斗輪堆取料機(jī)俯仰鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)

1、1 俯仰機(jī)構(gòu)的概述為保證斗輪和懸臂皮帶機(jī)等機(jī)構(gòu)在所需的位置上進(jìn)行堆取料或取料作業(yè)，需要某種機(jī)構(gòu)支撐斗輪和臂架的重量，并能改變斗輪的高度，從而操縱上部金屬結(jié)構(gòu)等變幅構(gòu)件進(jìn)行俯仰變幅，這種機(jī)構(gòu)稱(chēng)為俯仰機(jī)構(gòu)。斗臂架的俯仰是指臂架在垂直平面內(nèi)的角度變化。俯仰角是指懸臂縱向中心線與過(guò)懸臂后鉸軸中心線水平面的夾角。即臂架上仰至最高位置(稱(chēng)正角度 或下俯至最低位置時(shí)與水平線之間的夾角(稱(chēng)負(fù)角度 。當(dāng)懸臂梁處在水平位置時(shí)為零度。懸臂式斗輪堆取料機(jī)的俯仰結(jié)構(gòu)通常有兩種方式，整體俯仰結(jié)構(gòu)和非整體俯仰結(jié)構(gòu)。整體俯仰結(jié)構(gòu)是當(dāng)俯仰機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)備的塔架、懸臂、配重體繞同一鉸軸轉(zhuǎn)動(dòng)同樣的角度。非整體俯仰結(jié)構(gòu)是一個(gè)多連桿

2、系統(tǒng)，在俯仰過(guò)程中塔架不隨俯仰角度發(fā)生變化，懸臂的俯仰角度變化和配重的角度變化不同，其運(yùn)動(dòng)由連桿連接來(lái)完成。同時(shí)，俯仰鋼結(jié)構(gòu)按平衡方式可分為固定平衡式、活動(dòng)平衡式和整體平衡式等。固定平衡式是指配重及門(mén)柱固定不動(dòng)，采用鋼絲繩卷?yè)P(yáng)變幅，配重僅用于整機(jī)的防傾覆平衡，不參與變幅平衡，不降低變幅的驅(qū)動(dòng)力。這種平衡方式對(duì)變幅驅(qū)動(dòng)要求非常高，在早期應(yīng)用較多，目前已經(jīng)基本淘汰?；顒?dòng)平衡式結(jié)構(gòu)中立柱固定不動(dòng)，懸臂梁自重和工作載荷由立柱對(duì)側(cè)的活動(dòng)配重通過(guò)拉桿系統(tǒng)來(lái)平衡，實(shí)現(xiàn)整機(jī)的穩(wěn)定和降低懸臂梁變幅時(shí)的驅(qū)動(dòng)力，懸臂架、配重、拉桿系統(tǒng)和工作載荷最終由固定式門(mén)柱支承，一般采用鋼絲繩卷?yè)P(yáng)驅(qū)動(dòng)，鋼絲繩、滑輪及活動(dòng)鉸點(diǎn)多，

3、且多位于設(shè)備的高處，維護(hù)保養(yǎng)困難，目前已經(jīng)較少應(yīng)用。整體平衡式結(jié)構(gòu)中懸臂架、配重、立柱、拉桿等連成一個(gè)整體，變幅時(shí)相對(duì)回轉(zhuǎn)平臺(tái)主鉸點(diǎn)作俯仰擺動(dòng)，一般采用液壓驅(qū)動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)單，除俯仰主鉸點(diǎn)外均是固定鉸點(diǎn)，不需加油維護(hù)。其中L 梁式結(jié)構(gòu)在中小出力和中等懸臂長(zhǎng)度的斗輪機(jī)中得到了較為普遍的應(yīng)用。平行四邊形結(jié)構(gòu)自重大，結(jié)構(gòu)重心位移小，在大出力、長(zhǎng)懸臂的斗輪機(jī)中得到較多應(yīng)用。 圖1 俯仰裝置斗輪機(jī)堆取料機(jī)上部金屬結(jié)構(gòu)又可分為斗輪結(jié)構(gòu)、懸臂架、立柱、后壁架、平衡梁及拉桿。上部金屬結(jié)構(gòu)與回轉(zhuǎn)平臺(tái)之間通過(guò)后臂架上的鉸座及油缸支撐聯(lián)系。通過(guò)油缸的伸縮，使上部金屬結(jié)構(gòu)繞后壁架上的鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)斗輪機(jī)上仰、

4、下俯變幅動(dòng)作。圖1是俯仰裝置外形圖，本機(jī)采用油缸與液壓系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)上部變幅構(gòu)件進(jìn)行整體俯仰。共有兩個(gè)液壓油缸，在油缸的作用下，工作裝置繞著與支座的鉸接點(diǎn)作俯仰運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)俯仰過(guò)程。斗臂架俯仰速度，在斗輪中心點(diǎn)處通常為5m/min。斗臂架的質(zhì)量很大，慣性也很大，所以俯仰運(yùn)動(dòng)的速度不能一下達(dá)到一個(gè)常速度，它有一個(gè)加速的過(guò)程，當(dāng)制動(dòng)的時(shí)候，也是有一個(gè)減速的過(guò)程的，所以在下一章的仿真過(guò)程中，在啟動(dòng)和制動(dòng)的過(guò)程中，配重重心的加速度、速度的變化情況是一項(xiàng)重要的內(nèi)容，如果速度過(guò)大，可能引起傾翻。2 俯仰機(jī)構(gòu)的有限元靜力學(xué)分析斗輪堆取料機(jī)的俯仰機(jī)構(gòu)處于整臺(tái)機(jī)器的關(guān)鍵部位，起著支撐整臺(tái)機(jī)器工作裝置的作用，俯仰機(jī)

5、構(gòu)的安全性與可靠性對(duì)整臺(tái)斗輪堆取料機(jī)的安全運(yùn)行起著重要的作用。將三維造型軟件Solidworks 和有限元分析軟件Ansys 相結(jié)合，以懸臂式斗輪堆取料機(jī)工作裝置為研究對(duì)象，建立了懸臂式斗輪堆取料機(jī)俯仰變幅機(jī)構(gòu)、斗輪機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型，通過(guò)裝配進(jìn)行干涉檢查，檢查裝配體各零件之間的相對(duì)位置關(guān)系，看是否存在在特定的裝配結(jié)構(gòu)形式下的干涉，結(jié)果發(fā)現(xiàn)沒(méi)有裝配干涉的存在。并對(duì)裝備承載負(fù)荷較大、運(yùn)動(dòng)交變頻繁的關(guān)鍵部件懸臂梁、仰俯機(jī)構(gòu)關(guān)鍵工況進(jìn)行有限元分析，就其靜態(tài)應(yīng)力分布、運(yùn)行受力分析、承載變形量等進(jìn)行深入研究和分析，就其強(qiáng)度變形、應(yīng)力集中、疲勞破壞等情況進(jìn)行有限元仿真分析，得出俯仰變幅機(jī)構(gòu)受力及位移圖，從

6、而為設(shè)計(jì)性能和可靠性更高的部件，設(shè)計(jì)新型結(jié)構(gòu)以及更合理的參數(shù)值，使部件設(shè)計(jì)中的缺陷得到明顯的改進(jìn)奠定理論基礎(chǔ)，滿足了裝備在不同作業(yè)環(huán)境下的性能、強(qiáng)度、壽命和安全的高要求。正因?yàn)殡娮佑?jì)算機(jī)的運(yùn)算速度不斷加快，有限單元法才有了長(zhǎng)足的發(fā)展，利用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值分析的一般步驟如圖2所示，由圖可知，有限元分析分為3個(gè)步驟：有限元前處理有限元分析計(jì)算有限元后處理。前、后處理則進(jìn)一步給人們應(yīng)用有限元分析計(jì)算提供了方便。它們采用圖形界面的人機(jī)交互方式，前處理為分析計(jì)算準(zhǔn)備輸入數(shù)據(jù)，它將整體結(jié)構(gòu)或其一部分簡(jiǎn)化為理想的數(shù)學(xué)模型; 后處理則對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析整理和歸納。我們只要把一個(gè)工程問(wèn)題抽象為一種單元模型，在

7、有限元軟件中建模，通過(guò)前處理模塊確定材料性質(zhì)、幾何形狀，再進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散，然后施加邊界條件和負(fù)載條件，之后求解的工作就留給軟件本身，最后通過(guò)后處理模塊取得結(jié)果，如果對(duì)結(jié)果不滿意，可以返回前處理模塊對(duì)模型進(jìn)行修改，直到對(duì)結(jié)果滿意為止。 圖2 有限元分析步驟常用的有限元分析軟件有：MSC NASTRAN ，ANSYS ，ALGOR 等。本文使用的是ANSYS ，它是集結(jié)構(gòu)、流體、電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)和禍合場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件，已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、航空航天、汽車(chē)、船舶等各個(gè)領(lǐng)域，是現(xiàn)代設(shè)計(jì)中必不可少的工具。由世界上著名的有限元分析軟件公司ANSYS 開(kāi)發(fā)，它能與多數(shù)的CAD 軟件結(jié)合使用，

8、如pro/E飛ineer 、NAsTRAN 、Alogor 、I 一DEAs 、Aut0CAD 等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAD 工具之一。ANSYS 作為一個(gè)功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛的有限元分析軟件，主要包括三個(gè)部分:前處理模塊、分析計(jì)算模塊和后處理模塊。ANSYS 的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析包括結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)非線性分析等。1、結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析：用來(lái)求解外載荷引起的位移和應(yīng)力。靜態(tài)分析適合求解慣性和阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)影響并不顯著的問(wèn)題。ANSYS 程序中的靜力分析不僅可以進(jìn)行線性分析，而且可以進(jìn)行非線性分析，如塑性、蠕變、大應(yīng)變、大變形及接觸分析。2、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析：結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)用來(lái)求解結(jié)構(gòu)的固有振

9、型以及隨時(shí)間變化的載荷對(duì)結(jié)構(gòu)或部件的影響。與靜力分析不同，動(dòng)力學(xué)分析要考慮隨時(shí)間變化的載荷以及它對(duì)阻尼和慣性的影響。ANSYS 可進(jìn)行的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析類(lèi)型包括:模態(tài)分析、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、諧波響應(yīng)分析及隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析。3、結(jié)構(gòu)非線性分析：結(jié)構(gòu)非線性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或部件的響應(yīng)隨外載荷不成比例變化。ANSYS 程序可求解靜態(tài)和瞬間非線性問(wèn)題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性材料3種。有了ANSYS 軟件的幫助，只要在ANSYS 中建立起模型，施加適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件和載荷，軟件就會(huì)自動(dòng)計(jì)算出結(jié)果。本文基于ANSYS 強(qiáng)大的分析功能，對(duì)斗輪堆取料機(jī)的設(shè)計(jì)和特性進(jìn)行優(yōu)化。得到比較理想的效果，同時(shí)縮短了設(shè)計(jì)周

10、期和降低了設(shè)計(jì)費(fèi)用，獲得了比較好的效果。2.1俯仰裝置結(jié)構(gòu)靜力學(xué)模型的建立斗輪堆取料機(jī)俯仰鋼結(jié)構(gòu)包括臂架、拉桿組、立柱和配重架等部分。斗輪機(jī)堆取料時(shí)由頭部挖掘取料，通過(guò)接料斗傳遞到俯仰臂架。臂架與搖架梁立柱通過(guò)鉸銷(xiāo)相連接。臂架和搖架梁立柱隨著俯仰油缸的伸縮完成俯仰變位，從而適應(yīng)不同料位的取料需要。作為斗輪機(jī)的工作裝置，承受著自重、物料、挖掘力，風(fēng)載荷等垂直、水平及側(cè)向等多種載荷。此外，由于結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱(chēng)性，還承受著附加扭矩載荷。因此，俯仰鋼結(jié)構(gòu)不但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且其受力和應(yīng)力分布情況較為復(fù)雜。另一方面，它位于整個(gè)結(jié)構(gòu)的上層且工作外伸距大（47m ）對(duì)整機(jī)重量和輪壓分布起主要影響，設(shè)計(jì)中必然要求在滿

11、足強(qiáng)度和剛度的條件下，盡可能減輕自重。本文以斗輪堆取料機(jī)的俯仰鋼結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，利用有限元仿真元件進(jìn)行分析，確定懸臂式斗輪堆取料機(jī)俯仰機(jī)構(gòu)的最大應(yīng)力和應(yīng)變，完成了斗輪機(jī)俯仰鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變分析。分析懸臂式斗輪堆取料機(jī)俯仰結(jié)構(gòu)參數(shù)及選用的材料是否滿足使用要求，并以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)懸臂式斗輪堆取料機(jī)俯仰機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析過(guò)程如下：（1）單元類(lèi)型的選擇確定單元的類(lèi)型對(duì)于有限元分析至關(guān)重要, 它不僅影響模型網(wǎng)格的劃分, 而且對(duì)求解的精度也影響很大。綜合考慮機(jī)架結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度, 精度要求, 為了較真實(shí)地模擬斗輪機(jī)的結(jié)構(gòu)特征，更好的模擬臂架和搖架梁立柱之間的邊界關(guān)系并適應(yīng)模態(tài)分析需要，采用臂架和立柱整體多

12、種單元混合建模，即包括臂架系統(tǒng)、立柱、拉桿組、配重架等統(tǒng)一建立有限元分析模型，從而更加真實(shí)反映整個(gè)俯仰鋼結(jié)構(gòu)的受力情況。具體為拉桿僅受拉力，可簡(jiǎn)化為桿單元；平衡梁由規(guī)則的型鋼（工字型、L 型）構(gòu)成，可簡(jiǎn)化為梁?jiǎn)卧?；懸臂架和后壁架的頭部截面變化復(fù)雜，為了準(zhǔn)確了解應(yīng)力情況，可采用板單元。殼單元、梁?jiǎn)卧?、桿單元接頭處往往易出現(xiàn)應(yīng)力集中，這是由模型簡(jiǎn)化引起的，并不反映真實(shí)情況，為了避免這種情況，可以采用殼單元和梁?jiǎn)卧Y(jié)合的方式，尤其要在板單元和梁?jiǎn)卧B接處增加虛擬梁?jiǎn)卧凿摶植磕Ｐ?。?）定義材料屬性工作裝置的主要部件材料為Q345號(hào)鋼，它的性能參數(shù)是：密度為7.8×l0-9t/mm3，

13、楊氏模量為2.07×105N/mm2，泊松比為0.29，屈服極限為345MPa ，長(zhǎng)度單位用的是mm 是為了與所建模型的單位保持一致。（3）施加約束施加約束對(duì)于有限元分析也很重要。邊界約束條件的準(zhǔn)確度直接影響有限元 分析的結(jié)果。設(shè)置約束邊界條件一般遵循2個(gè)原則:施加足夠多的約束, 保證模型不會(huì)產(chǎn)生剛性位移; 力求簡(jiǎn)單直觀便于計(jì)算分析。文中對(duì)機(jī)架的所有自由度進(jìn)行約束。 （4）施加載荷對(duì)懸臂式斗輪堆取料機(jī)俯仰機(jī)構(gòu)在最?lèi)毫拥墓ぷ鳡顩r下進(jìn)行分析, 即懸臂式斗輪堆取料機(jī)在取料工況的水平位置處時(shí)，懸臂的受力與變形情況。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在斗輪與斗臂架的連接處斗輪對(duì)臂架的作用力為：X 方向，17166

14、0N ；Y 方向，40653N ；Z 方向， 360000N(其中包括挖掘阻力和斗輪的重力 。 （5）求解及后處理Ansys 本身有兩種兩種后處理器，文中采用通用后處理器進(jìn)行后處理。2.2計(jì)算結(jié)果及分析求解完成后, 應(yīng)用后處理器可直觀地看出應(yīng)力、變形等結(jié)果在模型上的分布情況。這樣可以快速地確定所需的結(jié)果最大值位置, 以便快速地確定所要著重分析的區(qū)域, 然后通過(guò)列表功能獲得指定節(jié)點(diǎn), 或者是所有的節(jié)點(diǎn)的具體的應(yīng)力、應(yīng)變、位移等結(jié)果值。利用這些數(shù)值分析校核其強(qiáng)度。 （1）應(yīng)力分布云圖圖3 應(yīng)力分布云圖斗輪堆取料機(jī)俯仰鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖4所示，計(jì)算模型細(xì)部如圖5所示。 圖 4斗輪機(jī)俯仰鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

15、 圖5斗輪機(jī)俯仰鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算模型細(xì)部臂架水平工作時(shí)俯仰鋼結(jié)構(gòu)分析臂架水平工作時(shí)俯仰鋼結(jié)構(gòu)合成應(yīng)力分布見(jiàn)圖 6、7。圖7是最大合成應(yīng)力部位局部放大。此工作位置上最大應(yīng)力出現(xiàn)在立柱塔索與搖架梁立柱連接支座附近。圖6 俯仰鋼結(jié)構(gòu)合成應(yīng)力 圖7 俯仰鋼結(jié)構(gòu)合成應(yīng)力，局部放大圖8 俯仰鋼結(jié)構(gòu)垂直位移 圖9 斗輪以最大能力堆料（下俯12度） 圖10 斗輪以最大能力堆料（上仰8 度） 圖11 斗輪以最大能力堆料（水平） 圖12 斗輪以最大挖掘力取料（下俯12 度） 圖13 斗輪以最大挖掘力取料（上仰8 度） 圖14 斗輪以最大挖掘力取料（水平）計(jì)算結(jié)果表明:位移最大的地方是平衡架的尾部，31.077mm ，最

16、大應(yīng)力發(fā)生在支座附近，大小為212.58MPa ，小于Q345號(hào)鋼的屈服極限，由于最大應(yīng)力均出現(xiàn)在連接處, 是由于構(gòu)造有限元模型時(shí), 局部和實(shí)際不符引起的, 所以取該點(diǎn)處的平均應(yīng)力。最終仿真結(jié)果表明均未超出最大安全應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求，因此結(jié)構(gòu)是安全的。3. 軸的校核進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況，采取相應(yīng)的計(jì)算方法，并恰當(dāng)?shù)倪x取其許用應(yīng)力。對(duì)于僅僅（或主要）承受扭矩的軸（傳動(dòng)軸），應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算；對(duì)于只承受彎矩的軸（心軸），應(yīng)按彎曲強(qiáng)度條件計(jì)算；對(duì)于既承受彎矩又承受扭矩的軸（轉(zhuǎn)軸），應(yīng)按彎扭合成強(qiáng)度條件進(jìn)行計(jì)算，需要時(shí)還應(yīng)按疲勞強(qiáng)度條件進(jìn)行精確校核。由機(jī)械理論計(jì)算得

17、，懸臂式堆取料機(jī)俯仰裝置總重已知，具體計(jì)算數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。表1 部件重量參數(shù)表 俯仰鋼結(jié)構(gòu)包括臂架、拉桿組、立柱和配重架等部分。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖15所示。1. 前拉桿 2. 中拉桿 3. 后拉桿 4. 平衡架及配重 5. 軸 6. 俯仰臂 7. 軸 8. 軸圖15 俯仰結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖俯仰機(jī)構(gòu)中各軸的材料均為42GrMo42GrMo 的力學(xué)性能如下： 抗拉強(qiáng)度B 1080Mpa屈服強(qiáng)度S 930Mpa 伸長(zhǎng)率 12% 斷面收縮率45%許用切應(yīng)力0.8B =864MPa 許用彎曲應(yīng)力為=750MPa軸為臂架與立柱塔架的連接處，對(duì)于軸進(jìn)行受力分析如下圖所示，它受到的載荷錯(cuò)誤！未找到引用源。，軸的直徑為d=160

18、mm，錯(cuò)誤！未找到引用源。 ，則軸中點(diǎn)處所受最大彎矩為錯(cuò)誤！未找到引用源。，抗彎截面系數(shù) 錯(cuò)誤！未找到引用源。，可知彎曲應(yīng)力錯(cuò)誤！未找到引用源。 圖16 軸的受力分析已選定軸的材料為42CrMo ，調(diào)質(zhì)處理，查得許用彎曲應(yīng)力為750MPa ，因此錯(cuò)誤！未找到引用源。，故安全。 剪切應(yīng)力的校核：F s由上圖可知剪切力 ：F s =F1/2=958250N 則剪切面上的剪切力應(yīng)滿足強(qiáng)度條件： F /2 958250 = s2 = × 6 =47.66Mpa【 】 10 160 160 d / 4 × × / 4 故銷(xiāo)軸符合強(qiáng)度要求。 軸為塔架上部與塔架下部的連接處，對(duì)軸進(jìn)行受力分析如下圖所示，它 受到的載荷錯(cuò)誤！未找到引用源。 ，軸的直徑錯(cuò)誤！未找到引用源。 ，錯(cuò)誤！未找 到引用源。 ，則軸中點(diǎn)處所受最大彎矩錯(cuò)誤！未找到引用源。 ，抗彎截面系數(shù)錯(cuò) 誤！未找到引用源。 ，可知彎曲應(yīng)力