斗轮堆取料机俯仰钢结构的设计计算说明书

1、1 俯仰机构的概述为保证斗轮和悬臂皮带机等机构在所需的位置上进行堆取料或取料作业，需要某种机构支撑斗轮和臂架的重量，并能改变斗轮的高度，从而操纵上部金属结构等变幅构件进行俯仰变幅，这种机构称为俯仰机构。斗臂架的俯仰是指臂架在垂直平面内的角度变化。俯仰角是指悬臂纵向中心线与过悬臂后铰轴中心线水平面的夹角。即臂架上仰至最高位置(称正角度 或下俯至最低位置时与水平线之间的夹角(称负角度 。当悬臂梁处在水平位置时为零度。悬臂式斗轮堆取料机的俯仰结构通常有两种方式，整体俯仰结构和非整体俯仰结构。整体俯仰结构是当俯仰机构在运动时，设备的塔架、悬臂、配重体绕同一铰轴转动同样的角度。非整体俯仰结构是一个多连杆

2、系统，在俯仰过程中塔架不随俯仰角度发生变化，悬臂的俯仰角度变化和配重的角度变化不同，其运动由连杆连接来完成。同时，俯仰钢结构按平衡方式可分为固定平衡式、活动平衡式和整体平衡式等。固定平衡式是指配重及门柱固定不动，采用钢丝绳卷扬变幅，配重仅用于整机的防倾覆平衡，不参与变幅平衡，不降低变幅的驱动力。这种平衡方式对变幅驱动要求非常高，在早期应用较多，目前已经基本淘汰。活动平衡式结构中立柱固定不动，悬臂梁自重和工作载荷由立柱对侧的活动配重通过拉杆系统来平衡，实现整机的稳定和降低悬臂梁变幅时的驱动力，悬臂架、配重、拉杆系统和工作载荷最终由固定式门柱支承，一般采用钢丝绳卷扬驱动，钢丝绳、滑轮及活动铰点多，

3、且多位于设备的高处，维护保养困难，目前已经较少应用。整体平衡式结构中悬臂架、配重、立柱、拉杆等连成一个整体，变幅时相对回转平台主铰点作俯仰摆动，一般采用液压驱动。这种结构运动简单，除俯仰主铰点外均是固定铰点，不需加油维护。其中L 梁式结构在中小出力和中等悬臂长度的斗轮机中得到了较为普遍的应用。平行四边形结构自重大，结构重心位移小，在大出力、长悬臂的斗轮机中得到较多应用。 图1 俯仰装置斗轮机堆取料机上部金属结构又可分为斗轮结构、悬臂架、立柱、后壁架、平衡梁及拉杆。上部金属结构与回转平台之间通过后臂架上的铰座及油缸支撑联系。通过油缸的伸缩，使上部金属结构绕后壁架上的铰点转动，从而实现斗轮机上仰、

4、下俯变幅动作。图1是俯仰装置外形图，本机采用油缸与液压系统，驱动上部变幅构件进行整体俯仰。共有两个液压油缸，在油缸的作用下，工作装置绕着与支座的铰接点作俯仰运动，从而实现俯仰过程。斗臂架俯仰速度，在斗轮中心点处通常为5m/min。斗臂架的质量很大，惯性也很大，所以俯仰运动的速度不能一下达到一个常速度，它有一个加速的过程，当制动的时候，也是有一个减速的过程的，所以在下一章的仿真过程中，在启动和制动的过程中，配重重心的加速度、速度的变化情况是一项重要的内容，如果速度过大，可能引起倾翻。2 俯仰机构的有限元静力学分析斗轮堆取料机的俯仰机构处于整台机器的关键部位，起着支撑整台机器工作装置的作用，俯仰机

5、构的安全性与可靠性对整台斗轮堆取料机的安全运行起着重要的作用。将三维造型软件Solidworks 和有限元分析软件Ansys 相结合，以悬臂式斗轮堆取料机工作装置为研究对象，建立了悬臂式斗轮堆取料机俯仰变幅机构、斗轮机构的虚拟样机模型，通过装配进行干涉检查，检查装配体各零件之间的相对位置关系，看是否存在在特定的装配结构形式下的干涉，结果发现没有装配干涉的存在。并对装备承载负荷较大、运动交变频繁的关键部件悬臂梁、仰俯机构关键工况进行有限元分析，就其静态应力分布、运行受力分析、承载变形量等进行深入研究和分析，就其强度变形、应力集中、疲劳破坏等情况进行有限元仿真分析，得出俯仰变幅机构受力及位移图，从

6、而为设计性能和可靠性更高的部件，设计新型结构以及更合理的参数值，使部件设计中的缺陷得到明显的改进奠定理论基础，满足了装备在不同作业环境下的性能、强度、寿命和安全的高要求。正因为电子计算机的运算速度不断加快，有限单元法才有了长足的发展，利用有限元软件进行数值分析的一般步骤如图2所示，由图可知，有限元分析分为3个步骤：有限元前处理有限元分析计算有限元后处理。前、后处理则进一步给人们应用有限元分析计算提供了方便。它们采用图形界面的人机交互方式，前处理为分析计算准备输入数据，它将整体结构或其一部分简化为理想的数学模型; 后处理则对计算结果进行分析整理和归纳。我们只要把一个工程问题抽象为一种单元模型，在

7、有限元软件中建模，通过前处理模块确定材料性质、几何形状，再进行结构离散，然后施加边界条件和负载条件，之后求解的工作就留给软件本身，最后通过后处理模块取得结果，如果对结果不满意，可以返回前处理模块对模型进行修改，直到对结果满意为止。 图2 有限元分析步骤常用的有限元分析软件有：MSC NASTRAN ，ANSYS ，ALGOR 等。本文使用的是ANSYS ，它是集结构、流体、电磁场、声场和祸合场分析于一体的大型通用有限元分析软件，已广泛应用于机械、电子、航空航天、汽车、船舶等各个领域，是现代设计中必不可少的工具。由世界上著名的有限元分析软件公司ANSYS 开发，它能与多数的CAD 软件结合使用，

8、如pro/E飞ineer 、NAsTRAN 、Alogor 、I 一DEAs 、Aut0CAD 等，是现代产品设计中的高级CAD 工具之一。ANSYS 作为一个功能强大、应用广泛的有限元分析软件，主要包括三个部分:前处理模块、分析计算模块和后处理模块。ANSYS 的结构力学分析包括结构静力学分析、结构动力学分析和结构非线性分析等。1、结构静力学分析：用来求解外载荷引起的位移和应力。静态分析适合求解惯性和阻尼对结构影响并不显著的问题。ANSYS 程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、大应变、大变形及接触分析。2、结构动力学分析：结构动力学用来求解结构的固有振

9、型以及随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力学分析要考虑随时间变化的载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ANSYS 可进行的结构动力学分析类型包括:模态分析、瞬态动力学分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。3、结构非线性分析：结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。ANSYS 程序可求解静态和瞬间非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性材料3种。有了ANSYS 软件的帮助，只要在ANSYS 中建立起模型，施加适当的边界条件和载荷，软件就会自动计算出结果。本文基于ANSYS 强大的分析功能，对斗轮堆取料机的设计和特性进行优化。得到比较理想的效果，同时缩短了设计周

10、期和降低了设计费用，获得了比较好的效果。2.1俯仰装置结构静力学模型的建立斗轮堆取料机俯仰钢结构包括臂架、拉杆组、立柱和配重架等部分。斗轮机堆取料时由头部挖掘取料，通过接料斗传递到俯仰臂架。臂架与摇架梁立柱通过铰销相连接。臂架和摇架梁立柱随着俯仰油缸的伸缩完成俯仰变位，从而适应不同料位的取料需要。作为斗轮机的工作装置，承受着自重、物料、挖掘力，风载荷等垂直、水平及侧向等多种载荷。此外，由于结构的非对称性，还承受着附加扭矩载荷。因此，俯仰钢结构不但结构复杂，而且其受力和应力分布情况较为复杂。另一方面，它位于整个结构的上层且工作外伸距大（47m ）对整机重量和轮压分布起主要影响，设计中必然要求在满

11、足强度和刚度的条件下，尽可能减轻自重。本文以斗轮堆取料机的俯仰钢结构为研究对象，利用有限元仿真元件进行分析，确定悬臂式斗轮堆取料机俯仰机构的最大应力和应变，完成了斗轮机俯仰钢结构的应力和应变分析。分析悬臂式斗轮堆取料机俯仰结构参数及选用的材料是否满足使用要求，并以此为基础实现悬臂式斗轮堆取料机俯仰机构的优化设计，分析过程如下：（1）单元类型的选择确定单元的类型对于有限元分析至关重要, 它不仅影响模型网格的划分, 而且对求解的精度也影响很大。综合考虑机架结构的复杂程度, 精度要求, 为了较真实地模拟斗轮机的结构特征，更好的模拟臂架和摇架梁立柱之间的边界关系并适应模态分析需要，采用臂架和立柱整体多

12、种单元混合建模，即包括臂架系统、立柱、拉杆组、配重架等统一建立有限元分析模型，从而更加真实反映整个俯仰钢结构的受力情况。具体为拉杆仅受拉力，可简化为杆单元；平衡梁由规则的型钢（工字型、L 型）构成，可简化为梁单元；悬臂架和后壁架的头部截面变化复杂，为了准确了解应力情况，可采用板单元。壳单元、梁单元、杆单元接头处往往易出现应力集中，这是由模型简化引起的，并不反映真实情况，为了避免这种情况，可以采用壳单元和梁单元结合的方式，尤其要在板单元和梁单元连接处增加虚拟梁单元，以钢化局部模型。（2）定义材料属性工作装置的主要部件材料为Q345号钢，它的性能参数是：密度为7.8×l0-9t/mm3，

13、杨氏模量为2.07×105N/mm2，泊松比为0.29，屈服极限为345MPa ，长度单位用的是mm 是为了与所建模型的单位保持一致。（3）施加约束施加约束对于有限元分析也很重要。边界约束条件的准确度直接影响有限元 分析的结果。设置约束边界条件一般遵循2个原则:施加足够多的约束, 保证模型不会产生刚性位移; 力求简单直观便于计算分析。文中对机架的所有自由度进行约束。 （4）施加载荷对悬臂式斗轮堆取料机俯仰机构在最恶劣的工作状况下进行分析, 即悬臂式斗轮堆取料机在取料工况的水平位置处时，悬臂的受力与变形情况。根据计算结果，在斗轮与斗臂架的连接处斗轮对臂架的作用力为：X 方向，17166

14、0N ；Y 方向，40653N ；Z 方向， 360000N(其中包括挖掘阻力和斗轮的重力 。 （5）求解及后处理Ansys 本身有两种两种后处理器，文中采用通用后处理器进行后处理。2.2计算结果及分析求解完成后, 应用后处理器可直观地看出应力、变形等结果在模型上的分布情况。这样可以快速地确定所需的结果最大值位置, 以便快速地确定所要着重分析的区域, 然后通过列表功能获得指定节点, 或者是所有的节点的具体的应力、应变、位移等结果值。利用这些数值分析校核其强度。 （1）应力分布云图图3 应力分布云图斗轮堆取料机俯仰钢结构计算模型如图4所示，计算模型细部如图5所示。 图 4斗轮机俯仰钢结构计算模型

15、 图5斗轮机俯仰钢结构计算模型细部臂架水平工作时俯仰钢结构分析臂架水平工作时俯仰钢结构合成应力分布见图 6、7。图7是最大合成应力部位局部放大。此工作位置上最大应力出现在立柱塔索与摇架梁立柱连接支座附近。图6 俯仰钢结构合成应力 图7 俯仰钢结构合成应力，局部放大图8 俯仰钢结构垂直位移 图9 斗轮以最大能力堆料（下俯12度） 图10 斗轮以最大能力堆料（上仰8 度） 图11 斗轮以最大能力堆料（水平） 图12 斗轮以最大挖掘力取料（下俯12 度） 图13 斗轮以最大挖掘力取料（上仰8 度） 图14 斗轮以最大挖掘力取料（水平）计算结果表明:位移最大的地方是平衡架的尾部，31.077mm ，最

16、大应力发生在支座附近，大小为212.58MPa ，小于Q345号钢的屈服极限，由于最大应力均出现在连接处, 是由于构造有限元模型时, 局部和实际不符引起的, 所以取该点处的平均应力。最终仿真结果表明均未超出最大安全应力，满足强度要求，因此结构是安全的。3. 轴的校核进行轴的强度校核计算时，应根据轴的具体受载及应力情况，采取相应的计算方法，并恰当的选取其许用应力。对于仅仅（或主要）承受扭矩的轴（传动轴），应按扭转强度条件计算；对于只承受弯矩的轴（心轴），应按弯曲强度条件计算；对于既承受弯矩又承受扭矩的轴（转轴），应按弯扭合成强度条件进行计算，需要时还应按疲劳强度条件进行精确校核。由机械理论计算得

17、，悬臂式堆取料机俯仰装置总重已知，具体计算数据见表1。表1 部件重量参数表 俯仰钢结构包括臂架、拉杆组、立柱和配重架等部分。其结构简图如图15所示。1. 前拉杆 2. 中拉杆 3. 后拉杆 4. 平衡架及配重 5. 轴 6. 俯仰臂 7. 轴 8. 轴图15 俯仰结构简图俯仰机构中各轴的材料均为42GrMo42GrMo 的力学性能如下： 抗拉强度B 1080Mpa屈服强度S 930Mpa 伸长率 12% 断面收缩率45%许用切应力0.8B =864MPa 许用弯曲应力为=750MPa轴为臂架与立柱塔架的连接处，对于轴进行受力分析如下图所示，它受到的载荷错误！未找到引用源。，轴的直径为d=160

18、mm，错误！未找到引用源。 ，则轴中点处所受最大弯矩为错误！未找到引用源。，抗弯截面系数 错误！未找到引用源。，可知弯曲应力错误！未找到引用源。 图16 轴的受力分析已选定轴的材料为42CrMo ，调质处理，查得许用弯曲应力为750MPa ，因此错误！未找到引用源。，故安全。 剪切应力的校核：F s由上图可知剪切力 ：F s =F1/2=958250N 则剪切面上的剪切力应满足强度条件： F /2 958250 = s2 = × 6 =47.66Mpa【 】 10 160 160 d / 4 × × / 4 故销轴符合强度要求。 轴为塔架上部与塔架下部的连接处，对轴进行受力分析如下图所示，它 受到的载荷错误！未找到引用源。 ，轴的直径错误！未找到引用源。 ，错误！未找 到引用源。 ，则轴中点处所受最大弯矩错误！未找到引用源。 ，抗弯截面系数错 误！未找到引用源。 ，可知弯曲应力