懸臂鋼結(jié)構(gòu)的計(jì)算

摘 要:本文對(duì)某一堆料機(jī)懸臂的結(jié)構(gòu)作了介紹，重點(diǎn)介紹了堆料機(jī)臂架的有限元分析情況。

關(guān)鍵詞:堆取料機(jī) 堆料臂架 有限元

中圖分類(lèi)號(hào):TH248文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2012)04(b)-0133-02

頂堆側(cè)取式堆取料機(jī)是一種新型堆取料設(shè)備。霍林河堆取料機(jī)是我國(guó)目前自行研發(fā)的最大直徑的頂堆側(cè)取式堆取料機(jī)，采用錐殼法定點(diǎn)堆料和分區(qū)分層側(cè)式刮板取料的工藝，具有占地面積小，儲(chǔ)量大、環(huán)保性能好等特點(diǎn)。該設(shè)備主要由堆料機(jī)、取料機(jī)、中心柱及中心落料斗組成。

1 堆料機(jī)及結(jié)構(gòu)介紹

堆料機(jī)部分主要由兩層回轉(zhuǎn)平臺(tái)、堆料懸臂、配重箱、膠帶機(jī)、回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)等幾部分組成，通過(guò)一套與中心柱固定的回轉(zhuǎn)支承繞中心柱回轉(zhuǎn)，上部通過(guò)一套回轉(zhuǎn)支承支撐來(lái)料棧橋。臂架采用桁架結(jié)構(gòu)，應(yīng)用各種圓鋼管、方鋼管、矩形管、H型鋼等制作梁體本身。兩轉(zhuǎn)臺(tái)間通過(guò)立柱支撐，立柱采用H型鋼制造，中間采用角鋼及小H型鋼連接，形成一體結(jié)構(gòu)。小H型鋼同時(shí)作為流槽的支撐架。如果將上下轉(zhuǎn)臺(tái)看作一個(gè)整體的剛性體，臂架一端通過(guò)拉桿與上部轉(zhuǎn)臺(tái)鉸接，臂架根部與下部轉(zhuǎn)臺(tái)鉸接，形成一個(gè)三點(diǎn)靜定結(jié)構(gòu)。配重箱上側(cè)采用拉桿與上部轉(zhuǎn)臺(tái)鉸接，下側(cè)采用壓桿與下部轉(zhuǎn)臺(tái)鉸接，形成一個(gè)靜定結(jié)構(gòu)。由于臂架較長(zhǎng)，布置上將臂架盡可能向下布置，使得拉桿的角度盡可能增加，減少拉桿對(duì)臂架產(chǎn)生的附加壓力。臂架中膠帶機(jī)的布置形式與普通地面膠帶機(jī)接近，有中間架、支腿等部件。頭尾滾筒與臂架及平臺(tái)固定，為有效降低臂架重量，驅(qū)動(dòng)和張緊均布置在膠帶機(jī)尾部靠近中心柱。頭部卸料滾筒與臂架固定，不移動(dòng)。尾部驅(qū)動(dòng)滾筒和增面滾筒通過(guò)一個(gè)支架連接到一起，驅(qū)動(dòng)裝置也直接固定在該支架上。螺旋拉緊機(jī)構(gòu)則一端與平臺(tái)固定，另一端與該支架固定。受空間限制，張緊機(jī)構(gòu)行程較小，為達(dá)到較長(zhǎng)的張緊行程，在平臺(tái)上開(kāi)有一排距離相同的孔，該孔距離與張緊底座與平臺(tái)固定的孔呈倍數(shù)關(guān)系。張緊到一定行程后，可以將張緊底座移動(dòng)一個(gè)距離繼續(xù)張緊。

2 懸臂載荷

作用在懸臂上的載荷主要有:膠帶機(jī)懸臂段的自重，包括膠帶、托輥及中間架、支腿等重量，這些重量通過(guò)支腿均布在臂架和平臺(tái)上，膠帶機(jī)頭部的膠帶張力、頭部改向滾筒、張緊裝置等作為集中載荷作用在相應(yīng)位置上;懸臂走臺(tái)，走臺(tái)重量近似均布在臂架上;回轉(zhuǎn)慣性阻力;其它活載等。

主要計(jì)算用載荷如下:

a)結(jié)構(gòu)自重:臂架鋼結(jié)構(gòu)重量;b)部件重量:臂架上所安裝的膠帶機(jī)、托輥、皮帶架的重量;c)膠帶機(jī)輸送帶的張力及滾筒的自重;d)物料重量;e)走臺(tái)鋼板重量;f)其他設(shè)備:擋料板、頭罩等設(shè)備的重量。

3 堆料臂架的力學(xué)模型的建立

臂架鋼結(jié)構(gòu)是由多種型鋼桿件和鋼板組合成的空間結(jié)構(gòu)，受有三維方向的力和彎矩作用，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力情況，有限元分析時(shí)簡(jiǎn)化成空間鋼架，各桿件均等效為三維彈性梁?jiǎn)卧?BEAM189)和三維桿單元(link180)。建立的力學(xué)模型如圖1所示。

模型中節(jié)點(diǎn)的確定遵循如下原則:

(1)臂架節(jié)點(diǎn)為模型的節(jié)點(diǎn);

(2)臂架的連接點(diǎn)或施力點(diǎn)為模型的節(jié)點(diǎn);

為了描述節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、節(jié)點(diǎn)位移及節(jié)點(diǎn)載荷方向等有關(guān)參數(shù)，建立模型時(shí)取整體坐標(biāo)系為右手系OXZY，其中Y軸垂直向上。

基于堆料臂架鋼結(jié)構(gòu)一端通過(guò)上弦桿用螺栓與支撐聯(lián)接，另一側(cè)通過(guò)吊點(diǎn)聯(lián)結(jié)。有限元分析時(shí)將與支撐聯(lián)接點(diǎn)約束，約束X、Y、Z三個(gè)方向的線位移為零，和X、Y二個(gè)方向的角位移為零。另一吊桿與上平臺(tái)鉸接處X、Y、Z三個(gè)方向的線位移為零(如圖1）。

4 臂架的計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果主要針對(duì)臂架的應(yīng)力分布和位移分布情況，首先確定臂架各桿件的應(yīng)力值是否在許可范圍之內(nèi)，根據(jù)我公司習(xí)慣，桿件的使用應(yīng)力不大于120MPa(材質(zhì)為Q235)，最大變形量不超過(guò)1/300，由于臂架自重較大，在保證上述要求的同時(shí)需要降低臂架重量，以保證配重量較小。根據(jù)計(jì)算得到以下的應(yīng)力云圖和變形云圖。

堆料臂架總體應(yīng)力圖如圖2所示，詳細(xì)應(yīng)力云圖如圖3所示。

5 臂架自振頻率分析

模態(tài)分析用于確定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動(dòng)特性(固有頻率和振型)，即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，它是承受動(dòng)態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。在進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，有限元模型是采用靜力分析時(shí)由梁?jiǎn)卧獦?gòu)成的線單元模型。模型的質(zhì)量由密度反映，有限元程序自動(dòng)計(jì)算線單元的體積。在模態(tài)分析時(shí)唯一的載荷是約束，約束形式與靜力分析相同。經(jīng)過(guò)模態(tài)計(jì)算得到的臂架的前4階固有頻率如表1所示。前4階振型如圖4~7所示。

根據(jù)各階振形圖可以看出，臂架的第1階振型為臂架的左右相對(duì)擺動(dòng)振動(dòng)，第2階振型為拉桿的伸縮引起的臂架垂直方向的振動(dòng)，第3階振型為臂架桿件的波浪彎曲振動(dòng)，第4階振型為左右桿件擺動(dòng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。

懸臂上膠帶帶速為4m/s，托輥輥徑159mm，則托輥轉(zhuǎn)速為8轉(zhuǎn)/秒，即托輥的振動(dòng)頻率為0.125Hz，說(shuō)明托輥的振動(dòng)不會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，頭部改向滾筒直徑為800mm，則滾筒振動(dòng)頻率為0.628Hz，說(shuō)明頭部改向滾筒的振動(dòng)也不會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象;遠(yuǎn)離臂架的驅(qū)動(dòng)滾筒與增面滾筒直徑分別為1000mm和500mm，則驅(qū)動(dòng)滾筒和增面滾筒振動(dòng)頻率分別為0.785Hz和0.393Hz，均不在臂架固有頻率范圍內(nèi)，說(shuō)明上述振源雖然會(huì)引起振動(dòng)，但不會(huì)與臂架發(fā)生共振現(xiàn)象。

6 結(jié)論

基于有限元技術(shù)進(jìn)行數(shù)值分析模擬，為堆取料機(jī)鋼結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)提供了有力保證。

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