（机械工程专业论文）大型斗轮机钢结构的优化设计和力学性能测试.pdf

摘要 斗轮机主要应用于电厂、煤矿、港口码头等地，是对煤炭、沙子、 石子等散料的输送、堆取作业的主要工程机械。随着我国经济建设的发 展，对其需求越来越大，对其性能要求也越来越高。本文着重对 q l l2 0 0 3 5 斗轮取料机进行了有限元建模和分析。 利用a l g o r l 6 ，建立了q l l 2 0 0 3 5 斗轮取料机的有限元模型。以 斗轮机的极限位置为依据，选定3 个位置，进行了强度和刚度计算。得 出了斗轮机应力和位移分布，为改进斗轮机结构提供了依据。 关键词：有限元；斗轮取料机；a l g o r a bs t r a c t b u c k e tw h e e lm a c h i n ei sa ni m p o r t a n th o i s t i n ge q u i p m e n tw i d e l yu s e d i np o w e rp l a n t ，c o a lm i n ef a c t o r ya n dh a v e nf i e l d s i ti su s e dt o t r a n s p o r t ， s t a c ko r g e tc o a l ，s a n d ，c a r p o l i t ea n ds oo n w i t ht h ed e v e l o p m e n to f m o d e r ni n d u s t r y ，t h er e q u i r e m e n tf o rt h eq u a n t i t ya n dt h ep e r f o r m a n c eo f b u c k e tw h e e lm a c h i n eh a sb e c o m e i n c r e a s i n g l yh i g h e r ，e s p e c i a l l yi t s c a p b u c k e tw h e e lm a c h i n ei sa ni m p o r t a n th o i s t i n ge q u i p m e n tw i d e l yu s e d i np o w e rp l a n t ，c o a lm i n ef a c t o r ya n dh a v e nf i e l d s i ti su s e dt ot r a n s p o r t ， s t a c ko rg e t c o a l ，s a n d ，c a r p o l i t ea n ds oo n w i t ht h ed e v e l o p m e n to f m o d e r ni n d u s t r y ，t h er e q u i r e m e n tf o rt h eq u a n t i t ya n dt h ep e r f o r m a n c eo f b u c k e tw h e e lm a c h i n eh a sb e c o m e i n c r e a s i n g l yh i g h e r ，e s p e c i a l l yi t s c a p a b i l i t y t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yd ot h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l i n ga n d a n n l y s i so ft h eq l l 2 0 0 3 5b u c k e tw h e e lm a c h i n e a l g o r l 6i su s e dt om o d e lt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo f t h eq l l 2 0 0 3 5 a c c o r d i n gt ou t m o s tp o s i t i o n so ft h eb u c k e tw h e e lm a c h i n e ，ic h o s e3 p o s i t i o n st oa n a l y s e ，ig o tt h es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i o n t h e w o r k m a nw h ow a n tt oi m p r o v et h eb u c k e tw h e e lm a c h i n ec a nc o n s u l tt h e s e r e s u l t s k e yw o r d s ：f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；b u c k e tw h e e lm a c h i n e ；a l g o r 辽宁+ ：程技术人学硕十论文 1 绪论 1 1数值模拟技术及有限元法 对于大多数科学技术和工程实际领域内的许多力学问题和物理问题，在数 学上都可以表述为一定边界条件下的常微分方程或偏微分方程的求解问题。对 于大多数几何形状比较复杂的结构分析，不可能得到精确的解析结果，因此往 往通过数值分析的方法给出问题的近似解。数值模拟分析方法最早是从结构化 矩阵分析发展而来，逐步推广到板，壳和实体等连续体固体力学分析，近年来 已发展到流体力学、温度场、电传导、磁场、渗流等问题的求解计算。随着电 子计算机的飞速发展和广泛应用，数值分析方法已成为求解科学技术问题的主 要工具。 目前在工程技术领域内常用的数值模拟方法有有限单元法，边界元法，离 散单元法和有限差分法，但是就实用性和应用的广泛性而占，主要还是有限单 元法。有限单元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题， 由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题。分析对象从弹性材料 扩展到塑性、粘弹性，粘塑性和复合材料等，在工程分析中的作用已从分析和 校核扩展到优化设计和计算机辅助设计技术相结合。 1 2 有限单元法的基本思想 有限元分析的基本思想是用简单的问题代替复杂问题后再求解。有限单元 法利用在每一个单元内假设的近似函数来分片地表示全求解域上待求的未知 场函数。单元内的近似函数通常由未知场函数或其导数在单元的各个结点上的 数值就成为新的未知量( 也即自由度) ，从而使一个连续的无限自由度问题变 成离散的有限自由度问题。一经求解出这些未知量，就可以通过插值函数计算 出个个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似解。2 0 世纪6 0 年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫( c l o u g h ) 教授形象地将其 拙绘为：“有限元法= r a y l e i g hr i t z 法+ 分片函数”，即有限元法是r a y l e i g h r i t z 法的一种局部化情况。不同于求解( 往往是困难的) 满足整个定义域边界条件 的允许函数的r a y l e i g hr i t z 法，有限元法将函数定义在简单几何形状( 如二维 辽j 。t 稃技术大学硕十论文 问题中的三角形或任意四边形) 的单元域上( 分片函数) ，且不考虑整个定义 域的复杂边界条件，这是有限元法优于其它近似方法的原因之一。 由于单元内近似函数分片地表示全求解域的未知场寒暑，并未限制场函数 所满足的方程形式，也未限制各个单元所对应的方程必须是相同的形式，所 以尽管有限元法开始是对线弹性的应力分析问题提出的，但很快就发展到弹塑 性问题、动力问题、屈曲问题等，并迸一步应用于流体力学问题，热传导问题 等，而且可以利用有限元法对不同物理现象相互耦合的问题进行有效的分析 1 3有限单元法的基本过程 对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同 的，只是具体公式推导和运算求解不同。下面以结构应力分析为例，给出有限 元求解问题的基本步骤。 1 ) 求解域定义 根掘实际问题，近似确定工程或物理问题的数学模型，包括问题的基本变 量、基本方程、求解域和边界条件。 2 ) 求解域离散化 将一个表示结构或连续体的求解域离散为若干个不同有限大小和形状的予域 ( 单元) ，离散后彼此相邻的单元利用公共点相互连接起来，这一步称为有限 元网格划分。根据具体问题的性质，求解精度等要求决定单元节点的设置。所 以有限元法中的分析是与原结构同样材料，由众多单元以一定方式连接而成的 原结构的离散体，因此获得的结果可以无限逼近于真实的结果。 3 ) 单元特性分析 在结构应力分析中，选择单元节点位移作为基本未知量，这种方法称为位移法。 位移法易于计算机编程计算，所以在有限单元法中得到广泛应用。在把物体离 散为有限个单元之后，把单元中的位移表示为结点位移的插值函数，这种函数 称为单元位移模式或位移函数。根据单元的材料性质、形状、结点数目、位置 及其含义等，应用弹性力学中的几何方程和物理方程，可以建立单元应变和应 力矩阵，进一步根掘最小位能原理导出单元刚度矩阵，这是有限元法的基本步 辽宁掣技术人学硕十论文 骤之一。 。 物体离散化之后，有限元模型单元之间的力是通过公共点传递的，因此需 要将作用在单元边界上的表面力、体积力、集中力等效地移到结点上，即利用 等效结点力代替所有作用在单元上的力。 为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。对工程应用而言， 重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。例如，单元形状应以规则为好， 畸形时不仅精度低，甚至可能导致无法求解。 4 ) 总体刚度矩阵的组集 利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结果重新联结起 来，形成整体的有限元方程 k f u - f ( 卜1 ) 式中： k 一整体刚度矩阵； u ) 一节点位移阵列； f ) 一载荷列阵。 5 ) 求解未知结点位移 求解联立的总体刚度矩阵方程组，得出有限元模型的节点位移。这罩，可 以根据方程组的具体特点来选择合适的计算方法，一般的算法有直接法，迭代 法等。 6 ) 结果解释及评判 结构应力分析的直接结果是单元节点处的位移值，可以根掘节点位移值得出单 元、节点应变、应力值等导出量。对于计算结果的质量，将通过与设计准则提 供的允许值比较来评价并确定是否需要反复计算。 目前，大型的有限元分析软件，将有限元分析过程分成三个阶段，即前处 理、求解和结果后处理。前处理是建立或导入结构的几何模型，设置有限元模 型的各种参数，包括单元类型选择，单元参数设置，材料特性以及分析类型选 择等，最后将模型划分网格，根据有限元模型的设置参数，形成单元刚度矩阵， 组集总体刚度矩阵，选择合适的求解器求解，得到节点的位移结果。结果后处 辽。j 。t 。羊早技术人学硕十论文 4 理则是根据节点位移值，进一步计算节点应变，应力值，并采用图示和列表的 形式显示结果供用户观察和分析。用户根据设计要求提供的允许值来评判计算 结果，分析计算结果的真确性以及设计的合理性，决定是否重新计算或者改进 设计结构。 现在，我国己引进的主要有限元分析软件：s a p 5 ，s a p 7 ，s u p e r s a p ，a d i n a ， a n s y s ，i d e a s ，p r o e e ，n e n a s t r a n 以及f e m a p 等等。 1 4a l g o r 简介 a l g o r 作为世界著名的大型通用工程仿真软件，被广泛应用于各个行业 的设计、有限元分析、机械运动仿真中。包括静力、动力、流体、热传导、电 磁场、管道工艺流程设计等，能够帮助设计分析人员预测和检验在真实状态下 的各种情况，快速、低成本地完成更安全更可靠的设计项目。 a l g o r 软件在能够满足大多数有限元分析功能的基础上，最大的特点就 是易学易用，界面友好，操作简单，这可以极大的提高软件应用者在工程实际 中的效率。j 下如美国k e r o t e s t 公司的总工程师r i c h a r dw c o n l e y 所说：“我们 之所以选择a l g o r 软件，是因为它易学易用，并且能够有效的洞察我们的整 个设计。” a l g o r 软件在分析上的功能十分强大，不仅可以进行一般性质的线性应 力分析，分线性应力分析、线性和非线性的动力分析、瞬态和稳态的热传导分 析、二维和三维地稳念和非稳态的流体流动分析、电场分析、非线性机械运动 分析等，还可以进行多场的耦合分析。本论文主要应用其静力分析功能，对斗 轮机进行整体结构分析，具体内容见第三章。 1 5a l g o r 常用几种单元介绍 下面结合a l g o r 介绍一下、梁、板三种单元。 1 ) 杆单元 杆单元( 如图1 ) 有着广。泛的工程应用，比如叮以用来模拟桁架、缆索、 连卡i 、弹簧等。这种：i 维打单元是杆轴方向的拉压单元，每个节点具有三个自 由度：沿节点坐标系x 、y 、z 方向的平动。就像在铰接结构中的表现一样， 辽宁j ：科技术人学硕十论文 此单元不承受弯矩三维的杆单元是假设截面积不变。线性的杆单元可以模拟平 动或位移边界单元。根据定义，杆单元不能有转动的自由度，所以在加约束时， 只需加必要的平动自由度约束。 幽1 1 杆单元的公式 2 ) 梁单元 梁单元( 如图2 ) 是一种可用于承受拉、压、弯、扭的单轴受力单元。这 种单元在每个节点上有六个自由度：x 、y 、z 三个方向的线位移和绕x 、y 、z 三个轴的角位移( 见图3 ) 。梁单元和杆单元的区别是梁能承受力矩( 扭矩和弯 矩) ，梁单元在三维空问罩是一个三节点单元。第三个节点用来定义三维空间 中梁的方向。梁定义了三个平动自由度和三个转动自由度，可以在每个单元的 每个端点加三个正交的力( 一个轴向的力和两个剪切的力) 和三个币交的力矩 ( 一个扭转的力矩和两个弯曲力矩) 。可以算由于轴向的力和弯曲组合产生的 最大诈应力。 幽1 2 粱单元 1 辽宁j ：程技术大学硕+ 论文 6 图1 3 粱单y l ；的自由度 大部分梁有一个较强的轴惯性矩和一个较弱的轴惯性矩，由于梁被描述成 一条线，而线是没有横截面积方向的对象，所以就需要一种方法指定线的方向。 在a l g o r 罩是用面号来控制的线的方向，具体来说，线的面号在空间中创建 一个k 节点，梁单元的两端( i 节点和j 节点) 以及k 节点形成了一个平面( 图 3 ) 。粱单元由局域坐标轴1 、2 、3 来定义，轴1 从i 节点指向j 节点，轴2 在 由i 、j 、k 节点形成的平面内，而3 轴则满足右手定则。随着单元坐标轴的设 定，粱的截面属性a 、s a 2 、s a 3 、j 1 、1 2 、1 3 、z 2 和z 3 就可以恰当的输入到 “单元定义”。 2 l 1 e l e m e n t j lj y 图1 4 轴的方位 图1 5 所示为两个模型，每个模型包括一个w 1 0 x 4 5 的工字梁，模型a 和 模型b 对k 节点的选择不同，计算出来的和不一样。可见，即使截面属性相 同，由于k 节点的选择不同，计算出来的轴惯性矩也不一样。 1；-r 一 一一* kl一一。 一 r “一 一煮 一 、一虮 墨吣 一 一 一 ， 一 蔓， h ：，r 毫 一 一一一一 一 一 一 。囊 z 1，l，f 辽宁j ：稃技术人学硕士论文 茧乳眦砌至 1 3 _ 1 2 = 2 5 川3 4n i n 4 41 3 = 1 2 = 2 4 8 7 二4 5 3 毒1 3 = 2 4 8l n 4 1 3 = 4i n 毒 辽j 2 i 群技术大学硕十论文 o 5 m a x o b 4 s l s 2 ) 。a b s ( s 2 - s 3 ) a b 4 s l s 3 ) i 气 。 j 。 h es 玎 k 二， 戡l 越、 。* e # # “dv s 1 o i l 鳓纠 图1 6 莫尔应力圆 8 辽宁i j 车技术人学硕十论文 9 2 斗轮机发展现状 2 1斗轮机简介 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 模型如图2 1 所示。 例2 1c a d 模钽 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浼明。这对剥离覆盖层和丌采深藏褐煤层( 如澳大利弧 维多利亚州吉普斯兰拉特罗和山谷的露天矿) 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 ) 侧式工作面丌采； 2 ) 端式工作面丌采； 3 ) 半端式工作面丌采。 每一种工作方式都町以采用垂直切割、水平切割或垂直一水平混合切割 ( 图2 - 2 ) 。 辽宁_ j ：程技术大学硕十论文 蓬2 - 2 蝣割方式 口忡黎童留言i ：6 一水警饼菩 1 0 1 ) 侧式工作面丌采法 按这种工作方式，斗轮机象链斗挖掘机一样，沿工作面行走，进行水平切 割或垂直切割，上向开采( 简称上采) ，必要时也可进行混合切割。侧式工作面 开采法，几乎只应用于在轨道上行走的斗轮机。挖掘机把采出的物料转运到也 在轨道上行走的运输排土桥上。在这种情况下，下向开采( 也叫下耙，这是常 用的一种重要开采方式) 仍使用链斗挖掘机。有时，把斗轮机和链斗挖掘机组 合在两台设备上( 如1 9 3 6 年制造的劳赫哈默型挖掘机) 。采用这种工作方式，并 不一定要求斗轮机的上部机构能回转，但需要有长达2 0 一2 4 米的斗臂伸缩量。 为此，或采用伸缩小车使整个斗臂伸缩，或设计成套筒式，仅部分斗臂进行伸 缩。 用斗轮机在侧式工作面进行上向丌采时，比用链斗挖掘机具有以下优点： 可分层丌采( 如剥离物巾的腐植土或做煤砖的褐煤层中的砂层) ： 为便于排弃，能对某些上岩( o n 饱和水的扁豆状粘土) 进行分采； 开采台阶时，载荷减少，便于防止土岩滑落。 端式工作面开采法 端式工作丽丌采法不但在露天矿，而且在土方丁程上也应用很广。工作面 采用大容积列车，配有或没有履带胶带车的工作面移动式胶带机，或采用直接 辽j 。1 ：程技术大学硕士论文 捣堆的方法进行运输。在德国，汽车运输仅在土方工程中偶尔应用。露天矿使 用履带行走机组有最大的灵活性，并有可能很经济地开采断层破坏严重的矿层 端式工作面丌采法，是通过升降和连续回转斗按几个分层的方式进行挖掘。在 挖掘中，斗臂能伸缩的斗轮机，是在上部结构绗架内的轨道上伸缩斗臂，来控 制每个切片的厚度：斗管不能伸缩的斗轮机，则通过履带向前移动进行控制。 3 ) 半端式工作面开采法 半端式工作面开采法只使用履带式斗轮机。在美国，露天丌采烟煤的剥离方法 就是以这种方式为基础的。在两分层开采中，煤层以上最好用斗轮机剥离容易 挖掘的上表土层，将剥离物直接捣入排土场。斗轮机摆在煤层顶板上，斗臂常 常是能伸缩的。峰迎岩石须进行预先爆破，用大型机械铲捣堆，斗轮机在半端 式工作面上的行程，比在端式工作面上需要的长，但比在侧式工作面上短得多。 只有配备长斗臂时，4 能采用半端式工作面丌采。这种方法用于分采薄矿层内 的有用矿物。 2 2斗轮机的整体设计 1 ) 斗轮驱动的几种方式：斗轮驱动装置采用行星减速机传动方式，除此 以外还有液压传动方式，国内过去采用过国产液压元件但质量尚存在一定的问 题。近年来大都采用进口产品但价格较高。 2 ) 俯仰机构的几种方式：俯仰机构采用钢绳卷扬式驱动与液压油缸驱动 都可实现，其中钢绳卷扬式使用的较多，液压油缸驱动也已使用多次，效果良 好。具体采用何种机构与用户的要求有关。许多用户认为液压油缸驱动维修不 直观，维修较困难。希望采用钢绳卷扬式驱动。如果从用户维修容易的角度出 发，推荐采用钢绳卷扬式驱动。 3 ) 磁滞式电缆卷筒的工作原理：磁滞式电缆卷筒的工作原理是由电机将 动力传至磁滞联轴器，再经减速后，将放大的力矩传虿卷盘。电机始终向收缆 方向旋转。在放缆时，电缆产生的拉力要克服磁耦合力使卷筒向反方向运行， 使用中电缆受拉力较大，降低了电缆的使用寿命。另外，磁滞式卷筒经实践证 明不适合长期工作。力矩式电缆卷筒工作原理是在收缆时定子的旋转磁场与转 辽j 。一i i 程技术人学硕士论文 1 2 子旋转方向相同，电机输出机械功率，在放缆时定子的旋转磁场与转子旋转方 向相反，电机转子处于电磁制动状态。另外力矩电机特性较软，在转径大时， 转速小，基本保持恒张力。 4 ) 回转大轴承：回转大轴承的结构为三排辊子轴承，其中两排辊子承受 轴向载荷，一排承受径向载荷。 5 ) 斗轮机构不适合采用变频调速：原因是如果斗轮转速降低，取料量小， 斗轮推料堆使回转机构过载。为了实现取料量的变化，在不改变斗轮转速与走 行进尺量的条件下，通过改变回转转速范围的方式，改变取料能力。 6 ) 机构采用侧三支点支承方式的优点：a 形成静定机构，消除了静不定机 构，在轨道发生高度变化时受力不发生变化，各台车受力合理。b 解决了回转 中心与 整机的 7 ) 回转到 止角以 取料的 取第一 寸动取 退到可 当最底 的取料 设备悬 2 3 度等 易形 设计 地面1 4 0 0 m m 皮带中心线在的同一中心的问题。c 解决了尾车的高度与 高度，缩短尾车长度，提高料场利用率。 动取料工艺：先通过操作台按钮设定左右料场，手动将堆取料机大臂 取料位置。通c r t 设置走行寸动距离、料堆长度、及回转的起始角、终 及相对应的不同耿料层的俯仰角度，将悬臂的俯仰角度及回转角度转到 最上层起始取料位置后，通过操作台自动启动按钮则开始自动取料，先 层，然后为第二层直到最底层，每层寸动一次回转一个单程，当第一层 料若干次以后，手动操作俯仰装置下俯到下一层料堆，手动操作大车后 进行第二层取料的位置，继续取第二层，同理再取第三层，直至最底层。 层几个寸动与回转取料结束后完成一个循环再返回到第一层重复前面 过程。对于每一层的寸动次数足相同的。寸动次数的数量由料堆高度、 臂几何参数等因素决定。 国内设计中的普遍问题 我国斗轮机在设计上存在很多问题，其中最主要的是可靠性和结构设计强 方面的问题。由于采取类比试凑的设计方法在一定干u 度卜存在盲目性，容 成设计中的人为应力集中点，造成机构整体强度的削弱甚至破坏。按这种 生产出的产品，外观上看上去很强壮，刚性很好，但却存在内在的设计缺 辽j 。t 程技术人学硕十论文 陷，使用过程中常因工作装置结构强度等原因产生丌焊，甚至断裂，致使工作 装置报废，造成重大经济损失。斗轮机工作工况复杂，操控一旦失误可造成倾 翻等事故。大型设备倾翻所造成的损失几乎是报废性的，还可能有人员伤亡。 因此对斗轮机设计时进行计算分析，模拟其实际工作状态，对危险的设计进行 改进，避免工作时发生灾难是必需的。 2 4 斗轮机发展前景 机器人化斗轮堆取料机是集机器人机构、机器人控制技术以及现代电子和 信息技术等为一体的综合性机电一体化产品。将电子技术、计算机技术与传统 大型机械设备嫁接，可大大提高设备的性能和作业能力，可使我国在该领域的 技术水平实现跨越式发展，尽快与世界先迸水平接轨。 初步统计，全国目| i 斗轮堆取料机的拥有量约为1 0 0 0 台，每年预计采用 机器人化技术的斗轮机约5 0 台，加上传统设备更新，每年成套设备的需求量 在6 0 台套以上。 由于新材料、新工艺、新设备和以计算机为基础的信息和控制技术的发展 和应用，物料搬运系统的改进已成为这些国家进一步提高生产率和降低生产成 本十分重要的方面，越来越引起重视。斗轮机应具备产品的性能指标高、性 能稳定和运行效率高等特点。为适应时代需求，这些产品还必须达到环保效能 好、节能、机电一体化程度高和操作性能好等要求，国外斗轮机j 下向以下趋势 发展： 1 ) 向大型化、高效率化、无保养化和节能化发展。 2 ) 向自动化、智能化、集成化和信息化发展。将机械技术和电子技术相 结合，将先进的微电子技术、电力电子技术、光缆技术、液压技术、模糊控制 技术应用到机械的驱动和控制系统，实现自动化和智能化，以适应多批次少批 量的柔性生产模式。斗轮机上还装有微机自诊断监控系统，对自身的运行状态 进行监测和维护。 3 ) 向成套化、系统化、综合化和规模化发展。将各种斗轮机单机组合为 成套系统，加强生产设备与物料搬运机械的有机结合，提高自动化程度，改善 辽宁_ j 科技术人学硕十论文 1 4 人机系统。通过计算机模拟与仿真，寻求参数与机种的最佳匹配与组合，发挥 最佳效用。重点发展的有港口散料和集装箱装卸系统、工厂生产搬运自动化系 统、自动化立体仓库系统、商业货物配送集散系统、交通运输部门和邮电部门 行包货物的自动分拣与搬运系统等。 4 ) 向模块化、组合化、系列化和通用化发展。许多通用斗轮机是成系列 成批量的产品，为了降低制造成本，提高通用化程度，可采用模块组合的方式， 用较少规格的零部件和各种模块组成多品种、多规格和多用途的系列产品，充 分满足各类用户的需要。也可使单件小批量生产起重运输机械的方式改换成具 有相当批量和规模的模块生产，实现高效率的专业化生产。 5 ) 向小型化、轻型化、简易化和多样化发展。有相当批量的斗轮机是在 一般的电厂和码头等处使用，用于代替人力和提高生产效率，但工作并不十分 频繁。为了考虑综合效益，要求这部分斗轮机尽量减少外形尺寸，简化结构， 降低造价和使用维护费用，按最新设计理论开发出来的这类设备比我国用传统 理论设计的同类产品其自重轻6 0 。由于自重轻、轮压小、外形尺寸小，使厂 房建筑结构的建造费用和斗轮机运行费用也大大减少。 6 ) 新理论、新方法、新技术和新手段提高设计质量。进一步应用计算机 技术，不断提高产品的设计水平与精度。开展对斗轮机载荷变化规律、动态特 性和疲劳特性的研究，丌展对可靠性的试验研究，全面采用极限状念设计法、 概率设计法、优化设计和可靠性设计等，利用ca d 提高设计效率与质量，与 计算机辅助制造系统相衔接，实现产品设计与制造一体化。 7 ) 采用新结构、新部件、新材料和新1 ：艺提高产品性能。结构方面采用 薄壁型材和异型钢，减少结构的拼接焊缝，采用各种高强度低合金钢新材料， 提高承载能力，改善受力条件，减轻自重和增加外形美观。在机构方面进一步 开发新型传动零部件，简化机构，以焊代铸，采用机电仪一体化技术，提高使 用性能和可靠性。在电控方面歼发性能好、成本低、可靠十牛高的调速系统和电 控系统。今后还会更加注重斗轮机的安全性、重视司机的工作条件。 辽j 。丁程技术大学硕十论文 1 6 3 q l l 2 0 0 3 5 斗轮取料机的有限元计算 3 1 q l l 2 0 0 3 5 斗轮取料机作业情况介绍 q l l 2 0 0 3 5 斗轮取料机是由沈阳矿山机械厂设计的。该机回转半径3 5 米， 取料额定出力1 2 0 0t h 。该斗轮机俯仰形式采用整体液压俯仰，前臂架上仰上 限位9 9 。，前臂架下俯下限位一9 6 2 。 q l l 2 0 0 3 5 悬臂式斗轮取料机金属结构由上部金属结构( 前臂架、塔架、拉杆 及配重架) 、门座、转台等组成。| ； 臂架、塔架、拉杆及配重架主体均由焊接 工字梁作为主要承载构件，门座采用箱梁结构。结构分析主要对金属结构的以 下几个方面进行校核( 其中不包括铰轴的校核) ： 1 ) 强度校核 2 ) 刚度校核 3 ) 稳定性校核 参阅“欧洲机械装卸联合会”散货连续装卸机械设计规范。采用有限元 法对结构离散，建立有限元分析模型，利用a l g o r l 6 有限元分析软件，对上部 金属结构、转盘( 含支撑铰座) 和门座( 含连接梁) 进行力学计算和分析。 3 2 上部金属结构有限元分析 3 2 1 工况及载荷介绍 以斗轮取料机的极限位置为依据，这咀计算前臂架水平、静臂架上仰至上 限位( 9 9 。) 及前臂架下俯至下限位( 9 6 2 。) 三种状态。计算工况如下： 工况i ：斗轮机受自重载荷作用； 工况i i ：斗轮机正常取料，同时受工作风载作用； 工况i i i ：斗轮机超载挖掘取料，同时受工作风载作用。 浚斗轮机会属结构部分承受的载荷组合见表3 i 。代表该载荷在该工况 参与作用。 表3 1 载荷组合表 重力 t 况 卜 名称 r沣 k n ii i if 辽j 。i ：群技术大学硕十论文 f 程序自动 l 金属结构自重 生成 程序自动 ll 前臀架 生成 程序自动 1 2塔架 生成 程序自动 】3 臂架前拉杆 生成 程序自动 1 4 臂絮后拉杆 生成 程序自动 15自c 草架 牛成 质量块 2l削罩5 8 8 p a r t 2 0 0 质量块 2 2 轮体 。 3 94 d a r t 2 0 l 质量块 23 轮轴 1 6 p a r t 2 0 2 质量块 24 斗轮驱动4 23 5 p a r t 2 0 3 质量块 25 斗轮机构其他 l7 p a r t 2 0 4 质量块 2 6三l 部滚筒l05 4 p a r t 2 0 5 质量块 27拉紧装置6 24 p ar t 2 0 6 皮带机自蕈和1 7质量块 288 15 p a r t 2 0 7 证常工什 2 ，9斗轮煤城 l8 质量块 2 0 8 f 常t 作 21 0 皮带机煤载 46 8质量块 2 0 9 赳栽丁什 29 l 轮煤载 20 4质量块 2 0 8 赳找丁什 2l0皮带机烘载 55 2 质量块 2 0 9 3 1圳向挖掘j 2 5 l 村1 作 辽宁r 稃技术大学硕十论文 3 2法向挖掘力 75 正常t 作 3 3训向挖掘力 3 75超载r 作 3 4法向挖掘力 l l2 5 超载丁作 1 r 丁竹风 1 r t 作风载 8 0 0 p a 件 丁作风载2 5 0 p at 作风压 3 2 2计算模型 上部金属结构的有限元分析内容包括| j 臂架、塔架、配重架、拉杆等部分。 前臂架、平衡架、拉杆、主梁为工字型结构，根据主梁特性，将其截面腹板部 分抽象为板单元，翼缘部分抽象为梁单元，塔架主梁为管结构，抽象为板单元， 前臂架及平衡架横向角钢按梁单元处理，其余部分根掘其受力状况划分为不同 类型的单元。结构模型及加载情况见图3 1 。 幽3 1 结构模型及加载怙况 3 2 3重心、油缸力、着地力计算 重心见表3 2 ，油缸力和着地力见表3 3 。 表3 2 重心( 单位m m ) 状态 垂x c ( 距 对成模喇什 同转中心) 辽。j 。j 程技术人学硕 ：论文 水平一1 4 7 l t a j i a l s p 工况i ( 空载)上仰2 3 4 3 t a j i a 】一s y 下俯 4 8 4 t a j i a l x f 水平 2 7 6 t a ji a 2 一s p _ l 况1 i ( 正常)上仰6 3 8 t a j i a 2 一s y i - 俯 1 2 5 7 t a ji a 2 一x f 水平 6 9 4 t a j i a 3 一s p i 况1 i i ( 超载)上仰 - 2 4 6 t a j i a 3 一s y 下俯 1 6 8 8 t a j i a 3x f 表3 3 油缸力和着地力( 单位吨) 上况( 油缸力) f 。况( 着地力) 状态 jij i i i l i i i 水平9 87 46 86 76 30 42 0 ，9 11 45 51 33 5 上仰- 1 2 61 59 5 ，8 09 02 22 5 181 913180 l 下俯7 7 ，5 7，4 68 44 1 0 01 68 5l o 178 9 1 1 9 注：油缸力为双缸的，压为负，拉为f 。 3 2 4位移结果 上部金属结构各关键点的位置见图3 2 ，位移见表3 4 。( 报告中的坐标系 原点位于上部会属结构回转轴的中点处，x 方向为前臂方向，其它轴的相对方 向参看图3 一l 中的坐标) 表34 付移 1 况i ( 水平) 】：况i i ( 水平)i ：况i i i ( 水平) 位置 d xd yd z d xd yd zd xd yd z a一2 8 82 0 7一1 6 2 0一0 5 7 15 9 0一4 0 6 4o 3 217 8 54 8 5 9 b一2 5 01 4 8 19 9 9一o 9 61 5 9 74 0 1 930 51 8 7 84 2 8 4 c4 4 40 2 21 5 30 2 61 1 4一1 4o8 60 9 6一1 3 5 d一7 3 808 24 il l一4 6 7 5 8 i一3 5 2 53 了24 6 73 3 6 4 e一72 7 01 2 4 1 0 23 7 05 1 0一3 5 ，0 530 13 9 73 3 ，5 3 辽宁一l ：程技术大学硕士论文 图3 - 2 上部金属结构各关键点的位置 图3 3 为水平状态时的变形示意图，其中各点变形放大倍数为5 0 倍。 图3 - 3 水平状态时的变形 前臂挠度计算，点a 为前臂与塔架铰点，点c 为前拉杆铰点，b 、d 点相 对位置见图3 - 4 ，a 、b 、c 、d 点在水平、上仰、下俯三种状念下的x 方向坐 标值见表3 5 ，b 、d 点挠度值见表3 6 。 图3 - 3 水平状态时的变形 表3 5 a 、b 、c 、d 点x 向坐标值( 单位：m m ) 辽宁i 。稗技术人学硕十论文 2 1 、 水平上仰下俯 a8 0 07 0 3 8 48 7 0 6 4 b13 0 9 112 6 9 2 513 1 0 4 8 c2 4 8 0 02 4 17 4 52 4 7 0 0 3 d3 0 7 4 】3 0 】3 1 3 3 0 4 5 6 5 注：b 点为前臂两铰点的中点，d 点为前臂最静端。 表3 6 a 、c 点为支库，b 、d 点的相对挠度( 单位：m m ) 水平上仰 下俯 ii i1 1 1i i i i l i ii ii l i b一2 9 4 03 1 3 63 0 152 8 4 2 - 3 0 8 73 0 0 02 8 6 83 0 0 73 0 8 0 d 1 4 7 012 1 0 9 6 0 1 5 ，5 91 3 9 91 1 9 4】3 0 39 6 76 8 8 3 2 5应力计算结果 1 ) 前臂架计算结果，各工况下应力极值见表3 ，7 。 表3 7 麻力极值( 单位：m p a ) 辽宁l ：程技术大学硕七论文 2 ) 配重架计算结果，各工况f 应力极值见表3 8 。 表3 8 应力极值( 单位：m p a ) 板应力 梁应力( w o r s ts t r e s s ) 状态 ( v o nm i s e s ) 最小应力最人应力 水平 1 0 5 0一1 0 6 59 6 4 工况i ( 空载) 上仰1 1 1 6 10 8 ，3 1 0 6 8 p 俯 9 5 610 1 78 6 1 水平 1 0 5 010 729 6 9 l + 况1 1 ( 止常)上仰 1 11 61 0 9 01 0 7 3 f 俯 10 4 410 2 48 5 8 f 况i l l ( 超 水平 10 4410 2 ，4 9 6 9 上仰 1 l1 6 - 1 0 9 0l0 7 3 载) r 俯 l0 44- 10 2 4 8 58 人风f 俯锚定 l3 9 3一】19 2 8 5 2 配重架大应力云图分布见图3 9 图3 1 2 。 2 2 辽j2 t 稗技术大学硕十论文 3 ) 塔架计算结果，各工况下应力极值见表3 9 。 表3 9 廊力极值( 单位：m p a ) 扳应力 梁应力f w o r s ts t r e s s ) 状态 ( v o nr n i s e s ) 最小应力最大应力 工况i ( 空 水平1 0 2 66 0 6 l5 2 上仰1 3 2 o6 9 82 4 3 载) f 俯 8 3 07 0 61 9 5 t 况1 1 ( 正 水平】0 2 78 4 05 9 7 上仰 1 0 4 o8 1 24 6 7 常) f 俯 1o o 9 1 0 7 86 6 3 况i i i 水平 1 1 4 99 166 7 8 上仰 1 14 6 9 3 95 5 7 ( 超载) 卜俯1 1 3 4 - 1 13 6 7 46 人风f 俯锚定 1 2 6 114 0 18 0 4 塔架人戍力云图分布见图3 13 图3 16 。 2 3 辽j ：川掣技术大学硕+ 论文 4 ) 拉杆计算结果，拉杆位置见图3 1 7 ，位移见表3 1 0 。 图3 1 7 拉杆伉置 表3 1 0 位移 i ： 况 1i ii1 截面积 位置 ( m m 2 ) 拉力( 吨)应力( m p a )拉力( 吨)麻力( m p a )拉力( 吨)麻力( m p a ) l3 1 5 15 7 9 13 5 4 36 5 133 6 2 36 6 6 05 4 4 0 22 7 8 15 1 1 33 8 3 97 0 5 64 1 6 07 6 4 65 4 4 0 31 1 0 3 79 3 2 21 l0 2 79 3 1 41 1 0 2 49 3 1 11 18 4 0 4 1 l o 2 39 3 1 01 1 0 3 29 3 181 1 0 3 59 3 2 01 1 8 4 0 j3 0 9 8 5 6 9 43 4 7 0 6 3 7 9 3 5 4 2 6 5 10 5 4 4 0 22 7 3 35 0 2 43 7 126 82 4 3 9 9 8 7 3 5 05 4 4 0 31 12 0 19 4 6 01 1 1 9 29 4 5 3 1 8 0 9 4 5 0 1 l8 4 0 41 1 1 s 8 9 4 4 91 1 1 9 69 5 5 61 1 1 9 99 4 5 9 】18 4 0 l3 1 2 65 7 4 73 5 2 76 4 8 23 6 136 64 l5 4 4 0 22 7 6 05 0 7 43 87 2 7 117 4 2 2 07 7 5 85 4 4 0 31 0 6 0 l8 9 5 41 0 5 9 l8 94 51 0 5 8 88 9 4 2 i | 8 4 0 4】0 5 8 68 9 4 11 0 5 9 28 9 5 01 0 6 o o8 9 5 31 18 4 0 3 3门座与转台部分计算 3 3 1计算工况及模型简化介绍 门座和转台采用板单元建模，回转部分采用杆梁模拟，计算模型如图3 1 8 所示。计算工况如下： 工况i ：上车回转0 度： 工况i i ：上车回转4 5 度。 辽宁t 程技术大学硕士论文 图3 - 18 计算模型 3 3 2转台位移结果 位移关键点见图3 1 9 ，位移见表3 1 1 图3 1 9 何移关键点 表31 1 伉移( 单位m m ) 衍 【况i ( 同转0 度) 况i i ( 同转4 5 度) 置 一仰t z 载 p 俯超载上仰空载f 俯超载 d xd yd zd xd yd zd xd y d z dxdy d z a34 6o3 9o 7 347 31 3 11o6 42 7 21 7 7o 7 33 0 14 9 7- 1o 8 0 b一3 9 70 4 3113l8 82 9 685 3，28 41 8 01l5o5 63 8 48 5 5 c3 i7一o 7 878 71 4 70 4 522 2i 9 2f9 57 8 91 7 41 0 92 19 d3 5 60 4 67 7 10 3 9- o 3 12 8 2 2 8 7- 1 187 7 2o 2 4 - o 182 7 6 3 3 3转台应力结果 转台部分各工况的板应力极值见表3 1 2 ，大应力云图分布见图3 - 2 0 3 - 2 3 。 表3 1 2 板戍力极值( 单位m p a ) 辽宁r 程技术大学硕七论文 状态 上部回转0 度上部同转4 5 度 水平 1 4 9 215 f 5 空载上仰1 7 2 ，617 5 4 下俯 1 1 3 51 1 49 水平 l0 1 o 1 0 09 止常r 。作上仰 12 011 192 f 俯 15 3 915 5 7 水平 1 l8 o1 18 9 超载 作 上仰1 1 6 6 1 15 5 f 俯 18 0 o 18 2 5 3 3 4门座位移结果 位移关键点见图3 2 4 ，各点z 向位移见表3 13 。 2 6 里j ：! 堡壁查盔堂堡笙茎一2 7 图3 2 4 位移关键点 表3 13z 向位移单位( m m ) 位 工况i ( 同转0 度) = ：况1 i ( 回转4 5 度) 上仰下俯上仰下俯 置 空载 超载空载超载 a1 9 24 0 02 2 63 7 9 b 2 183 6 51 9 33 8 9 c2 9 5 3 172 1 63 6 7 d3 6 8 2 7 12 9 33 1 4 e4 12 2 5 03 7 7，2 6 8 f3 7 5 2 6 l一3 9 82 4 7 g30 63 14 3 7 8，2 6 1 h2 2 73 7 03 0 43