斗輪堆取料機斗體強度與屈曲分析研究

閆海鷹

【摘 要】斗輪斗體的設計在斗輪堆取料機中比較復雜。其作為斗輪機工作的核心部件，要求能穩(wěn)定的工作；同時，來自于優(yōu)化的因素又要求其盡量的輕。本文根據(jù)實際運用的例子，對斗體在工作中的受力，靜強度，疲勞強度和屈曲進行分析，以對設計進行優(yōu)化和確認。

【關鍵詞】斗輪堆取料機；斗體強度；屈曲；分析

0 背景

斗輪堆取料機是廣泛用于料場堆、取散料的裝置，在各個散貨料場中應用十分廣泛，是散貨料場堆取料的主要設備。

隨著當今港口料場的逐步專業(yè)化、大型化，我們對斗輪堆取料機的工作能力要求也越來越高。在取料能力增大的實踐過程中，我們發(fā)現(xiàn)，能滿足高的生產(chǎn)能力、高的可靠性和高的經(jīng)濟性的斗體設計在這一發(fā)展趨勢上有很大的阻力。

斗體用來直接挖取物料，并將挖取的物料運送到卸料處。通常情況下，斗輪體上裝置的斗體數(shù)目有6～12個，斗體的容積根據(jù)生產(chǎn)能力和其他參數(shù)而定。斗體要有合理的形狀，使挖取過程中的阻力最小。斗體還要有足夠的強度和耐磨性，保證工作過程安全可靠。

本次以某電廠斗輪機為例，分析斗體結構的受力，分別從靜強度和屈曲方面進行判別，討論斗體的設計。

1 斗體的受力分析[1]

在斗輪工作過程中，斗體所受的挖掘阻力是斗體所受力的主要因素。通常計算挖掘阻力的方法有兩種：一種是采用單位切割長度上所受的挖掘力計算；另一種是通過計算單位切屑面積來計算挖掘阻力。由于以切割刃長度表示的單位挖掘阻力，是唯一與切片形狀和面積基本無關的參數(shù)，也即不論斗體的切割刃形狀如何，單位挖掘阻力基本上為一常數(shù)。因此，目前采用這一計算方法的比較多。

2 斗體的強度設計與疲勞強度分析

斗體的強度設計的原則是，在滿足生產(chǎn)率和工況要求的前提下，合理布置斗體的形狀并選擇適當?shù)陌搴?。斗體的工作受力是脈沖式的。所以，斗體的疲勞強度應該是強度分析中十分重要的部分，它關系到斗體的結構疲勞壽命。

2.1 靜強度分析

斗體在工作過程中所受的是動載荷。本文中按照前面所分析的靜載荷進行計算，相應的斗體動載荷研究受力將是筆者后續(xù)研究的內(nèi)容。

本次強度計算采用有限元軟件ANSYS11.0進行計算。根據(jù)前面的理論，采用三維軟件INVENTOR取單個斗體進行實體建模，三維模型導入ANSYS11.0的workbench進行計算。

這里以1500t/h斗輪堆取料機的設計參數(shù)為例，對斗體的靜強度進行計算。用于計算的INVENTOR模型見圖1。考慮到工作時候的受力狀態(tài)，對斗體的約束和加載情況如圖2所示。

加載方面，給了一個斗口法向的切割力和一個平行于斗口向外的切割分量。約束方面，對斗輪鉸軸處進行鉸接約束和對后部進行法向位移約束。由于斗體和斗輪架支架有采用螺栓連接，因此現(xiàn)有的約束方式在約束面上存在失真，但這不影響對結果的判斷，因為重點關注區(qū)域為斗齒和外部斗體附近，這些區(qū)域都遠離約束點了。

2.2 疲勞強度分析

材料、零件和構件在循環(huán)載荷作用下，在某個點或某些點逐漸產(chǎn)生局部的永久性的性能變化，在一定循環(huán)次數(shù)后形成裂紋，并在載荷作用下繼續(xù)擴展直到完全斷裂的現(xiàn)象，成為疲勞斷裂或疲勞破壞。

由于斗輪的軸受到循環(huán)變應力，根據(jù)疲勞破壞的定義我們知道，即使斗輪靜強度滿足要求，也不能保證其安全，因此需要進行疲勞強度設計。

疲勞計算通不過，通常分為兩種：一種是整體截面或者板厚偏弱，不能滿足工況的需要；另一種是局部結構處理不合理，導致應力集中現(xiàn)象嚴重。改進結構是減少應力集中的一個主要的措施。最簡單的方法是增大零件尺寸，但勢必影響其輕巧等性能。在零件設計中，應盡量避免橫截面有急劇突變，在零件的橫截面尺寸和形狀有改變的地方，應盡可能用較大的圓角光滑過渡。鉚釘孔和螺栓孔等都是產(chǎn)生應力集中的地方，孔的不同排列得到的峰值應力是不同的，因此要尋求最合理的排列形式，以減小峰值應力。零件或構件上應盡可能少開缺口，特別是在受拉表面盡量不開缺口。如有可能，應盡量采用對稱結構，并避免帶有偏心的結構。焊縫是應力集中的地部位，設計焊接件時，要合理布置焊縫。零件上用硬印打上的號碼和標志，是容易被忽略的產(chǎn)生應力集中的地方。在應力集中的部位（如橫向圓孔）附近，可開卸載溝槽，以降低峰值應力。

斗體的疲勞壽命可按照1000萬次循環(huán)考慮，疲勞應力低于規(guī)定次數(shù)的疲勞許用應力，則認為疲勞計算通過。經(jīng)過疲勞計算分析，根據(jù)圖3的應力情況計算的斗體疲勞強度滿足設計規(guī)范的要求。

3 斗體的屈曲驗算

在計算局部穩(wěn)定性的臨界屈曲應力時，可以采用Galerkin法或者應用德國鋼結構委員會頒布的薄板穩(wěn)定性計算準則DASt-Richtlinie 012中提出的簡化方法，后者在工程計算中的應用比較廣泛。

本節(jié)利用ANSYS軟件建立斗輪體的有限元分析模型，對結構進行線性穩(wěn)定性分析，考慮結構的幾何線性與材料線性。分析比較彈性屈曲在斗體結構破壞中的作用。

3.1 結構和載荷特征

斗體結構和受載有比較明顯的特點：開口結構、開口處受力、周期性間歇載荷等。

3.2 材料特性

斗體結構的材料是Q345B鋼材，密度ρ=7.85×10-9 t/mm3 ，彈性模量為2.06×105 N/mm2 ，泊松比μ=0.3。當考慮進行材料非線性時，本文采用雙線性彈塑性模型，見圖4。其中A點為材料的屈服極限，B點為材料的強度極限。

3.3 邊界條件

對斗體鉸點進行鉸約束，對斗體后端進行法向的位移約束，來對斗體進行約束。載荷則以3噸力施加在斗體口上，同時對斗口施加一定的法向力（見圖2）。

3.4 屈曲分析

由計算結果（圖4）可知，斗體的變形載荷乘數(shù)很高，意味著屈曲安全系數(shù)很高，不會發(fā)生屈曲現(xiàn)象。

4 結束語

通過對斗體的結構設計、受力分析、強度計算、疲勞校核、屈曲分析，再回到斗體的結構設計。整個設計過程體現(xiàn)了斗體設計的精細化設計思路，再結合施工和安裝中的焊接制造，安裝和使用，讓設計者對斗體的設計有了從感性到理性，從理論到實踐的認識。

【參考文獻】

[1]GB/T-14695-93 臂式斗輪堆取料機型式與基本參數(shù)[S].1993.

[責任編輯：田吉捷]