懸臂式斗輪取料機臂架優(yōu)化設計

湯建國， 賀水冰

（南通潤邦重機有限公司 技術中心，江蘇 南通 226013）

0 引言

懸臂式斗輪取料機（以下簡稱取料機）是現代化工業(yè)散狀物料連續(xù)裝卸的高效設備，目前已經廣泛應用于港口、碼頭、礦廠等散料（礦石、煤、砂石）存儲料場的取料作業(yè)。其取料過程是通過斗輪旋轉和臂架輸送配合實現的。物料通過臂架帶式輸送機輸送至中心料斗處，卸至料場帶式輸送機運走。通過整機的運行，臂架的回轉、俯仰，可使斗輪將儲料堆的物料取盡。因此臂架結構設計要求極高，必須同時滿足在各工況下強度、穩(wěn)定性的要求。

本文就優(yōu)化臂架桁架結構設計，在臂架自重基本不變的情況下，提高臂架的機械性能，以及便于后期維修、更換等，同時大幅減少臂架結構耗材和制作成本。

1 臂架結構分析

臂架一般選用桁架結構，桁架結構有重量輕、成本低的優(yōu)點。本文截取了傳統(tǒng)臂架設計的結構三維圖，并以此為例來進行優(yōu)化設計，如圖1所示臂架部分結構。

圖1 斗輪臂架部分結構

傳統(tǒng)臂架桁架結構主框架由H型鋼組成，而側面則均采用無縫方管作為斜撐、橫撐及豎撐，對于此部分臂架鋼結構中無縫方管占此部分總重約30%，并且由于斜撐、橫撐及豎撐均采用焊接，工藝要求高，安裝、拆卸不方便。現優(yōu)化設計如下：采用兩角鋼背靠背連接的方式，角鋼之間采用連接板錯位焊接，角鋼端頭采用鉆打螺紋孔，與臂架主框架結構中連接板采用螺栓連接的方式。

傳統(tǒng)臂架撐桿采用無縫方管焊接（圖2（a）），優(yōu)化后臂架撐桿采用兩根角鋼錯位焊接（圖2（b））。

由圖2可見，傳統(tǒng)撐桿只可采用焊接連接設計，焊后成密閉結構，焊接要求高（需熔透焊接，并做NDT檢測），有氣密性要求，根據相應設計規(guī)范及業(yè)主要求，需做氣密性檢測試驗，工藝復雜；而優(yōu)化后撐桿可采用螺栓連接（亦可采用焊接連接），工藝簡單，制作方便，工人勞動強度??；更重要的是，市場上無縫方管的采購周期及采購成本遠高于角鋼，相差近幾倍，優(yōu)化設計后不僅能節(jié)約成本還能縮短制作周期。

圖2 撐桿結構

2 撐桿結構優(yōu)化計算

根據圖2所示撐桿，得其撐桿截面圖，如圖3所示。

圖3 撐桿截面

本文選用的無縫方管型號為150 mm×8 mm，；優(yōu)化后的撐桿截面選用角鋼125mm×125 mm×10 mm，考慮到撐桿連接板厚12 mm，故兩角鋼間設計有橫豎交錯間斷連接板（連接板尺寸120 mm×120 mm×12 mm），經計算得到兩種斜撐截面性能參數見表1所示。

表1 截面性能參數表

經對比發(fā)現，在單位重量等值的情況下，錯位角鋼撐桿的截面面積和抗扭截面系數均略大于方管。

由以上數據初步分析，撐桿結構在不增加臂架重量的情況下，可以采用背靠背角鋼的連接方式替代原方管連接的方式，性能滿足設計強度要求。

3 撐桿整體結構應力分析

通過SolidWorks三維設計軟件對撐桿結構進行實體建模，在不失實際結構力學特性的基礎上對基座進行簡化，并忽略對分析計算影響很小的局部細節(jié)特征，模型經過網格劃分后進行有限元分析計算，對撐桿結構強度、剛度等方面進行校核。采用一定的后處理方法，能夠直觀準確得到任意位置的應力、應變分布，應力云圖如圖4所示，位移云圖如圖5所示。

圖4 撐桿應力云圖

圖5 撐桿位移云圖

以上分析是基于以下數據：撐桿材質為Q345鋼，安全系數n=1.33，許用應力［σ］=345/1.33=259.4 MPa。由上述軟件計算結果σ=225 MPa＜［σ］，強度滿足要求。

由此可見，優(yōu)化后的撐桿結構在不增加臂架重量的情況下，性能完全滿足設計強度要求，可以替代原方管式撐桿結構，并且制作方便、成本低，周期短，同時有利于后期的拆卸、維修更換等。

4 結語

懸臂式斗輪取料機臂架設計改善后，極大地減少臂架制造難度，降低了耗材和人工成本，縮短了制作周期。且此類撐桿拆卸方便，便于后續(xù)替換、維修，具有一定的實用性。

［1］ 邵明亮.斗輪堆取料機［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2006.

［2］ 辛少彤.SolidWorks入門到精通［M］.北京：人民郵電出版社，2012.