齊善朋

(遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)院管理工程系，遼寧 沈陽(yáng) 110023)

移動(dòng)式破碎站是一種比較常見(jiàn)的破碎用設(shè)備，用于礦山、冶金、化工等行業(yè)中各種礦石、煤炭、巖石等大塊狀物料的破碎作業(yè)。相對(duì)于固定式破碎站，移動(dòng)式破碎站的優(yōu)點(diǎn)是可移動(dòng)、適應(yīng)性強(qiáng)。半移動(dòng)式破碎站是固定式破碎站和可移式破碎站的結(jié)合體，是大型露天礦進(jìn)行半連續(xù)開(kāi)采的重要組成設(shè)備，主要功能是將自卸車(chē)運(yùn)送來(lái)的大塊狀和硬度較大的礦料進(jìn)行破碎，然后利用帶式輸送機(jī)完成運(yùn)輸工作[1]。半移動(dòng)式破碎站根據(jù)移動(dòng)方式可分為滑橇式半移動(dòng)破碎站、半固定式破碎站等；根據(jù)破碎機(jī)形式可分為液壓旋回破碎機(jī)半移動(dòng)式破碎站、齒輥破碎機(jī)半移動(dòng)式破碎站、顎式破碎機(jī)半移動(dòng)式破碎站等。

破碎站料倉(cāng)是破碎站系統(tǒng)重型刮板輸送機(jī)的受料裝置，需要承受輸送機(jī)運(yùn)送來(lái)的塊狀礦石的沖擊。本文研究的料倉(cāng)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)15 m、寬11 m、高10 m，由受料漏斗和支撐結(jié)構(gòu)組成，全部由鋼板和型鋼焊接或栓接而成。整個(gè)結(jié)構(gòu)按受料漏斗和支撐結(jié)構(gòu)兩部分進(jìn)行強(qiáng)度和剛度計(jì)算，計(jì)算時(shí)采用有限元法。

1 料倉(cāng)受料漏斗結(jié)構(gòu)計(jì)算

1.1 結(jié)構(gòu)模型

受料漏斗采用由鋼板和型鋼通過(guò)焊接或栓接組成的結(jié)構(gòu)，要能夠經(jīng)受物料的沖擊和磨損，因此需要具有足夠的強(qiáng)度。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力情況，在進(jìn)行有限元分析時(shí)把鋼結(jié)構(gòu)各部分均等效為彈性板單元[2]。受料漏斗采用ANSYS軟件建模，如圖1和圖2所示，模型單元總數(shù)為174 473個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為162 847個(gè)。

圖1 受料漏斗結(jié)構(gòu)模型

圖2 受料漏斗結(jié)構(gòu)模型單元圖

1.2 約束

受料漏斗整體結(jié)構(gòu)的重力作用在其下面的鋼結(jié)構(gòu)底座上，有限元分析時(shí)將受料漏斗與鋼結(jié)構(gòu)底座連接處作為受料漏斗的約束，共計(jì)24個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)均約束X,Y,Z3個(gè)方向的線(xiàn)位移。

1.3 載荷

載荷是受料漏斗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮的因素。載荷包括恒載、貯料壓力、風(fēng)載、地震和物流沖擊載荷等。

1)恒載。恒載包括受料漏斗結(jié)構(gòu)自重及襯板質(zhì)量80 000 kg。

2)貯料壓力。受料漏斗在漏斗深S處單位面積上的法向和切向壓力如圖3所示。

圖3 受料漏斗壁壓力示意圖

Pn=Pvcos2α+ksin2α

(1)

Pt=Pv(1-k)sinαcosα

(2)

式中：Pn為受料漏斗在深S處單位面積上法向壓力標(biāo)準(zhǔn)值；Pt為受料斗在深S處單位面積上切向壓力標(biāo)準(zhǔn)值；Pv為貯料作用于倉(cāng)壁單位面積上的垂直壓力標(biāo)準(zhǔn)值，Pv=γS，其中γ為貯料的重力密度，γ=8 900 N/m3，k=tan2(45°-φ/2)，其中φ為貯料的內(nèi)摩擦角,φ=37°；α為漏斗壁與水平面夾角。

3)風(fēng)載。風(fēng)載P的計(jì)算公式為

P=ACeCqqs

(3)

式中：A為構(gòu)件迎風(fēng)面積；Ce為高度系數(shù)，Ce=1.4；Cq為體形系數(shù)，結(jié)構(gòu)立面有外裝處迎風(fēng)面Cq=0.8，背風(fēng)面Cq=-0.5；qs為基本風(fēng)壓，qs=0.6 kN/m2。

構(gòu)件X方向的迎風(fēng)面積為118 m2，Z方向的迎風(fēng)面積為127 m2，由式(3)可得X方向風(fēng)載為79.27 kN，Z方向風(fēng)載為85.28 kN。

4)地震作用。計(jì)算地震對(duì)結(jié)構(gòu)的作用力時(shí)采用底部剪力法，根據(jù)工程技術(shù)規(guī)范書(shū)，計(jì)算地震作用時(shí)加速度取0.2g。

5)物料沖擊載荷。物料沖擊載荷按料倉(cāng)滿(mǎn)料時(shí)的2.5倍動(dòng)載系數(shù)考慮。

1.4 載荷組合

載荷組合1∶1.35恒載+0.98物料+0.84風(fēng)載。載荷組合2∶1.2恒載+1.4物料+0.84風(fēng)載。載荷組合3∶1.2恒載+1.4風(fēng)載+0.98物料。本文主要計(jì)算有限元模型在這3種載荷組合工況下的受力情況[3]。

1.5 材料及特性

轉(zhuǎn)運(yùn)站鋼結(jié)構(gòu)型材和鋼板材料均為Q345。材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f的取值規(guī)律如下：板厚度t≤16 mm時(shí)，f=310 N/mm2；板厚度16 mm

2 料倉(cāng)受料漏斗計(jì)算結(jié)果

1)載荷組合1。

受料漏斗結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力分布如圖4所示，圖中A處應(yīng)力為52 MPa，B處應(yīng)力為73 MPa，C處應(yīng)力為79 MPa，D處應(yīng)力為44 MPa，E處應(yīng)力為32 MPa。結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為79 MPa，設(shè)計(jì)應(yīng)力為295 MPa，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖4 受料漏斗結(jié)構(gòu)整體等效應(yīng)力分布圖

2)載荷組合2。

受料漏斗結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力分布如圖5、圖6所示，圖中A處應(yīng)力為52 MPa，B處應(yīng)力為73 MPa，C處應(yīng)力為79 MPa，D處應(yīng)力為44 MPa，E處應(yīng)力為39 MPa，F(xiàn)處應(yīng)力為54 MPa。結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為79 MPa，設(shè)計(jì)應(yīng)力為295 MPa，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖5 受料漏斗結(jié)構(gòu)整體等效應(yīng)力分布1

圖6 受料漏斗結(jié)構(gòu)整體等效應(yīng)力分布2

3)載荷組合3。

受料漏斗結(jié)構(gòu)的整體等效應(yīng)力分布圖如圖7所示，圖中A處應(yīng)力為70 MPa，B處應(yīng)力為77 MPa，C處應(yīng)力為45 MPa，D處應(yīng)力為52 MPa。結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為77 MPa，設(shè)計(jì)應(yīng)力為295 MPa，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖7 受料漏斗結(jié)構(gòu)整體等效應(yīng)力分布圖

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期越來(lái)越短，企業(yè)對(duì)新技術(shù)的需求更加迫切。對(duì)于大型機(jī)械結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)時(shí)需要更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)理念，而應(yīng)用有限元法進(jìn)行設(shè)計(jì)是提升產(chǎn)品質(zhì)量、縮短設(shè)計(jì)周期、提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的一項(xiàng)有效手段。有限元法的應(yīng)用有效保證了設(shè)計(jì)質(zhì)量，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了參考和幫助。本文對(duì)某破碎站料倉(cāng)模型的有限元分析表明，3種工況下該設(shè)備的強(qiáng)度都小于許用值，因此下一步可以通過(guò)適當(dāng)?shù)馗淖兤扑檎具x用型材的截面尺寸對(duì)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。