李 巖
(秦皇島港股份有限公司第二港務(wù)分公司,河北秦皇島 066000)
配重三角架是斗輪取料機(jī)的關(guān)鍵部件,在俯仰油缸的配合作用下,保持其與取料機(jī)斗輪大臂的靜、動態(tài)平衡,使取料機(jī)可以正常運行。秦皇島港煤二期斗輪取料機(jī)自投入使用以來,歷經(jīng)30余年的負(fù)荷作業(yè)生產(chǎn),在內(nèi)、外應(yīng)力共同作用下,配重三角架鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞失效,對公司安全生產(chǎn)造成較大影響。通過新技術(shù)的引入,對其進(jìn)行故障分析,并根據(jù)故障類型提供解決方案,是降低該部件故障率和保障安全生產(chǎn)的重要手段。
為分析三角架鋼結(jié)構(gòu)失效情況,依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場失效情況,確定結(jié)構(gòu)計算工況和載荷,在NX-Nastran軟件環(huán)境下建立結(jié)構(gòu)有限元模型、施加載荷并結(jié)合具體工況進(jìn)行應(yīng)力和線性屈曲分析,依據(jù)分析結(jié)果,歸納出結(jié)構(gòu)強(qiáng)度疲勞失效因素。
三角架承擔(dān)的載荷主要包括與其連接的配重、三角架鋼結(jié)構(gòu)自重以及來自俯仰油缸的作用力,其中配重質(zhì)量204 000 kg,三角架鋼結(jié)構(gòu)自重72 300 kg,油缸卸荷壓力1702 kN。其余載荷依據(jù)《重型機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)》、《FEM SectionⅡ移動式散料搬運設(shè)備設(shè)計規(guī)范》以及《ISO 5049-1—1999散狀物料連續(xù)輸送設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》,考慮豎直方向和水平方向動載進(jìn)行仿真計算。
根據(jù)現(xiàn)場配重三角架鋼結(jié)構(gòu)失效情況,原方案和修改方案在有限元計算時均考慮最危險工況,即取料機(jī)處于下俯位置并且油缸壓力值達(dá)卸荷狀態(tài)。
利用NX-Nastran軟件建立三角架鋼結(jié)構(gòu)的有限元模型。依據(jù)結(jié)構(gòu)中不同構(gòu)件的特點分別采用剛性單元、集中質(zhì)量單元和板殼單元來模擬。此外,建模時省略所有焊縫,按滿焊全熔透處理。依據(jù)上述條件建立的改造前三角架鋼結(jié)構(gòu)有限元模型如圖1所示。
通過對改造前三角架結(jié)構(gòu)有限元模型求解,得到其應(yīng)力云圖和線性屈曲位移云圖分別如圖2、圖3所示。由圖2可知,結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力335 MPa,存在局部應(yīng)力集中現(xiàn)象;由圖3可知,改造前三角架結(jié)構(gòu)屈曲特征值為1.96。
圖1 改造前三角架結(jié)構(gòu)有限元模型
圖2 改造前三角架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖
圖3 改造前三角架結(jié)構(gòu)線性屈曲位移云圖
圖4 改造前分析結(jié)果與現(xiàn)場失效圖片
將改造前三角架結(jié)構(gòu)線性屈曲分析結(jié)果與現(xiàn)場失效圖片比較,由圖4可見,改造前三角架鋼結(jié)構(gòu)中用于支撐油缸的撐桿,其線性屈曲分析結(jié)果與現(xiàn)場失效形式完全吻合,由此說明三角架鋼結(jié)構(gòu)實際失效應(yīng)該是從油缸處撐桿沿弱軸方向的整體失穩(wěn)開始,繼而引起其他各處失穩(wěn)。分析改造前的設(shè)計,由于油缸處撐桿在取料機(jī)下俯取料過程中要承受很大的壓力,而其弱軸長細(xì)比為115,比值相對較大,所以容易產(chǎn)生沿弱軸方向的整體失穩(wěn)。因此,改變油缸處撐桿的弱軸長細(xì)比,是防止三角架鋼結(jié)構(gòu)失效的有效途徑。
根據(jù)分析結(jié)果,對原方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計,具體實施方式為在油缸處撐桿中間增加橫向聯(lián)系梁,使得其長細(xì)比變?yōu)樵瓉淼?/2,以增加弱軸的穩(wěn)定性。改進(jìn)后三角架結(jié)構(gòu)有限元模型如圖5所示。
圖5 改進(jìn)后三角架結(jié)構(gòu)有限元模型
通過對改造后三角架結(jié)構(gòu)有限元模型求解,得到其應(yīng)力云圖和線性屈曲位移云圖分別如圖6、圖7所示。由圖6可知,結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為331 MPa,存在局部應(yīng)力集中現(xiàn)象;由圖7可知,改造后三角架結(jié)構(gòu)屈曲特征值為2.93。
相對于原方案,修改方案的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布形式及最大應(yīng)力位置基本不變,主要是因為根據(jù)失效形式制定的修改方案并不是為了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的局部強(qiáng)度,而是為了增加結(jié)構(gòu)局部的穩(wěn)定性。
圖6 修改方案三角架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖
圖7 修改方案三角架結(jié)構(gòu)線性屈曲位移云圖
圖8 修改方案與現(xiàn)場失效比較
通過對比圖3和圖7可以看出,相對于修改前方案(圖3),修改后方案(圖7)通過在油缸撐桿中間增加了橫向聯(lián)系梁結(jié)構(gòu),使油缸撐桿處弱軸長細(xì)比變?yōu)樾薷那暗?/2,由此增強(qiáng)了三角架鋼結(jié)構(gòu)局部的穩(wěn)定性,避免了油缸處撐桿產(chǎn)生沿弱軸方向的失穩(wěn)。而配重臂根部成為修改后方案相對薄弱的環(huán)節(jié),由圖8可以看出,修改后三角架結(jié)構(gòu)線性屈曲分析結(jié)果和現(xiàn)場失效形式和位置依然吻合,但由于此時的線性屈曲特征值已經(jīng)達(dá)到2.93,三角架在使用過程中應(yīng)不會出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象?,F(xiàn)場之所以局部失穩(wěn),主要是由于改進(jìn)方案實施前油缸處撐桿失穩(wěn)引起的連鎖反應(yīng)。
根據(jù)分析結(jié)果,制定維修方案,對配重三角架進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn),相繼對秦皇島港煤二期4臺斗輪取料機(jī)配重三腳架進(jìn)行了優(yōu)化加強(qiáng)。另外,為保證結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的可靠性,對取料機(jī)進(jìn)行了整機(jī)驗收檢驗測試。
根據(jù)實際情況,測試分別在重新安裝三角架配重和試運行過程中進(jìn)行,分為2個階段:第一階段在安裝過程進(jìn)行,加配重后進(jìn)行應(yīng)力測試及對斗輪著地力進(jìn)行測試。第二階段在試運行中,測試內(nèi)容包括靜動態(tài)應(yīng)力測試、結(jié)構(gòu)振動測試及穩(wěn)定性測試等。
經(jīng)過內(nèi)容測試及試運行情況,4臺斗輪取料機(jī)配重三角架優(yōu)化后整機(jī)運行穩(wěn)定,至今未發(fā)生鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)現(xiàn)象。