（北方重工裝卸設(shè)備分公司設(shè)計(jì)所，遼寧 沈陽 110141）

配重式頂堆側(cè)取堆取料機(jī)結(jié)構(gòu)分析

牛艷平

（北方重工裝卸設(shè)備分公司設(shè)計(jì)所，遼寧 沈陽 110141）

本文針對目前國內(nèi)應(yīng)用比較廣泛的配重式頂堆側(cè)取堆取料機(jī)這種機(jī)型，闡述了設(shè)備的結(jié)構(gòu)及工作原理方面。并根據(jù)設(shè)備實(shí)際受載荷情況，對金屬結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算校核。模態(tài)分析得出了結(jié)構(gòu)的前十階模態(tài)振型和固有頻率，結(jié)合對外部激勵頻率的分析，驗(yàn)算得出外部激勵不會造成設(shè)備的共振。

堆取料機(jī)；動靜力學(xué)分析及優(yōu)化；模態(tài)分析；安裝順序

目前在我國包括國際上的料場設(shè)備都在向占地小、儲量大、產(chǎn)能大、污染小、自動化程度高等方面發(fā)展。頂堆側(cè)取式堆取料機(jī)正是針對該發(fā)展方向而設(shè)計(jì)的一種全新型工藝設(shè)備。本類型設(shè)備堆料工藝采用頂部錐殼堆料法，取料工藝采用分區(qū)分層側(cè)式刮板取料法。該類設(shè)備根據(jù)取料機(jī)支撐形式的不同分為配重式和門架式，堆料機(jī)又可分為水平不變幅和液壓俯仰可變幅型。本文闡述的是堆料機(jī)水平不變幅，取料機(jī)采用配重式結(jié)構(gòu)。型號為YGC2000·3000/120， 取料能力2000t/h， 堆料能力3000t/h ，料場直徑120m的配重式頂堆側(cè)取堆取料機(jī)。

1 設(shè)備的結(jié)構(gòu)及工作原理

一個完整的料倉系統(tǒng)主要包括入料（棧橋膠帶機(jī)）系統(tǒng)、堆取料機(jī)、出料（膠帶機(jī)）系統(tǒng)、土建及穹形網(wǎng)架等幾部分。本文僅介紹堆取料機(jī)內(nèi)容，一個完整的堆取料機(jī)主要由中柱、堆料機(jī)、取料機(jī)、中心落煤斗幾部分組成。

堆料機(jī)和取料機(jī)可以同時或分別圍繞中柱回轉(zhuǎn)完成堆料及取料作業(yè)。

堆料時堆料機(jī)將堆料機(jī)頂部的棧橋膠帶機(jī)上運(yùn)來的物料通過料斗轉(zhuǎn)運(yùn)至懸臂膠帶機(jī)上并在料場內(nèi)實(shí)施定點(diǎn)堆料，當(dāng)料堆達(dá)到設(shè)定的高度時堆料機(jī)回轉(zhuǎn)3度繼續(xù)堆料，如此往復(fù)直至將料場堆滿。

取料時取料機(jī)在料堆的另一側(cè)進(jìn)行取料作業(yè)，取料的方式為分層取料，即刮板深入到料堆的一個預(yù)定深度后回轉(zhuǎn)取料。刮板將物料連續(xù)刮落到中柱底部的中心落料斗內(nèi)并通過地坑膠帶機(jī)將物料運(yùn)出，取料過程中取料臂圍繞中柱回轉(zhuǎn)，當(dāng)取完一層物料后由鋼絲繩卷揚(yáng)控制的取料臂下降一個設(shè)定的高度繼續(xù)逆向回轉(zhuǎn)取料，直至將區(qū)域內(nèi)的物料取凈，期間如需換堆時可將取料臂提升至設(shè)定高度進(jìn)行回轉(zhuǎn)調(diào)車作業(yè)。

2 結(jié)構(gòu)的動靜力學(xué)分析

該圓形料場堆取料機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)主要采用碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235和Q345。這兩種材料許用應(yīng)力按照σ=（0.5σs+0.35σb）/n計(jì)算，二者的許用應(yīng)力分別為165.8MPa和224.7MPa，通常將閾值設(shè)定在160MPa和220MPa。根據(jù)設(shè)備實(shí)際受載荷情況，結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析主要對金屬結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度計(jì)算及校核，參照材料的需用應(yīng)力對受力集中部位進(jìn)行優(yōu)化加強(qiáng)，對受力偏小的部位進(jìn)行合理的減重設(shè)計(jì)以降低設(shè)計(jì)制造和使用成本。計(jì)算金屬結(jié)構(gòu)上關(guān)鍵點(diǎn)在不同組合工況下的位移值，對位移值大的部位根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過改變結(jié)構(gòu)或加大構(gòu)件截面或改變聯(lián)接的方法來增加金屬結(jié)構(gòu)的剛度。

表1 模態(tài)分析結(jié)果

圖1 配重式頂堆側(cè)取堆取料機(jī)安裝順序圖

圓形堆取料機(jī)在進(jìn)行作業(yè)的過程中，往往還受到很多外部振動激勵的作用。如果這些外部激勵的頻率與設(shè)備自身的固有頻率接近或一致，就會產(chǎn)生共振現(xiàn)象而導(dǎo)致設(shè)備破壞。因此，不僅需要對設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力校核，還需要對設(shè)備進(jìn)行振動特性分析。模態(tài)分析是振動分析的一種，也是振動分析的基礎(chǔ)。通過對設(shè)備進(jìn)行模態(tài)分析，可以對設(shè)備的基本振動參數(shù)有一個初步的了解，同時模態(tài)分析也是機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段避免振動破壞的一個重要手段。

堆取料機(jī)的外部激勵主要集中表現(xiàn)在以下幾個方面:

第一，外部隨機(jī)載荷激勵。物料經(jīng)棧橋落入堆料落煤斗瞬時沖擊的隨機(jī)振動。由于風(fēng)載的幅值也呈現(xiàn)隨機(jī)性，使得中柱支腿抵抗傾翻的力矩呈隨機(jī)性。

第二，回轉(zhuǎn)部件引起的激勵。堆取料機(jī)回轉(zhuǎn)作業(yè)及刮板臂變幅的動力驅(qū)動裝置，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致基座法蘭與固定法蘭之間的連接螺栓產(chǎn)生松動，使得驅(qū)動電機(jī)的輸出扭矩不平穩(wěn)，在與減速器齒輪嚙合的過程中容易產(chǎn)生振動。另外，膠帶機(jī)托輥由于長期的磨損引起質(zhì)量偏心，導(dǎo)致堆料臂的不規(guī)則振動。

第三，刮板與物料的撞擊及刮板每次刮取物料時與料堆的撞擊，以及鏈條繞過鏈輪時鏈節(jié)撞擊鏈輪和鏈條的拍動，這兩種撞擊也會引起設(shè)備的晃動。

第四，堆料機(jī)回轉(zhuǎn)堆料過程中，需頻繁的進(jìn)行起停動作。由于堆料機(jī)臂架尺寸較大，啟停瞬時產(chǎn)生的制動力將對中柱產(chǎn)生較大的扭矩，加劇設(shè)備的晃動等。

模態(tài)分析的主要目的是計(jì)算結(jié)構(gòu)的振動特征參數(shù)，尤其是結(jié)構(gòu)的固有頻率。機(jī)械設(shè)備的固有頻率與結(jié)構(gòu)本身的尺寸、質(zhì)量以及剛度有關(guān)。模態(tài)是結(jié)構(gòu)的固有特性，圓形料場堆取料機(jī)的模態(tài)分析就是求解它的固有頻率和固有振型，這些振動特征與結(jié)構(gòu)的載荷無關(guān)，因此，模態(tài)分析的有限元模型需要將結(jié)構(gòu)的外部載荷隱含。

這里采用 PRO/E 對模型進(jìn)行前處理以后導(dǎo)入 ANSYS 中進(jìn)行求解，得到前10階的模態(tài)振型圖，各階模態(tài)振動情況以及固有頻率如表1所示。

模態(tài)結(jié)果分析如下：

取料輸送機(jī)的運(yùn)行速度是 0.7m /s，刮板間距是1m，刮板沖擊載荷的頻率為f1=(0.7m/s)/1m=0.7Hz。刮板輸送機(jī)尾部鏈輪的半徑為0.809m，改向滾筒的轉(zhuǎn)速為ω= v/r=(0.7m/s)/0.809m≈0.865rad/s，即改向滾筒引起的振動頻率為0.865Hz。堆料膠帶機(jī)的帶速為 3.15m/s，堆料膠帶機(jī)改向滾筒的半徑為0.4m，堆料膠帶機(jī)改向滾筒的振動頻率為f3=(3.15m/ s)/0.4m=7.875Hz。

刮板輸送機(jī)尾部鏈輪的振動頻率接近于結(jié)構(gòu)的第1階固有頻率，該振動頻率與第1階固有頻率相差|0.97-0.865|/0.97×100%≈10.8%。

通過對比模態(tài)分析的計(jì)算結(jié)果和外部激勵的頻率，可以看出外部振動的頻率與設(shè)備的固有頻率相差在 10%以上，不會對設(shè)備的安全產(chǎn)生影響。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為對設(shè)備進(jìn)行合理配置，使設(shè)備更加經(jīng)濟(jì)，在保證產(chǎn)能和先進(jìn)指標(biāo)的前提下，設(shè)計(jì)上優(yōu)化了多種新型結(jié)構(gòu)。堆取料機(jī)懸臂結(jié)構(gòu)為最大限度地降低懸臂自重，堆料懸臂和取料懸臂在設(shè)計(jì)中都采用了矩形管和H型鋼組焊成的桁架結(jié)構(gòu)。取代了通常的雙工字形板梁結(jié)構(gòu)。

取料機(jī)刮板驅(qū)動在同類設(shè)備中由于都是置于懸臂外側(cè)，臥式放置而占用空間過大，非常不經(jīng)濟(jì)。本次設(shè)計(jì)優(yōu)化通過加大內(nèi)部空間尺寸、把刮板驅(qū)動立式放置在懸臂內(nèi)側(cè)、鏈輪與懸臂鉸軸分體等一系列措施，減小了占地面積，優(yōu)化緊湊了結(jié)構(gòu)。

取料機(jī)變幅卷揚(yáng)系統(tǒng)，在同類設(shè)備中都是采用一根鋼絲繩進(jìn)行卷揚(yáng)。本機(jī)設(shè)計(jì)引入雙繩雙聯(lián)結(jié)構(gòu)，可保證在一根鋼絲繩出現(xiàn)故障時，另一根鋼絲繩能夠有效的牽引住刮板懸臂。

取料機(jī)鏈條張緊采用了復(fù)合彈簧加液壓油缸的張緊方式，利用復(fù)合彈簧的指數(shù)彈性曲線解決鏈條的大范圍張緊力變化，這在同類設(shè)備中屬首次應(yīng)用。同時將張緊鏈輪改成光輪結(jié)構(gòu)，張緊采用一個滑道，取代了以往的張緊鏈輪和驅(qū)動輪齒數(shù)相同并采用雙滑道張緊的方式。

4 安裝順序介紹

該機(jī)器的安裝較為繁雜，所有裝配應(yīng)根據(jù)圖樣及有關(guān)技術(shù)要求進(jìn)行。連接中不允許存在附加力，嚴(yán)禁強(qiáng)制裝配。為減少高空作業(yè)量，應(yīng)盡量在地面上裝配連接。圖1安裝順序是在不考慮系統(tǒng)安裝過程而確定的。

現(xiàn)場實(shí)際安裝時安裝單位應(yīng)根據(jù)具體情況與經(jīng)驗(yàn)來調(diào)整安裝順序。

結(jié)語

本文通過對YGC2000·3000/120型號圓形堆取料機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，從分析金屬結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度方面計(jì)算對設(shè)備幾個部位做了優(yōu)化調(diào)整，并進(jìn)行了合理的減重設(shè)計(jì)。在模態(tài)分析階段驗(yàn)證了外部激勵不會造成設(shè)備共振，進(jìn)一步保證了設(shè)備運(yùn)行的安全性。最后從設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā)，提出了該類型設(shè)備的安裝順序。為以后類似設(shè)備的設(shè)計(jì)安裝提供了一些參考。

[1]王英潔，李毅民.圓形料場堆取料機(jī)的形式及其應(yīng)用[J].重工與起重技術(shù)，2011（01）:16.

[2]林建龍，項(xiàng)輝宇，張力，模態(tài)分析與實(shí)驗(yàn)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2009：15-17.

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