（工程力学专业论文）斗轮堆取料机的力学分析.pdf

中文摘要 摘要 斗轮堆取料机是一种广泛应用于港口、电力、煤炭、冶金等行业的大型散料 输送设备。作为一种大型钢结构，它的设计不但要从刚度设计和强度设计两方面 考虑，结构的静态和动态平衡稳定性尤为重要，是设计首要考虑的问题。本文以 6 2 1 9 6 q l 6 0 0 0 5 5 型斗轮取料机为研究实例，以f e a 软件为工具，研究了斗轮取料 机的静力学、动力学特性。本文的主要工作内容如下： 1 通过对i s 0 5 0 4 9 、a s 4 3 2 4 、a s 3 9 9 0 、a s 4 1 0 0 、d i n 2 2 2 6 1 标准的研究，归纳出 适合国内斗轮机的结构有限元分析和校核的载荷标准，为斗轮机的静力分析做 准备。 2 根据斗轮堆取料机的结构特点，对实际结构进行合理的简化，利用c a d 软件 分别建立各个部件的实体模型并进行装配。通过接口把c a d 模型导入f e a 软 件中，划分网格，根据第一章的载荷组合和实际工况对有限元模型施加约束和 载荷。分别对悬臂架钢结构、回转平台及门座架进行有限元静力分析，得出三 种工况下的变形、应力云图，观察结构的应力分布，找出应力值偏大的点。 3 利用f e a 软件中的结构动力学模态分析功能对斗轮机的固有特性进行研究分 析，得到模型的前十阶固有振型和频率，并对斗轮机整体进行强迫振动分析， 得到相应的变形、应力云图，将最大m i s e s 等效应力与静力分析下的最大m i s e s 等效应力进行比较。并选取配重三角架上一点，进而得到该点在激振力下的x 、 y 、z 三方向下的位移响应曲线。 关键词：斗轮机；载荷；有限元；模态分析 英文摘要 a b s t r a c t ab u c k e tw h e e ls t a e k e r r e c l a i m e ri sal 【i 1 1 do fl a r g e - s c a l eb u c k m a t e r i a lt r a n s p o r t i n g m a c h i n e s a sal a r g e - s c a l es t e e ls t m c t u r e , n o t o n l yt h es t i f f n e s sd e s i g n sa n ds t r e n g t h d e s i g n sh a v et ob ec o n s i d e r e d ，b u ta l s ot h es t a t i ca n dd y n a m i cb a l a n c es t a b i l i 够，w h i c hi s m o r e i m p o r t a n t a n di st h ef i r s t t h i n g s t ob ec o n s i d e r e d t i l i s p a p e rt a k e s t h e 6 219 6 q l 6 0 0 0 5 5t y p eb u c k e tw h e e ls t a c k e r - r e c l a i m e r 舔a ne x a m p l e w i t ht h eh e l po f f e a s o f t w a r e ，t h ee x a m p l ei se a c u l a t e da n dt h ek i n e m a t i c sa n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s o f t h ec a s ea l eo b t a i n e di nt h i sp a p e r 1 1 l em a i nw o r k sd o n ea r e 嬲f o l l o w s ： 1 t h r o u g hs t u d y i n gs t a n d a r do f i s 0 5 0 4 9 ，a s 4 3 2 4 ，a s 3 9 9 0 ，a s 4 1 0 0 ，d i n 2 2 2 6 1 , t h e l o a dc a s e sw h i c hi sf i tt od o m e s t i cb u c k e tw h e e ls t a c k c r - r e c l a i m e ra r e s u m m a r i z e d 1 1 圮 w o r k sa b o v ed o n ei sp r e p a r e dt ot h ek i n e m a t i c sa n a l y s i s 2 a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lb u c k e tw h e e ls t a c k e rr e c l a i m e rf o r m a t ，s i m p l i f ys t r u c t u r eo f t h em o d a l u s i n gt h ec a ds o r w a r e ，e s t a b l i s hm o d e l so ft h ev a r i o u sc o m p o n e n t sa n d 勰s e m b l ei nt h ec a d t h r o u g ht h ei n t e r f a c e , t r a n s f o i t st h ec a dm o d e li n t of e a s o f t w a r e i m p o s et h el o a da n dc o n s t r a i n to l lt h em o d e la c c o r d i n gt ot h er e s u l to fc h a p t e r 1 t h r o u g ht h es t a t i cm o d u l e ，f e ac a l c u l a t e st h em o d e ld e f o r m a t i o na n ds t r e s sm a p u n d e rt h r e el o a d c a s e s i d e n t i f yt h ed a n g e rp o i n to ft h es t r u c t u r e 3 t h r o u g h m o d a l a n a l y s i s o fs t r u c t u r a ld y n a m i c s ，f e ao b t a i n st h ei n h e r e n t c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e1 0b a n d so fm o d e lt y p ea n df r e q u e n c yo fv i b r a t i o n t h e n c a c u l a t e st h em o d e ld e f o r m a t i o na n & t r e s sm a pu n d e rf o r c e dv i b r a t i o n c o m p a r et h e m a xr a i s e ss t r e s sw i t ht h em a xm i s e ss t r e s sw h i c ho b t a i n e df r o ms t a t i cr e s u l t t h e d i s p l a c e m e n tr e s p o n s e sc u r v eo fo n ep o i n to nt h et r i p o dc o u l d b eo b t a i n e d k e yw o r d s ：b u c k e tw h e e ls t a c k e r r e c l a i m e r ：l o a dc a s e lf i n i t ee l e m e n t ；m o d a l a n a l y s i s 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明： 撰写成硕士学位论文 中已经注明引用的内 本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 。除论文 均已在文 中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公 开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：埠 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密留( 请在以上方框内打“ ) 论文作者签名：砂酮 导师签名：乏p 名篆 日期：叫年1 月7 日 斗轮堆取料机的力学分析 引言 1 斗轮机简介 斗轮堆取料机是目前世界上最大的散料处理成套设备，与间歇式的起重机和装载机 比较具有生产效率高、运行速度稳定、功率变化小、能耗低、设备布置简单、操作简单、 易于自动化、投资省等特点【1 埘。因此，世界各国都非常重视。同时它也具有一定的局限 性，不适于装运单件很重的大块物料，通常只允许挖取粒度小于3 0 0 m m 的物料。 斗轮机是一种连续、高效的散状物料装卸输送机械，它广泛应用于火电厂、港口码 头、钢铁冶金、建材水泥、矿山、化工、煤炭与焦化厂等原料储运场，可实现煤炭、矿 石、化工原料等散状物料的堆取、转运、装卸的连续作业。其性能优劣将对整个散货运 输工艺系统生产效率产生举足轻重的影响。传统的设计中，大多是设计者根据经验公式简 单的验算和凭借经验给定结构尺寸、材料厚度等，由于采取类比试凑的设计方法在一定程 度上存在盲目性，造成使用更多的材料增加自重来保证结构的强度和刚度，强度储备过大， 浪费材料，提高成本。斗轮机作为一种大型钢结构本身结构自重很大，所以提高材料厚度 放大结构尺寸增加自重来解决强度和刚度问题的方法效果有限。而且斗轮机作为单件生 产，每个设计方案的情况不同，以前的设计经验对新的设计所能提供的帮助也是有限的。 斗轮堆取料机与间歇式的起重机械和装载机相比，有以下特点 3 1 ： 1 ) 生产效率高装料和卸料都采用带式输送机作为基础构成，有专门的工作机构，堆料( 或 取料) 与输送是同时进行的，而且又是连续作业，所以生产率很高。从装载地点到卸料 地点，连续而高速的物流使设备获得高效率。 2 ) 节省作业时间整个机械都沿着整条运输线路布置。这种布置可以大大节省作业时间。 斗轮堆取料机利用行走机构，悬臂的转动和俯仰来改变装料点和卸料点的位置，并且使 用过程中维护量少。 3 ) 能耗低，使用成本低散料连续装卸机械供料均匀，运行速度稳定，工作过程中，最 大载荷与平均载荷差别不大，消耗功率变化也不大。物料物送是采用阻力较小的带式输 送机，所以功率消耗也很小。 4 ) 操作简单，安全可靠，易于实现自动化，劳动条件好，强度低。 引等 5 ) 投资省使用斗轮堆取料机的堆场，其设备都布簧存地面以上，基础简单。工程的十 右方量少，所以施工期短，总投资可大大节省。 2 斗轮机的结构及工作方式 斗轮机主要分为上部钢结构、行走机构、尾车和运输胶带机物料运输的辅助设备和 电气设备和控制系统。 1 ) 【：部钢结构 其中包括斗轮机构、前臂、门柱、配重架、扣 f 、变幅油缸、转盘和回转轴承，卜部 金属结构是设备叫转变幅实现堆般料功能的主要工作部分； 2 ) 行走机构 其巾包括门座、平衡梁和台牛纽行走机构实现了整个设备的行走功能； 3 ) 尾乍和运输胶带机物料运输的辅助设备： 4 ) 电气设备和控制系统； 设备在电气设各的支持r 由控制系统协调行走机构、转盘和变幅油缸共| | 司工作实现 设备的行走、上部金属结构的刚转和变幅来完成各种状态下的堆取料工作。 蚓i 轮堆取 机c a d 摊型 f i 9 1t h e c a d m e d e lo f b u c k e tw h ls t a c k e r 唧l a i m e r 斗轮堆取料机的力学分析 斗轮机是一种连续、高效的散状物料装卸输送机械，它广泛应用于火电厂、港口码 头、钢铁冶金、建材水泥、矿山、化工、煤炭与焦化厂等原料储运场，可实现煤炭、矿 石、化工原料等散状物料的堆取、转运、装卸的连续作业。本论文c a d 模型如上图所 示。 各种类型的斗轮机的工作方式，要以褐煤和烟煤露天矿使用率高的大 型挖掘机所提供的实例加以说明。这对剥离覆盖层和开采深藏褐煤层( 如澳大利业 维多利业州吉普斯兰拉特罗布山谷的露天矿) 有特别重要意义。但首要条件是必须达到 尽可能高的设备使用效率。 斗轮机有以下几种不同的工作方式： 1 、侧式工作面开采。 2 、端式工作面开采。 3 、半端式工作面开采。 每一种工作方式都可以采用垂直切割、水平切割或垂直一水平混合切割【4 ，5 1 。 3 斗轮机的国内外发展概况 斗轮机的研究始于1 9 世纪3 0 年代，第一台斗轮机于1 9 世纪8 0 年代问世。到目前 世界上最大的斗轮取料机回转半径为5 9 m ，生产能力为9 6 0 0 t h ，由奥地利钢铁联合公 司制造。世界上研究和开发斗轮机械最早的国家是德国，而且目前仍处于领先地位，学 者们对斗轮挖掘机的研究做了大量工作，德国学者s c h e i e rd 研究了斗轮挖掘机的切削 阻力系数和切削力系数与岩石性质之间的关系，b e r g e ng 用振动模拟系统求出了斗轮挖 掘机的动态附加应力和共振转速，f e d e rd 等对斗轮挖掘机进行了振动计算，并用实验 验证了计算结果的正确性，m a ya 则对斗轮挖掘机斗齿装置、测挖掘力的方法进行了研 究。原苏联的别洛口诺依等对斗轮挖掘机斗轮驱动系统的动载荷进行了分析，给出了动 载荷的经验公式，丘特诺夫斯基则研究了斗轮挖掘机工作装置的振动对切削参数的影 响，国内对一斗轮挖掘机的研究还比较落后，目前，研究工作主要集中在挖掘阻力的测 试及载荷谱的编制、斗轮斗唇形状改变、总体参数优化设计及其结构件的静态刚度强度 分析等方面。对斗轮机整体结构强度、刚度、可靠性的 引言 分析和动、静态力学性能的测试这方面的研究还不多。目前在斗轮机设计领域还没 有公认的设计规范可以遵循，技术要求都是取自相似设备的设计标准和研究结果【6 】。 国内对斗轮机的研究起步较晚，1 9 6 0 年，从国外引进的第一批斗轮机是我国对斗轮 机应用、研究和开发工作的开始，第一台型号为d q 5 0 3 0 的斗轮堆取料机由哈尔滨重型 机械厂于1 9 7 0 年研制成功。进入2 0 世纪8 0 年代随着电力工业和钢铁工业的发展，在 电力部门的使用数量有很大提高，并目在港口上的使用量剧增。2 0 世纪9 0 年代国内斗 轮堆取料机的事业向着更多、应用更广的方向发展。随着产品的进口和技术的引进大大 缩短了国产设备和国外设备的差距。近年还出现了斗轮卸船机，主要用十港口卸船作业。 目前我国生产的斗轮机数量，按保守估计国内堆取料机有2 0 0 0 台以上，堆取料能力在 3 0 0 - - 6 0 0 0 t h 范围内。 经过几十年的发展，我国斗轮堆取料机的研究水平有了较大提高，但同发达国家相 比仍有明显差距，其控制技术仅基于可编程控制器( p l c ) 为核心的单机控制，作业水平 也仅限于单机手动式。现在我国斗轮堆取料机已经从最初的研究阶段转向发展阶段，向 更高的产品质量和设计水平迈进。 4 斗轮机的发展趋势 斗轮堆取料机的应用在我国起步较晚，最早的斗轮堆取料机设计可以追溯到1 9 6 6 年。当时国内部分钢厂、码头急需使用此类设备，为满足当时的社会需要我国开发了第 一代斗轮堆取料机。这标志着我国己具有制造大型散料输送机械的能力。 2 0 世纪8 0 年代，由于电力和钢铁工业的发展，斗轮堆取料机发展迅猛，在电力部 门、港口使用量剧增。 2 0 世纪9 0 年代，国内斗轮堆取料机已经向更广的方向发展。在钢铁企业、电厂、 各大港口到处都可以看到斗轮堆取料机。 但是国内的设计和研究水平有限，为了缩短与国际先进国家的差距，采取进口和合 作制造的方式。进口和引进的国家有日本、美国、德国、奥地利、意大利等国家【1 】。 国内生产的第一台用于高寒地区的斗轮堆取料机是d q l l 6 0 0 1 6 0 0 3 5 ，目前正运行 于内蒙古的霍林河矿区。国内现在已开始了关于斗轮堆取料机自动控制方面的研究，控 斗轮堆取料机的力学分析 制水平已经达到2 0 世纪7 0 年代国际水平。另外，为了使斗轮堆取料机工作时更加稳定 安全、可靠，在设计过程中引入计算机仿真技术，图象处理技术，故障检测技术等各种 信息技术。这些技术的引用将使我国在斗轮堆取料机的设计和研发尽快赶上世界先进水 x l z 7 , 8 , 9 j 0 斗轮堆取料机载荷种类和定义 第1 章斗轮堆取料机载荷种类和定义 1 1 基本载荷的分类、定义和说明 斗轮堆取料机结构和工况均比较复杂，所以其载荷和工况种类较多，既有静载荷， 又有动载荷，还有周期性载荷及冲击载荷，详细分析和归纳载荷，总结其计算方法，是 对结构分析的首要任务。 本文根据i s 0 5 0 4 9 标准( 表1 1 ) 总结适合国内斗轮堆取料机( 含尾车) 结构的有 限元分析和校核的标准。 根据斗轮堆取料机的受载情况及载荷组合方便，本文将载荷归纳为为3 2 种基本载 荷，列于表1 2 ： 表1 1i s 0 5 0 4 9 标准 t a b 1 1s t a n d a r di s 0 5 0 4 9 主 载荷种类 主 要 要 ，载 主要载荷，附加载荷和特殊载荷 安 童 载 ! 荷 装 荷 。和 载 条附 荷 加 ii ii i ii i ii i ii i ii i ii i i ai i ii i ii i i 12345678 9 l 自重载荷 2 输送机、取料装 x 置和漏斗中的物 料载荷 3 积垢载荷 4 正常挖掘阻力和 侧向阻力 5 输送机上的作用 力 斗轮堆取料机的力学分析 6 经常性动载荷 7 设备倾斜载荷 8 设备工作风载荷 9 冰雪载荷( 可能 发生) 1 0 温度载荷( 可能 发生) l l 非正常挖掘力和 侧向阻力 1 2 摩擦阻力和运行 阻力 1 3 垂直于轨道反作 x 用力 1 4 非经常性动载荷 1 5 料斗的堵塞 1 6 斗轮的停顿 1 7 安全装置故障 1 8 行走季候的锁定 1 9 与斜坡横向碰撞 ( 斗轮) 2 0 设备非风向载荷 2 l 缓冲器效应 2 2 地震载荷 2 3 安装载荷( 特殊) 表1 2 基本载荷描述 t a b 1 2d e s c r i p t i o no f b a s i cl o a d 基本工 符号含义附加说明 况 r l c lc e 不计皮带传送机的固定载荷( 自重) 分布力，软件自动生成 r l c 2c l 配重+ 斗轮+ 托辊的自重载荷根据所在位置进行分配 r l c 3f 皮带传送机分布载荷 根据工况组合选择q ，v ，f ，f f r l c 4 斗轮上积垢载荷集中载荷，作用于斗轮中心，方 向向下 r l c 5 u 。 前部挖掘力( 根据载荷组合选择正常集中力，作用于斗轮前端最远 挖掘力或非正常挖掘力) 点，方向：向下 7 斗轮堆取料机载荷种类和定义 r l c 6 u d 下部挖掘力( 根据载荷组合选择正常集中力，作用于斗轮下端最远 挖掘力或非正常挖掘力)点，方向：于斗轮切向速度方向 相反 r l c 7 s 。 前部侧向挖掘力( 根据载荷组合选择集中力，作用于斗轮前端最远 正常挖掘力或非正常挖掘力)点，方向：侧向，+ - 两向分别考 虑 r l c 8 s d 下部侧向挖掘力( 根据载荷组合选择集中力，作用于斗轮前端最远 正常挖掘力或非正常挖掘力)点，方向：侧向，+ - 两向分别考 虑 r l c 9v v 斗轮滑槽堵塞载荷集中载荷，作用于斗轮中心，方 向向下 r l c l og 传送带张力( 根据载荷组合需要选择作用于传送带两端处，方向相对 工作传送带张力或启动传送带张力) r l c l l n y l 基本载荷r l c l1 ：1 施加于y 方向用于缓冲器效应o o 和地震载荷 e q 计算 r l c l 2 n y 2 基本载荷r l c 21 ：1 施加于y 方向用于缓冲器效应o o 和地震载荷 e q 计算 l 也c 1 3 n y 3 基本载荷r l c 31 ：1 施加于y 方向用于缓冲器效应o o 和地震载荷 e q 计算 r l c l 4 n y 4 基本载荷r l c 4l ：1 施加于y 方向用于缓冲器效应o o 和地震载荷 e q 计算 r l c l 5 n 。1 基本载荷r l c l1 ：1 施加于x 方向用于缓冲器效应o o 和地震载荷 e q 计算 r l c l 6 n x 2 基本载荷r l c 21 ：l 施加于x 方向用于缓冲器效应o o 和地震载荷 e q 计算 r l c l 7 n 】3 基本载荷r l c 31 ：1 施加于x 方向 用于缓冲器效应o o 和地震载荷 e q 计算 r l c l 8 n “ 基本载荷r l c 41 ：1 施加于x 方向用于缓冲器效应o o 和地震载荷 e q 计算 r l c l 9f s 侧向撞击惯性力由斗轮与斜坡碰撞产生，方向与 上部结构绕转动中心的转动方 向相关，由a s 标准确定 r l c 2 0f t 端部撞击惯性力 由a s 标准确定 i u c 2 ln 倾斜引起的载荷 r l c 2 2 彤 工作状态下斗轮臂架横向风载 斗轮堆取料机的力学分析 r l c 2 3 w 工作状态下斗轮臂架顺向风载 r l c 2 4d 经常性动载荷 r l c 2 5r 摩擦力作用于铰轴局部，用于局部分析 i 也c 2 6 l 走行载荷 一 r l c 2 7d d 非经常性动载荷 r l c 2 8l s 歪斜走行载荷 l 也c 2 9p 作用于走台的局部载荷 作用于走台、楼梯、平台局部 r l c 3 0x 维修载荷 r l c 3 1l l 走行装置故障 r l c 3 2e l 额外载荷一根拉杆断裂、一侧油缸失灵 关于表中几个基本载荷工况的几点解释( 供工况组合选择使用) ： ( 1 ) r l c 3 中包含： q ：走台和传送带固定载荷( 自重) v ：传送带积垢载荷 f ：传送带正常运送的物料载荷 f f ：传送带上运料超载( 安全装置失灵情况下发生) ( 2 ) r l c l 0 根据载荷组合有两种选择：g 或g g ，表1 3 列出其意义： 表1 3 t a b 1 3 一 空载正常工作启动单位 堆取料机 g ogg gl ( _ n 尾车 gg gk n ( 3 ) r l c l l ， 上引起的载荷 ( 4 ) i u c l 5 ， 上引起的载荷 ( 5 ) r l c l 9 ， 或考虑角减 r l c l 2 ，r l c l 3 ，r l c l 4 用于计算缓冲器( e q ) 和地震( b e ) 在y 方向 r l c l 6 ，r l c l 7 ，r l c l 8 用于计算缓冲器( e q ) 和地震( b e ) 在x 方向 r l c 2 0 用于计算斗轮与斜坡碰撞产生的惯性力；其计算方法见标准公式 斗轮堆取料机载荷种类和定义 ( 6 ) r l c l 9 ，r l c 2 0 用于计算斗轮与斜坡碰撞产生的惯性力；其计算方法见标准公式 或考虑角减 ( 7 ) r l c l 9 ：f s 代表侧向碰撞力 ( 8 ) r l c 2 0 ：f t 代表横向碰撞力 1 2 基本载荷的分类和计算方法 i s 0 5 0 4 9 和a s 4 3 2 4 标准将斗轮机所受载荷分为以下三类： 1 、主要载荷：正常操作条件下永久载荷； 2 、附加载荷； 3 、特殊载荷。 下面介绍这些载荷的意义和计算方法。 1 2 1 主要载荷 ( 1 ) 自重载荷e ：根据结构尺寸、形状、材料密度自动计算。 ( 2 ) 运料载荷f ，f v ： a 传动带材料载荷f - - - - f * q 木g ( 3 6 0 0 幸圪) 其中：q ：生产能力 g ：重力加速度 圪：传送带速度 f 动荷系数1 1 b 取料装置中的载荷f v 取所有斗轮容积的1 4 满载情况： f v = v 幸r 幸g 幸z 4 其中： v ：单斗容积 r ：运料密度 g ：重力加速度 ( 1 2 ) 斗轮堆取料机的力学分析 z ：斗数 ( 3 ) 积垢载荷v ： a 皮带机上的积垢载荷 b 斗轮机上的载荷 其中： 圪= o 1 f = d 2 4 n * t h r 毒g d ：为斗轮直径 t h ：运料粘连厚度取0 0 5 m ( 4 ) 正常挖掘力和侧向阻力u 、s ： a 正常切削力u 其中： m 。：有效切削力矩 眠：正常斗轮驱动力矩 ：提升物料需要的弯矩 b 正常侧向阻力s v _ 圪+ 泸m 。2 d m c = m y m h 心= g 0 3 5 幸d s = - 0 3 水u 1 2 2 附加载荷 ( 1 ) 工作状态下风载w ： q _ 圪2 幸o 0 0 0 6 1 3 ( m p a ) ( 2 ) 异常挖掘力和异常侧向阻力u u 、s s ( 1 3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) ( 1 6 ) ( 1 7 ) ( 1 8 ) ( 1 9 ) ( 1 1 0 ) 斗轮堆取料机载荷种类和定义 a 异常挖掘力u u ： u u = m m 戤奉2 d ( 1 1 1 ) 其中：眠双= 1 3 m 。 ( 切断力矩) b 。异常侧向阻力s s ： s s = 1 5 + m o a = m 。a ( 1 1 2 ) 其中： a ：旋转半径 m o ：旋转装置正常输出力矩 虬戤：切断力矩 ( 3 ) 由于使用中行走产生的垂直于轨道的作用力h ( 摇摆产生的载荷) ： h y = o 2 0 其中：圪为车轮最大的竖向作用力 ( 4 ) 偏斜运行侧向力l s 的计算： 主要分两种工况进行计算：第一种工况是正常工作时走行装置在轨道上偏斜运行； 第二种则是走行装置一侧部分( 一般假设两台) 驱动电机失效，致使走行装置两侧驱动 不平衡。 图1 1 走行装置偏斜运行时受力示意图 f i g 1 1t h es k e t c ho ft r a v e l i n gg e a ro n e s i d e d 斗轮堆取料机的力学分析 如图1 1 所示，对于第一种工况，驱动力合力日，的作用线刚好过轨道中心，假设 重心偏心量为e ，则由a s 4 3 2 4 1 1 9 9 5 第1 9 页的公式可得： h y i = 半 + 其中：m d 一动力系数1 5 乙一驱动力作用线距重心距离= - e 以。一为整个走行装置驱动力，其大小为 h x l = 以p v 戊行装置驱动电机数目 尸一单个电机驱动功率 v 走行装置运行速度 对于第二种工况，由于两个电机失效，这时驱动力合力不但变小，而且合力的作用 线偏离轨道中心线距离为d ，使得驱动力作用线距重心的最大距离变为z ，= d + p 。 对合力中心取矩，根据力矩平衡有： ( 三一2 ) 号乜2 + d ) = 兰号亿，2 一d ) 其中：d = 亡三 拧一z 三轨道中心距 h x 2 = g 一2 ) x p v ：丝掣 z 口 ( 5 ) 非经常动力效应d d ： 非永久性动载是指由于结构的启动和制动产生的惯性载荷，如果其影响小于工作风 载，则可以忽略不计。其大小和启动和制动时摩擦力大小相等，具体公式如下： d d = 等= 警g ) n m 1 n “。 斗轮堆取料机载荷种类和定义 其中：虬一驱动轮数目 一滚轮总数目 g = 尥一结构总重量 m 一结构总质量 一摩擦系数( 一般取o 2 5 ) g 一重力加速度 1 2 3 特殊载荷 ( 1 ) 滑槽堵塞载荷v v ： 中心滑槽： v v = 幸， ( 1 1 5 ) 斗轮滑槽： v v 2 牛厂 ( 1 1 6 ) 其中：、分别为中心滑槽和斗轮滑槽的体积 ，：物料比重 ( 2 ) 臂架支承力( 由斗轮着地产生的接地力) a a ： 作用于斗轮中心，方向向上， a a = f r 1 1 ( 1 1 7 ) e ：油缸最大支承力 根据a s 标准选择a 1 、a 2 、a a 三种情况，分别代表：轻微、部分和全部与地面接 触的三种状况。 a s4 3 2 4 1 1 9 9 5 第2 0 页规定，使上仰时油缸拉力增加1 0 时的悬臂梁头部触地为 轻微触地，此时前端的触地力为4 ，而使上仰时油缸拉力增加2 0 时的悬臂梁头部触 地为局部触地，此时前端的触地力为a ，而前端全部触地时( 可以认为悬臂梁上部拉 杆力为o ) 的触地力则为以。 在有限元计算时一般需要考虑e + a ，( 结构自重+ 头部局部触地力) 工况进行计算， 斗轮堆取料机的力学分析 这样就要事先计算出局部触地时前端触地力么：的大小，以便于加载，其计算方法及步骤 如下： 图1 2 堆料机悬臂架头部触地示意图 f i g 1 2n 嵋s k e t c ho fb u c k e tw h e e ls t a c k e r r e c l a i m e r sh e a dc o n t a c t i n ge a r t h 1 ) 对上部钢结构只施加结构自重e ，计算l u f fu p ( 上仰) 工况下油缸的反力j i c ， 假设其为r f 2 ) 对上部钢结构施加e + i o o k n 的力，其中i o o k n 力的作用位置和图2 2 所示前 端触地力的作用位置相同，计算l u f fu p ( 上仰) 工况下油缸的反力足，假设 其为r 川 3 ) 每1 k n 力作用于悬臂梁前端( 方向如图2 2 所示) ，在上仰工况下引起的油缸 反力增量为 1 0 0 4 ) 根据定义可得a i - - - - 垒学1 1 ，彳：。= 垒学1 1 ( 乘以2 表示2 个作用油缸) 5 ) 由于油缸回路中有安全卸荷阀，事实上头部触地工况计算时还应考虑油缸回路 斗轮堆取料机载荷种类和定义 中卸荷阀问题，如图2 3 所示，油缸活塞和活塞杆的面积分别为s ：和s ，设油 缸回路卸荷时两个腔的压力分别为最和丑，则卸荷时油缸作用力为 r z = 丑( s 2 - s ，) 一b s 2 ，那么要使油缸卸荷，则作用于悬臂梁前端的触地力为 如= 警 ss r j 图1 3 油缸活塞和活塞杆截面示意图 f i g 1 3t h es k e t c ho fh y d r o c y l i n d e ra n dt h es e e t i o no fp i s t o n 6 ) 计算彳2 工况时，a 2 应取以上计算中彳：。和a 2 2 的较大者，即a 2 = m a ) 【0 2 l ，a 2 2 ) ( 3 ) 安全装置失效 f f ： 作用于传动带上的均布载荷，方向向下 传送带过载： f f = s * r( 1 1 8 ) 其中：s 为最大横截面 ( 4 ) 走行装置锁死 r r ： 对于安装在轨道上的设备，需要考虑走行机构锁死情况，例如脱轨或轨道断裂。此 种情况下产生的载荷，其驱动轮和轨道之间的摩擦系数= o 2 0 只要驱动电机能提供足 够的动力。 走行装置一边受阻，另一边继续减速前行，此时的结构主要受力形式如图2 4 斗轮堆取料机的力学分析 图1 4l l 工况时结构受力示意图 f i g 1 4t h es k e t c ho fs t r u c t u r eu n d e rl o a d c a s el l 其中，兄为电机的单边驱动力，局= p v ，p 为单边电机功率，矿为走行装置运 行速度 瓦砒为惯性力，瓦嘲= m a ，m 为结构总质量，由于此时走行装置减速运行，故 a = v 2 2 l ，v 已知，为走行装置的运行速度，而则为由减速开始到停止所运行的距 离，按标准一般l = 3 0 0 m m ，r 和日，则为约束反力。 根据结构受力平衡不难得出 r = 2 f a a p + 吒鼬 ( 1 1 9 ) h ： ( 1 x f a a l 9 0 + f b i n e m a ( a 2 ) 2 0 ) 其中：缈一电机过载系数( 一般取1 5 ) 实际上，有限元模型计算时，这种工况对门座架及走行装置影响较大，故这种工况 下的载荷应施加到这两种结构模型上进行计算，对于门座架结构来说，约束形式和原来 相同，只需要在一个支腿处施加沿轨道方向的驱动力b ，同时在中心处施加相同方向 的惯性力瓦嘲即可。而对于走行装置，需要在考虑轨道断裂一侧的端部滚轮处施加沿 轨道方向的约束，同时在这侧的所有滚轮施加垂直轨道方向的约束，两侧所有滚轮施加 斗轮堆取料机载荷种类和定义 竖直方向上的约束，所有驱动滚轮施加驱动力r ( n 为单侧驱动轮数目) ，同时在结 构上侧中心处施加惯性力瓦椭( 门座架钢结构可用刚性单元来模拟) 。以上是对两部 分钢结构分丌计算来说的，事实l ，对r 这种工况来说，如果将门座架和走行装置模型 合到一起进行计算，相对柬酏比较方便些。 此种工况下f j 庵架钢结构边界条什的具体施加办法见图15 ，走行装嚣边界条件的 具体施加办法见图16 。 凹15 轨道断裂i 况门序柴边界条什示意图 f i g l5t h es k e t c h o f b o u n d a r yc o n d i t i o n so f g a t e s e a t u n d e r i o a d c a s e r a i lc r a c k i n g 斗轮堆取料机的力学分析 上音日结构传递载荷 i 鳘| l6 轨道断裂t 况走行装置边界条件示意h f i g1 6 ms k e t c h o f b o u n d a r yc o n d i t i o n so f h a v e l i n g g e a r u n d e - r l o a d c a r a i lc r a c k i a g ( 5 ) 斗轮机与料坡侧向碰撞力f s 、f r ： f s = i * w 2 ( 2 * b d l k n ( 12 1 ) b d ：理论刹车距离3 0c m i ；转动惯量 l om 2 矿：旋转角速度 d ：斗轮中心到旋转轴距离 l s o5 0 4 9 没有考虑f r ，在a s4 3 2 4 标准考虑了f t ，规定了关于f r 和f s 的计算方 式： 因为回转过程中整个装黄可沿轨道平动，而考虑问题时应按最危硷工况分析，所以 走行方向与悬臂粱垂直时，由于回转所引起的侧向碰撞力最大( 立u 图1 7 所示) 。因此， 侧向碰撞力f s 主要包括二三部分一部分是由于驱动力矩( 一般按安全离合器的许用力 矩计算) 引起的碰撞反力f s ，第二部分是由于转动惯件引起的碰撞反力f s ，第三部 分| | ! j j 是出于平动惯性引起的碰撞反力船，即f s = f s ，11 + f s 2 + f s ， 首先考虑硝，假设电机经过减速器后输出转矩为r ，则有 斗轮堆取料机载荷种类和定义 其中：r 一大齿轮分度圆半径 r 一小齿轮分度圆半径 f s 。：r a 1 啊 图1 7 悬臂架侧向碰撞受力示意图 f i g 1 7t h es k e t c ho f c o n s o l e u n d e rl o a d c a s es i d ec r a s h i n g ( 1 2 2 ) 求转动惯性引起的碰撞反力耶：时，可以根据动能定理( 外力做的功等于系统动能 的增量) 进行计算，这样则有 殿2 三= 去砌2 ( 1 2 3 ) 二 其中：f s ，：丝 2 l 一回转轴承以上结构相对回转中心的转动惯量 国一碰撞前结构回转角速度 三一碰撞缓冲距离( 一般取3 0 0 m m ) 求由平动惯性引起的碰撞反力f s ，假设平动速度为矿，上部钢结构总质量为m 且 其质心偏离回转中心的距离为e ，则根据冲量定理有 f s 3 ，l f ：彪缈：讹2 旦：m 玩 ( 1 2 4 ) p 斗轮堆取料机的力学分析 一 r 其中：a t = 等( 缓冲时间) 一删，鹧亨等 由上式可以看出，如果上部钢结构的质心与回转中心重合，则f s 3 = 0 ，因为此时平 动惯性引起的回转中心左右两边各部分的惯性力矩大小相等，方向相反，如果质心位置 偏向于配重臂侧，则上述的鹧应为负值，即 。 飓一等 ( 1 2 5 ) 于是，总的碰撞反力为： f s = 孚1 1 + 生一i m v 2 e 川1 2 l r 2 l f l 如图1 8 所示，此时悬臂梁与大车运行方向成2 0 度夹角，头部碰撞力为悬臂梁侧向 碰撞力与纵向碰撞力k 的合力f i b 7 ，此时侧向碰撞力与上述殿的计算方法 相似，只不过现在的平动速度变成了ys i n2 0 0 。 图1 8 悬臂梁头部碰撞受力示意图 f i g 1 8t h es k e t c ho fc o n s o l e sh e a du n d e rc r a s h i n g 此时的角加速度变成 斗轮堆取料机载荷种类和定义 口：v 2 垦2s i n 2 0 0 ：匕：墅兰q ： ( 1 2 6 ) 弘气- = 塑2 l 产l ( 1 2 6 ) ，ll 匕= 筹乩c 耥，+ 等警 2 7 ， 如果旋转驱动处制动用的是离合器则取1 1 ，如果是通过刹车制动则取1 3 5 f 咖g = f 咖c o t 2 0 0 有限元计算时将吃和冗咄施加到悬臂梁的头部即可。 ( 6 ) 停机状态风载w w ： 风速：19 8 k m h r5 5 0 r o j s e e 动压力： q = 圪2 0 0 0 0 6 1 3 ( 1 2 8 ) ( 7 ) 缓冲器o o ： 其水平加速度根据标准选定，两个方向分别施加。 参考：载荷组合表中的r l c l1 ，r l c l 2 ，r l c l 3 ，r l c l 4 。 ( 8 ) 地震载荷e q 对烈度为7 级的地震，设计地面水平加速度为o 1 ，两个方向分别施加。 参考：载荷组合表中的r l c l1 ，r l c l 2 ，r l c l 3 ，r l c l 4 。 ( 9 ) 安装载荷m o ： 在某些情况下，需要对结构的某些部件在固定载荷下进行校核，特别是在安装瞬间状态 斗轮堆取料机的力学分析 第2 章斗轮机结构的有限元静力分析 2 1 有限元法 在工程技术领域内，对于许多力学问题或场问题，前人己经得到了它们应遵循的基 本方程( 常微分方程或偏微分方程) 和相应的边界条件，但能用解析方法精确求出的只是 方程性质比较简单且几何边界相当规则的少数问题。对于大多数的工程技术问题，由于 物体的几何形状复杂或者问题的某些特征是非线性的，则很少有解析解。这类问题的解 决通常有两种途径：一是引入简化和假设，将方程和边界条件简化为能够处理的问题， 从而得到其简化状态下的结果。这种方法只在有限的情况下可行，因为过多的简化将会 导致不正确的甚至错误的解答。因此，人们多年来寻求和发展了另一种解决问题的途径 和方法一数值求解方法。其中，有限单元法是一种典型的数值求解方、法【1 0 1 。 有限单元法是2 0 世纪6 0 年代逐渐发展起来的针对连续体力学和物理问题的一种数 值求解方法，它是力学、计算方法和计算机技术相结合的产物，有着自己的理论基础和 解题方法。目前有9 0 的机械产品和装备都要采用有限元方法进行分析【11 , 1 2 】。 有限元的基本方法是：对所要求解的力学或物理问题，通过有限元素的划分将连续 体的无限自由度离散为有限自由度。即将一个实际的结构( 弹性连续体) 划分为有限大小 的，有限个数的单元组合体进行研究，这些单元仅在节点处连接，单元之间的载荷也仅 由节点传递。这个把连续体划分为离散结构的过程称为有限元的离散化，又称单元划分。 利用离散而成的有限元集合体代替原来的弹性连续体，建立近似的力学模型，对该模型 进行数值计算。 通过对这些单元分别进行分析，建立其位移与内力之间的关系，以变分原理为工具， 将微分方程化为代数方程，再将单元组装成结构，形成整体结构的刚度方程。 有限元法不仅具有理论完整可靠、形式单纯、规范、精度和收敛性能得到保证等优 点，而且可根据问题的性质构造适用的单元，从而具有比其它数值解法更广的适用范围。 随着计算机技术的发展，它己成为涉及到力学的科学研究和工程技术中不可缺少的工具 1 0 ，1 2 ，1 3 。 斗轮机结构的有限元静力分析 2 2 有限元法的理论基础 有限单元法的基本特点是单元形态的多样性，比如有：平面三角形单元、平面矩形 单元、一般四边形单元：轴对称问题的三角形环单元：三维问题的四面体单元、棱形体单 元等等，其中平面三角形单元是平面问题最简单的一种单元，是有限单元法最早应用成 功的例子。 在此，主要以平面三角形单元为例