堆取料機(jī)門架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與機(jī)械設(shè)計

張浩，高鵬

（北方重工集團(tuán)有限公司工程成套分公司，遼寧 沈陽 110141）

堆取料機(jī)門架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與機(jī)械設(shè)計

張浩，高鵬

（北方重工集團(tuán)有限公司工程成套分公司，遼寧 沈陽 110141）

堆取料機(jī)是一種大型的環(huán)保機(jī)械設(shè)備，它廣泛應(yīng)用于港口、化工企業(yè)等，具有較強(qiáng)的裝卸、輸送等功能，其應(yīng)用的穩(wěn)定性和可靠性也成為了實踐中所關(guān)注的內(nèi)容。為了提升堆取料機(jī)的性能，我們需要關(guān)注堆取料機(jī)的門架結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化，由于堆取料機(jī)的門架是重要的承載機(jī)構(gòu)，要對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使堆料高度產(chǎn)生改變，提升機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性。

堆取料機(jī)；門架結(jié)構(gòu)；優(yōu)化

在廣泛的散裝物料存儲和堆取過程中，堆取料機(jī)是一種連續(xù)、高效運(yùn)輸?shù)拇笮蜋C(jī)械，為提升機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，需要對堆料機(jī)的門架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，如門架的變幅機(jī)構(gòu)和截面機(jī)構(gòu)，根據(jù)堆取料機(jī)的結(jié)構(gòu)組成和原理，對門架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和屈曲穩(wěn)定性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，從而提高機(jī)械應(yīng)用效能。

1 堆取料機(jī)綜述

應(yīng)用于熱力發(fā)電廠、礦場之中的堆取料機(jī)根據(jù)不同的應(yīng)用場所，可以呈現(xiàn)出不一樣的特點，它分類主要為：依照應(yīng)用場所的不同，可以分為圓形堆取料機(jī)和條形堆取料機(jī)；依照結(jié)構(gòu)不同，可以分為門式堆取料機(jī)和懸臂式堆取料機(jī)；依照取料設(shè)備的不同，可以分為刮板式堆取料機(jī)和斗輪式堆取料機(jī)。

2 堆取料機(jī)門架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計分析

2.1 堆取料機(jī)門架結(jié)構(gòu)的變幅機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

門架式堆取料機(jī)的堆料結(jié)構(gòu)是一種桁架結(jié)構(gòu)，它可承載物料傳送的負(fù)荷，其內(nèi)部有縱向加強(qiáng)筋和橫向加強(qiáng)筋，可以承受變幅鋼絲繩傳遞而來的荷載。

2.1.1 門架結(jié)構(gòu)的變幅機(jī)構(gòu)受力分析

在進(jìn)行取料作業(yè)時，可以根據(jù)料堆的高度，對變幅鋼絲繩變幅，如圖1所示。上述門架變幅機(jī)構(gòu)的構(gòu)成之中，1為變幅上鉸點；2為門架；3為取料耙；4為變幅下鉸點；5為取料耙變幅鋼絲繩；6為門架跟鉸點。

要對門架的變幅機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡化設(shè)計，根據(jù)力學(xué)知識，取料耙變幅機(jī)構(gòu)的受力作用下面圖，如圖2所示。

在圖2中的A坐標(biāo)原點中，各個鉸點的初始坐標(biāo)如圖，分別為A、B、C、D、E、H，а是HB與水平線之間的夾角；β是刮板與水平線之間的夾角；E是刮板中心。當(dāng)其進(jìn)行取料作業(yè)時，取料耙圍繞鉸點A進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，而鉸點B和鉸點D是固定不動的，鉸點H圍繞A進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。通過合理的簡化設(shè)計，在力平衡和力矩平衡的狀態(tài)下，可以對變幅鋼絲繩和不同的鉸點進(jìn)行受力計算，根據(jù)不同的作業(yè)能力參數(shù)，采用MATLAB計算軟件，構(gòu)建堆取料機(jī)的動力仿真模型，進(jìn)行模型求解。

圖1 門架式堆取料機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)構(gòu)成

圖2 取料耙變幅機(jī)構(gòu)的受力作用下面圖

2.1.2 優(yōu)化設(shè)計變量

通過對變幅機(jī)構(gòu)的受力分析，可以選取其優(yōu)化變量，即：xH、XB、yB，根據(jù)如下公式，可得優(yōu)化變量X為：

2.1.3 優(yōu)化約束條件

對門架變幅機(jī)構(gòu)的約束條件的優(yōu)化，可以從邊界約束和結(jié)構(gòu)性能約束兩個方面加以分析：

（1）邊界約束。

通過優(yōu)化計算，可以獲取相應(yīng)的變量范圍，尋求最佳點，其表達(dá)式為：

（2）結(jié)構(gòu)性能約束條件。

為了使門架變幅機(jī)構(gòu)能夠在幾何約束條件下，進(jìn)行優(yōu)化的設(shè)計，實現(xiàn)良好的機(jī)械運(yùn)動狀態(tài)，需要對其結(jié)構(gòu)約束條件加以計算，并表達(dá)如下：

2.1.4 優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

在對門架變幅機(jī)構(gòu)的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)表達(dá)過程中，要明晰其受力特征，在變幅鋼絲繩受力越小的狀態(tài)下，門架變幅機(jī)構(gòu)的荷載越小，因而，可以對變幅機(jī)構(gòu)的目標(biāo)函數(shù)加以優(yōu)化設(shè)計，計算公式為：

2.2 堆取料機(jī)的門架截面優(yōu)化與機(jī)械設(shè)計

堆取料機(jī)的門架截面在以往的實際應(yīng)用中，是采用類比和試湊的方式，對門架截面的尺寸規(guī)格進(jìn)行設(shè)計，這種方法較為繁瑣，沒有優(yōu)越的實用性特征。因而，可以采用遺傳算法，對堆取料機(jī)的門架截面進(jìn)行初始參數(shù)的優(yōu)化，從而得到最優(yōu)解，合理地進(jìn)行受力分布。

對門架截面尺寸的優(yōu)化，可以采用遺傳算法的優(yōu)化方式，有效地對鋼結(jié)構(gòu)截面進(jìn)行優(yōu)化，在MATLAB遺傳理論之下，可以使材料得到合理的分配，在箱形結(jié)構(gòu)中，有a、b、c、d、e、f、g七個參數(shù)，根據(jù)這七個參數(shù)，可知門架截面形心軸的慣性矩計算公式為：

形心軸的抗彎截面系數(shù)公式為：

由以上兩個公式，可以得出門架結(jié)構(gòu)的截面面積為：

2.2.1 優(yōu)化門架結(jié)構(gòu)截面設(shè)計變量

對門架結(jié)構(gòu)截面設(shè)計的優(yōu)化是依照目標(biāo)函數(shù)變量而變化的，在變量的科學(xué)合理設(shè)計前提下，可以對截面參數(shù)進(jìn)行改變，從而，可以使堆取料機(jī)的門架結(jié)構(gòu)的受力更為合理。其變量可以優(yōu)化設(shè)計為：

在上述公式之中，a1、b2、c3、d4、e5、f6、g7主要是表示AB段的截面參數(shù)；a8、b9、c10、d11、e12、f13、g14主要是表示BC段截面參數(shù)；a15、b16、c17、d18、e19、f20、g21主要是表示CD段的截面參數(shù)。

2.2.2 優(yōu)化設(shè)計約束條件

對于門架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，要設(shè)定其邊界約束條件和結(jié)構(gòu)性能約束條件的值。從邊界約束條件來說，要使門架結(jié)構(gòu)在合理的上下限范圍之內(nèi)，確保門架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固與合理，這就需要對門架結(jié)構(gòu)的各個變量的取值范圍加以設(shè)定，要建構(gòu)21個邊界約束。對于結(jié)構(gòu)性能約束條件來說，主要是建構(gòu)13個性能約束，以使門架結(jié)構(gòu)的性能達(dá)到合理的要求，在對這兩個約束條件的設(shè)計之下，可以建立如下目標(biāo)函數(shù)，以達(dá)到門架體積的最小值：

在這個優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)之中，l1、l2、l3是用于表達(dá)門架各段的長度，用mm表示；A1、A2、A3是用于表達(dá)門架各段的截面積，用mm2表示。

2.2.3 選取優(yōu)化算法

對于門架結(jié)構(gòu)的截面優(yōu)化可以選用遺傳算法和MATLAB遺傳算法工具箱，由于它是一種非線性單目標(biāo)優(yōu)化問題，因而，造用遺傳算法更為科學(xué)合理，可以滿足不同結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求，保證結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。

在對堆取料機(jī)的門架結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析條件下，可以對其單位荷載進(jìn)行計算分析，對堆取料機(jī)的門架變幅機(jī)構(gòu)和截面結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和分析，并在相關(guān)參數(shù)運(yùn)用的前提下，優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)函數(shù)模型，并在MATLAB遺傳算法工具的應(yīng)用之下，可以得到優(yōu)化的求解結(jié)果，從而對堆取料機(jī)的門架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和整體穩(wěn)定性進(jìn)行計算，在合理改善應(yīng)力分布的狀態(tài)下，減輕門架自重，提升其安全性能。

[1]齊寶庫，滕儒民，苗明，李杰.基于遺傳算法的頂堆側(cè)取料機(jī)門架截面優(yōu)化設(shè)計[J].建筑機(jī)械，2015(4).

[2]周游，張洋.關(guān)于國內(nèi)外堆取料機(jī)現(xiàn)狀智能化研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014(9).

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