.4风载+0.98物料。本文主要计算有限元模型在这3种载荷组合工况下的受力情况[3]。

1.5 材料及特性

转运站钢结构型材和钢板材料均为Q345。材料强度设计值f的取值规律如下：板厚度t≤16 mm时，f=310 N/mm2；板厚度16 mm

2 料仓受料漏斗计算结果

1)载荷组合1。

受料漏斗结构的等效应力分布如图4所示，图中A处应力为52 MPa，B处应力为73 MPa，C处应力为79 MPa，D处应力为44 MPa，E处应力为32 MPa。结构最大应力为79 MPa，设计应力为295 MPa，满足设计要求。

图4 受料漏斗结构整体等效应力分布图

2)载荷组合2。

受料漏斗结构的等效应力分布如图5、图6所示，图中A处应力为52 MPa，B处应力为73 MPa，C处应力为79 MPa，D处应力为44 MPa，E处应力为39 MPa，F处应力为54 MPa。结构最大应力为79 MPa，设计应力为295 MPa，满足设计要求。

图5 受料漏斗结构整体等效应力分布1

图6 受料漏斗结构整体等效应力分布2

3)载荷组合3。

受料漏斗结构的整体等效应力分布图如图7所示，图中A处应力为70 MPa，B处应力为77 MPa，C处应力为45 MPa，D处应力为52 MPa。结构最大应力为77 MPa，设计应力为295 MPa，满足设计要求。

图7 受料漏斗结构整体等效应力分布图

3 结束语

随着市场竞争的加剧，产品设计周期越来越短，企业对新技术的需求更加迫切。对于大型机械结构，在设计时需要更严谨的设计理念，而应用有限元法进行设计是提升产品质量、缩短设计周期、提高产品竞争力的一项有效手段。有限元法的应用有效保证了设计质量，为产品设计提供了参考和帮助。本文对某破碎站料仓模型的有限元分析表明，3种工况下该设备的强度都小于许用值，因此下一步可以通过适当地改变破碎站选用型材的截面尺寸对设备进行优化设计。