王 輝 劉冬梅 劉紅力（北方重工集團(tuán)有限公司裝卸設(shè)備分公司研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

堆料機(jī)懸臂的靜力分析

王 輝 劉冬梅 劉紅力
（北方重工集團(tuán)有限公司裝卸設(shè)備分公司研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

摘 要：側(cè)式懸臂堆料機(jī)是散料堆放的理想設(shè)備，可以采用定點(diǎn)堆料方式或人字法堆料方式將物料堆積成長(zhǎng)形料堆，以達(dá)到物料的均化和貯存的目的。本文利用有限元分析軟件并結(jié)合手算對(duì)DB200/16.5側(cè)式懸臂堆料機(jī)的懸臂進(jìn)行靜力學(xué)計(jì)算，對(duì)其典型的幾種工況進(jìn)行分析，驗(yàn)算了其強(qiáng)度，剛度及穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：懸臂；應(yīng)力；屈曲

1 引言

側(cè)式懸臂堆料機(jī)主要用于水泥建材、煤炭、電力、冶金、化工等工業(yè)行業(yè)，可以對(duì)石灰石，煤，鐵礦石、輔料等進(jìn)行預(yù)均化處理，可以根據(jù)需要設(shè)定堆料方式，與取料機(jī)配合使用后可以大幅提高散料的均化效果，保證原料的穩(wěn)定性，是散料儲(chǔ)存及均化的必備設(shè)備。懸臂承載著用來輸送物料的整個(gè)膠帶機(jī)機(jī)構(gòu)，其受力狀態(tài)隨著堆料機(jī)的作業(yè)工況的改變而時(shí)刻變化著。本文對(duì)DB200/16.5側(cè)式懸臂堆料機(jī)的懸臂進(jìn)行靜力學(xué)分析，對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性計(jì)算。

2 側(cè)式懸臂堆料機(jī)基本構(gòu)造及工作過程

2.1 堆料機(jī)結(jié)構(gòu)主要分如下幾部分：

（1）懸臂部分；

（2）導(dǎo)料槽；

（3）膠帶機(jī)；

（4）來料車；

（5）行走機(jī)構(gòu)；

（6）液壓系統(tǒng)；

（7）軌道部分；

（8）電纜坑；

（9）照明系統(tǒng)；

（10）檢測(cè)系統(tǒng)；

（11）電纜布線系統(tǒng)等組成。

2.2 來料車將地面皮帶上的物料通過導(dǎo)料槽轉(zhuǎn)送至懸臂膠帶機(jī)，懸臂膠帶機(jī)將物料運(yùn)送到頭部卸料滾筒處，利用擋料板調(diào)節(jié)落料點(diǎn)位置，在行走機(jī)構(gòu)的行走及俯仰機(jī)構(gòu)的變幅動(dòng)作下，完成物料的定點(diǎn)式堆料或往復(fù)式的人字形堆料。

3 懸臂的結(jié)構(gòu)

懸臂架由兩個(gè)變截面的工字型梁構(gòu)成。橫向用鋼板和角鋼連接成整體。工字型梁采用鋼板焊接成型。因運(yùn)輸限制，臂架分段制造、現(xiàn)場(chǎng)焊接成整體。懸臂架上面安有膠帶輸送機(jī)，膠帶機(jī)隨臂架可上仰下俯。懸臂尾部設(shè)有配重箱，箱內(nèi)裝有混凝土配重塊。

懸臂兩側(cè)設(shè)有走臺(tái)，走臺(tái)上鋪設(shè)鋼格板，一直通到懸臂的前端，以備檢修、巡視膠帶機(jī)。懸臂下部設(shè)有兩處支撐鉸點(diǎn)。一處是與行走機(jī)構(gòu)的三角形門架上部鉸接，使臂架可繞鉸點(diǎn)在平面內(nèi)回轉(zhuǎn)；另一處是通過球鉸與液壓缸的活塞桿端鉸接，隨著活塞桿在油缸中伸縮，實(shí)現(xiàn)臂架變幅運(yùn)動(dòng)。液壓缸尾部通過球鉸鉸接在三角形門架的下部。如圖1所示。

4 懸臂的靜力學(xué)分析

本設(shè)備中懸臂的工作范圍為上仰6°、下俯8°，本文取（1）工作風(fēng)壓滿載下俯8°，（2）工作風(fēng)壓滿載水平，（3）工作風(fēng)壓空載上仰6°，（4）非工作風(fēng)壓空載水平四種工況進(jìn)行分析。本文采用普通應(yīng)力分析法進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)材料的許用應(yīng)力及載荷工況依照J(rèn)B/ T8849-2005移動(dòng)式散料連續(xù)搬運(yùn)設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，且懸臂在俯仰過程中速度很低，不考慮慣性力的作用，行走機(jī)構(gòu)速度也較低，不考慮沖擊系數(shù)的影響。

由于懸臂結(jié)構(gòu)主截面全部由鋼板組焊而成，所以模型采用板單元模擬，橫連角鋼類似于空間桁架結(jié)構(gòu)，采用桿單元模擬誤差不大，并且可以提高計(jì)算效率，節(jié)省計(jì)算成本。整體懸臂建模結(jié)束后，施加約束條件，臂架與液壓缸、行走機(jī)構(gòu)門架均為鉸接。非工作風(fēng)壓下地面錨定裝置與懸臂為鉸接，液壓缸采用桿單元模擬，板單元大小采用50mm，計(jì)算模型如圖2所示。

（1）工作風(fēng)壓滿載下俯8°。

邊界條件施加結(jié)束后，應(yīng)力云圖如圖3所示。

此工況下載荷組合為Ⅱ，由圖3可以看出板單元的馮氏應(yīng)力值最大為78MPa＜[σ]=180MPa（此處板厚16mm，材質(zhì)Q235-B），出現(xiàn)在液壓缸鉸點(diǎn)附近板厚變化處，強(qiáng)度滿足要求，懸臂最大總變形量是42mm，許用撓度取L/350=16500/350=47mm，整體剛度滿足要求。

穩(wěn)定性的驗(yàn)算包括懸臂的整體穩(wěn)定性驗(yàn)算和局部穩(wěn)定性驗(yàn)算，為了簡(jiǎn)化計(jì)算過程，提高計(jì)算效率，下面運(yùn)用電算和手算結(jié)合的方式進(jìn)行分析：首先用軟件做線性屈曲分析，求出一階特征值，初步判斷線性屈曲時(shí)的臨界應(yīng)力的大致范圍，再由一階模態(tài)結(jié)果分析出結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時(shí)是整體屈曲行為先發(fā)生還是局部屈曲行為先發(fā)生，若為后者，則確定出屈曲的板件為哪一塊板件，然后在利用電算的應(yīng)力結(jié)果，手算該板件的穩(wěn)定性是否通過。若為前者，則手算整體穩(wěn)定性是否通過。現(xiàn)對(duì)此工況進(jìn)行線性屈曲分析，得到一階特征值為5.8，局部屈曲，板件為靠近油缸支點(diǎn)處的腹板，位置和形態(tài)如圖4所示， 屈曲形態(tài)為波浪形，應(yīng)力幾乎成上下對(duì)稱性分布，由此可以判定出該板件主要是由彎曲應(yīng)力引起的局部屈曲，由于剪切應(yīng)力及局部壓應(yīng)力不大，為了簡(jiǎn)化計(jì)算局部壓應(yīng)力和剪應(yīng)力對(duì)板件屈曲的影響可以暫不考慮，待計(jì)算結(jié)束后用通過適當(dāng)增大系數(shù)的方法進(jìn)行補(bǔ)償?，F(xiàn)將該板件提出單獨(dú)進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖5所示。

該板件最大的應(yīng)力值為±60MPa，參照板件穩(wěn)定性理論，臨界應(yīng)力按下式計(jì)算：σk=K（δ/h0）2×103MPa，其中系數(shù)K取值與腹板的固定情況和正應(yīng)力分布情況有關(guān)，參考相關(guān)資料，翼緣板對(duì)腹板起彈性固定作用，K≈6300，板厚δ=8mm，腹板高度h0=1168mm，帶入公式得出臨界應(yīng)力σk=295MPa，考慮到腹板受剪應(yīng)力及局部壓應(yīng)力作用，將臨界應(yīng)力降低10%，臨界應(yīng)力取295×0.9 =268MPa，穩(wěn)定性安全系數(shù)達(dá)到了268/60=4.5，再由于268MPa已然超過了材料的許用應(yīng)力180MPa，所以屈曲的發(fā)生是在強(qiáng)度失效之后，無須考慮屈曲狀態(tài)。綜上所述可以得出，懸臂主截面的控制因素為整體剛度要求。板件的驗(yàn)算全部通過。下面對(duì)桿件進(jìn)行分析計(jì)算。

本結(jié)構(gòu)中的桿件全部布置在受壓翼緣板一側(cè)，與橫隔板聯(lián)合作用提高了懸臂的抗側(cè)彎屈曲能力和抗扭轉(zhuǎn)能力，從而提高了懸臂整體穩(wěn)定性。通過桿件的應(yīng)力云圖可知最大受力為-30MPa，即此桿為軸心受壓桿。懸臂中的桿件全部采用等邊角鋼∠50×50×5，幾何長(zhǎng)度2220mm，截面積480mm2，毛截面的最小回轉(zhuǎn)半徑r=9.8 mm，考慮到角鋼的單邊焊接造成的偏心影響，將許用應(yīng)力[σ]=180MPa降低15%，取值153MPa，強(qiáng)度計(jì)算通過。桿件的剛度由長(zhǎng)細(xì)比λ衡量，由于此結(jié)構(gòu)中的桿系均為支撐類桿，參照起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范和鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范將許用長(zhǎng)細(xì)比[λ]取值200。λ=μL/r=2220/9.8=226 ＞[λ]（其中桿件視為兩端鉸接，長(zhǎng)度系數(shù)μ=1.0），剛度未通過。桿件的穩(wěn)定性按σ=N/（φA）＜[σ]=153MPa判定，查鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范可知角鋼∠50×50×5在長(zhǎng)細(xì)比λ=226時(shí)的φ=0.149，代入公式σ=30/0.149=201 ＞[σ]，穩(wěn)定性未通過。以上針對(duì)1）工況（工作風(fēng)壓滿載下俯8°），全部驗(yàn)算完畢。

（2）針對(duì)剩余三種工況，將有限元模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，定義好邊界條件后，按照上面的步驟和方法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果按照桿件和板件進(jìn)行分類，分別匯總于表1、表2中。

由以上數(shù)據(jù)看出，四種工況中整體剛度均滿足要求，板件強(qiáng)度除工況4）情況需說明外，其余均滿足要求，但考慮到工況4）為非工作狀態(tài)，應(yīng)力達(dá)到四種工況中的最高值86MPa，且此載荷工況屬于Ⅲ類載荷，板件許用應(yīng)力取200MPa，桿件許用應(yīng)力取170MPa，強(qiáng)度、局部穩(wěn)定性全部通過。桿件的受力最大工況是工況4），強(qiáng)度計(jì)算通過，剛度和穩(wěn)定性未通過，工況4）計(jì)算通過，則前三種工況自然通過?，F(xiàn)將角鋼∠50×50×5全部換成角鋼∠75×75×5，計(jì)算后強(qiáng)度應(yīng)力值σmax=27MPa，λ=148，穩(wěn)定性應(yīng)力值σmax=130MPa，全部通過。

表1 桿件的計(jì)算結(jié)果匯總

表2 板件的計(jì)算結(jié)果匯總

結(jié)語(yǔ)

（1）此側(cè)式懸臂堆料機(jī)的懸臂的主截面由整體剛度控制。

（2）工況4）非工作風(fēng)壓下水平狀態(tài)下的板件應(yīng)力及桿件應(yīng)力達(dá)到峰值。

（3）利用FEMAP的強(qiáng)大分析能力結(jié)合傳統(tǒng)手算，可以大大提高計(jì)算效率，保證了計(jì)算結(jié)果精度。

（4）為其他類似的懸臂式堆料機(jī)的懸臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算提供了參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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工作單位：北方重工集團(tuán)有限公司裝卸設(shè)備分公司研究所。

中圖分類號(hào)：TH24

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：王輝，1981年10月生，從事散料裝卸設(shè)備的設(shè)計(jì)研究工作。職稱：工程師。