（机械设计及理论专业论文）ydg型堆料机臂架形变分析及拓扑结构优化设计.pdf

原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：龃日期： 盈! 一年月乒日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可以根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者龃聊签名黪吼址年月旦日 中南人学硕 ：学何论文摘要 摘要 堆料机是圆形料场的一个重要组成部分，它主要用于堆放由进料 主皮带机传送来的物料。堆料机结构对堆* - ：l - 木0 t 的性能起着歪关霞要的 作用，但国内现有大部分堆料机都存在着以下缺陷：控制系统故障， 皮带跑偏，挠度过大，结构笨重等。为了解决结构笨重问题，本文以 轻量化没计为主线展开研究。 文中介绍了堆料机在国内外的研究现状和主要存在的问题，针对 新设计的堆料机模型存在的问题，提出了拓扑优化设计概念，打破传 统的设计结构和漫计方法，设计出一种结构更优的堆料机臂架，大大 的节省了结构材料，并为后续的尺寸优化奠定了基础。主要的研究成 果和工作如下： ( 1 ) 查阅了国内外关于堆料机方面的研究成果，总结了目前堆 料机的研究现状和现存结构的缺陷。 ( 2 ) 应用a p d l 语言建立了y d g 9 0 1 6 0 0 堆料机臂架的参数化 结构，应用有限单元法计算分析得到臂架的最大应力为：2 0 3 9 7 6 m p a ， 最大挠度为9 9 5 m m ，虽然其结构强度、刚度及稳定性满足工程设计 要求，但其结构笨重，安全富余量较大，且钢耗和能耗较大。 ( 3 ) 应用有限元软件a n s y s 中的拓扑优化模块对其进行优化。 针对臂架最危险工况，对比多种省材方案，采用省材6 0 的方案进行 拓扑优化设计，得到臂架的概念模型。 ( 4 ) 参照臂架的概念模型，对臂架进行结构设计，并对臂架模 型进行有限元结构分析，得到优化后的结构最大应力比优化前增大了 2 0 0 8 m p a ，挠度较优化前的减小了9 1 m m ，交叉角钢减少了4 8 根， 体积也较之前减少了2 0 3 ，大大的节省了材料，降低了制造成本。 ( 5 ) 应用相似理论建立了堆料机的实验模型，结合惠斯登电桥 法，利用应变片测量了堆料机主要部位的应变，并将所得实验结果与 仿真应力等值线图进行对比分析，两者结果基本一致，从而进一步的 验证了堆料机结构的合理性。 关键词堆料机，拓扑优化，结构强度，结构刚度，相似理论 a b s t r a c t s t a c k e ri sa ni m p o r t a n tp a r to fs t o c k y a r d ，w h i c hi s m a i n l yu s e df o r p i l i n gu pm a t e r i a l st r a n s f e r r e db yt h em a i nb e l t t h es t a c k e r ，ss t m c t u r e p l a y sas i g n i f i c a n tp a r ti nd e c i d i n gt h en a t u r eo ft h es t a c k e r h o w e v e r m o s to ft h ed o m e s t i cs t a c k e rh a st h ef o l l o w i n gd e f e c t s ：c o n t r o ls y s t e m f a i l u r e ，b e l td e v i a t i o n ，h e a v ys t r u c t u r ea n ds oo n i no r d e rt os o l v et h e p r o b l e mo fh e a v ys t r u c t u r e ，t h i st h e s i sf o c u so nl i g h tw e i g h td e s i g n r e s e a r c h t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ec u r r e n tr e s e a r c ho fs t a c k e rh o m ea n d a b r o a d ，a sw e l la st h en e wd e s i g ns t a c k e re x i s t i n gp r o b l e m s w ep r o p o s e t o p o l o g yo p t i m u md e s i g nc o n c e p t i o no nt h eb a s i so fs t a c k e rm o d e l w h i c hb r e a k st h et r a d i t i o n a ld e s i g ns t r u c t u r ea n dm e a s u r e ，w e d e s i g n e da m o r es u p e r i o rs t a c k e rs t r u c t u r e ，w h i c hn o to n l ys a v es t r u c t u r a lm a t e r i a l b u ta l s ol a yaf o u n d a t i o nf o rt h es u b s e q u e n ts i z e o p t i m i z a t i o n t h em a i n r e s e a r c hw o r ka sf o l l o w s ： ( 1 ) r e v i e wt h er e s e a r c hf i n d i n g sc o n c e r n i n gt h es t a c k e rs t r u c t u r e h o m ea n da b r o a d ，s u mu pt h ec u r r e n t s t u d ys i t u a t i o na n ds t r u c t l l i e d e f e c t i o no fs t a c k e r ( 2 ) a d o p ta p d ll a n g u a g ep a r a m e t e rm o d e l i n gt h ey d g 9 0 16 0 0 s t a c k e r , a n dt h e nt h r o u g ha n a l y s i sg e tt h er e s u l tt h a tt h es t r e s so fs t a c k e r b o o mi s2 0 3 9 7 6 m p a ，t h em a x i m u md e f l e c t i o ni s 9 9 5 m m t h o u g ht h e s t r e n g t h ，s t i f f n e s sa n ds t a b l e b i l i t yo fs t r u c t u r em e e tt h e e n g i n e e r i n g p r o j e c tr e q u i r e m e n t ，i ti so fh e a v ys t r u c t u r ea n dh i g hc o n s u m p t i o no fs t e e l a n d e n e r g y ( 3 ) t a k ea d v a n t a g eo ft o p o l o g i c a lo p t i m i z a t i o nm o d e li nt h ef e m s o f t w a r ea n s y s o p t i m i z ei t ss t u r c t u r e ，a ss t a c k e rb o o ms t a y sb a l a n c e d a n df u l l yl o a d e du n d e rt h ew o r k i n g c o n d i t i o n ，c o n t r a s tv a r i o u sp r o v i n c e s m a t e r i a l p l a n ，w ea d o p tn e wp l a n st os a v e6 0 m a t e r i a l sa n dm a k e t o p o l o g i c a lo p t i m i z a t i o ns oa st og e tt h ei d e a lm o d e lo fs t a c k e rb o o m i i ( 4 ) d e s i g nt h es t a c k e rb o o m s t r u c t u r eo nt h eb a s i so ft h ei d e a lm o d e l o fs t a c k e rb o o m a n a l y z ef n i t ee l e m e n t s t r u c t u r eo ft h en e ws t a c k e rb o o m m o d e l t h eo p t i m i z e ds t r u c t u r e ss t r e s si s2 0 0 8 m p al a r g e rt h a nt h ef o r m e r o n e d e f l e t i o nd e c r e a e d9 1m m ，i n t e r s e c ta n g l ei r o nr e d u c e d4 8 ，t h ev o l u m e d e c r e a s e d2 0 3 w h i c hs a v em a t e r i a ll a r g e l ya n dl o w e rp r o d u c t i o n c o s t ( 5 ) a d o p ts i m i l a r i t yt h e o r y ，c o m b i n e dw i t hw h i s tb r i d g em e t h o d a n de s t a b l i s he x p e r i m e n t a ls t a c k e rm o d e l w em a k eu s eo fs t r a i n f o i l m e a s u r em es t r e s so ft h es t a c k e r sm a i np a r t ，a n dc o m p a r ew i t h t h e e x e p e r i m e n t a lf i n g d i n g a n de m u l a t i o ns t r e s s i ti sp r o v e dt h a t t h e e m u l a t i o nr e s u l ti sc o r r e c t ，t h e nw ef u r t h e rp r o v e dt h er a t i o n a l i t yo ft h e n e ws t a c k e rs t r u c t u r e k e yw o r d s ：s t a c k e r ，t o p o l o g i c a lo p t i m i z m i o n ，s t r u c t u r es t r e n g t h ， s t r u c t u r es t i f f n e s s ，s i m i l a r i t yt h e o r y i i i 中南人学硕十学何论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t l l 第一章绪论1 1 1 堆料机简介l 1 2 堆料机在国内外的应_ j 与发展4 1 3 堆料机的研究现状和主要问题6 1 4 论文的l ：程背景和i 贞目来源9 1 5 论文的研究内容和意义1 0 1 5 1 研究内容l o 1 5 2 研究意义1 l 第二章y d g 9 0 1 6 0 0 堆料机臂架参数化模型的静力学分析1 2 2 1y d g 9 0 1 6 0 0 堆料机的组成及【：作原理1 2 2 2y d g 9 0 1 6 0 0 堆料机模型的简化1 2 2 3y d g 9 0 1 6 0 0 堆料机臂架的力学模型1 3 2 3 1 风载的计算1 3 2 3 2 电动机与减速器蓬力载荷的等效移置处理。1 3 2 3 3 堆料机臂架上均布载荷的计算1 4 2 3 4 堆料机支撑库的处理1 5 2 3 5 臂架几何加载模型1 5 2 4y d g 9 0 1 6 0 0 堆料机臂架有限元模型建立1 6 2 4 1 有限元分析软件a n s y s 简介1 6 2 4 2a p d l 语言简介。1 6 2 4 3 结构参数设定1 7 2 4 4 单元的选择18 2 4 5 工况、材料属性及加载1 9 2 4 6 模型建立及网格划分2 0 2 5 臂架结构静力学计算及分析。2 1 2 6 本章小结2 4 第三章堆料机臂架结构的拓扑优化。2 5 3 1 拓扑优化简介。2 5 3 1 1 拓扑优化的方法及算法2 5 3 1 2 拓扑优化数学模璎的建立。2 7 3 2 臂架结构拓扑优化的a n s y s 实现3 0 3 2 1a n s y s 软件中的拓扑优化模块简介3 0 3 2 2 臂架的拓扑优化有限元模型建立3 l 3 2 2 1 臂架拓扑优化模型简化3 l 3 2 2 2 臂架拓扑优化有限元模嘤3 2 3 2 - 3 臂架拓扑优化计算与分析。3 4 3 3 本章小结。3 9 第4 章堆料机臂架结构设计及性能分析。4 0 i v 中南大学硕卜学何论文目录 4 1 堆料机臂架的结构设计4 0 4 1 1 上、卜党板的设计4 0 4 1 2 腹板的- 没计4 l 4 i 3 配亘的梭核4 4 4 1 4 腹板的加f 及安装4 5 4 2 堆料机臂架的静力学分析4 6 4 2 1 臂架的有限元模型建立4 7 4 2 2 臂架的静力学分析4 8 4 3 优化前后结构性能比较5 0 4 4 本章小结5 2 第5 章堆料机臂架强度的实验验证5 3 5 1 相似理论简介5 3 5 1 1 相似准则的理论基础一5 3 5 1 2 相似理论的研究方法5 4 5 2 臂架模型的实验总体设计5 4 5 2 1 实验原理5 4 5 2 1 1 等效应力的计算。5 5 5 2 2 实验目的5 7 5 2 3 臂架相似模型的设计5 7 5 3 仪器选用和测试方案5 8 5 3 1 实验仪器的选择5 8 5 3 2 测点的选择与布置5 9 5 4 测试实验结果及数据处理6 0 5 5 实验数据与仿真数据的对比。6 l 5 6 本章小结。6 5 第6 章全文总结与展望。6 6 6 1 全文总结6 6 6 2 全文展望6 7 参考文献6 8 到e 谢7 2 攻读学位期间主要的研究成果。7 3 v 中南人学硕卜学位论文 第一章绪论 1 1 堆料机简介 第一章绪论 圆形料场【1 l 是一种新型储料系统，是实现矿物原料预均化的堆料场，广泛应 用于冶金、电力、煤炭、化工、建材、运输等工业部门。它分为封闭式和开放式 两种，其主要作用是：储存、配料、均化。圆形料场的外圆直径一般在4 5 - 1 0 0 m 之间，取料能力低于1 2 0 0 t h 。在相同储存量和采用同样取料机的情况下，圆形 料场占地面积较长形堆场少3 0 以上，因此，现在大部分厂房采用的是圆形料场。 它的工作原理是把堆场的物料由天桥皮带机送来，经由堆场中心卸到一台径向的 回转式堆料皮带机l 上。该堆料皮带机的臂架可以升降，以便随着堆料的增高而 增大其倾角，减少堆料时物料的落差，从而减少了扬尘。这样形成的堆料为圆环 形。取料则采用桥式刮板取料机2 。取料机桥架的一端固定在堆场中心的立柱上， 而另一端的刮板5 则支承在料场外围的圆形轨道上。整个桥架可以以立柱4 为圆 心回转，按垂直于料层方向的截面进行取料。刮板将物料送到堆料底部中心的卸 料斗6 处，由地沟皮带机运走。如图1 1 所示。 l 堆料皮带机2 取料机3 一料堆4 一中心立柱5 一刮板机6 一中心卸料斗 图1 - i 圆形料场三维模型图 堆料机【3 l 属于圆形料场的一个重要组成部分，它的作用是连续地按照一定的 方式进行堆料，实现多层倾斜复合形料堆。堆料机的种类很多，有高架型桥式皮 带堆料机、耙式堆料机、顶部堆料的天桥皮带堆料机、回转式悬臂皮带堆料机等， 如图l 一2 所示。它们各自的特点如下： 中南人学硕十学位论文 第一章绪论 ( a ) 高架j 诅桥式皮带堆科机( b ) 耙式堆料机 ( c ) 顶部堆料的天桥皮带堆料机( d ) 回转式恳臂皮带堆料机 图1 2 国内现有圆形料场堆料机的种类 ( a ) 高架型桥式皮带堆料机 高架型桥式皮带堆料机是将堆料皮带机装设在一个可以移动的桥架上，而这 个桥架是横跨料堆的。在它的堆料皮带机上设有s 型的卸料小车，与桥架的运动 方向相反，使堆料机能在料堆的任何一点进行堆料。适用于梯形横截面的料堆， 也可以进行波浪形或水平层状的料堆。如我国东北电力设计研究院、哈尔滨重型 机器厂制造，用于元宝山热电厂煤堆场的m d q l 5 0 5 0 门式斗轮堆取料机的堆料 部分就属于高架型的桥式皮带堆料机。 ( b ) 耙式堆料机 耙式堆料机又名链式耙，是一种既能堆料又能取料的设备，主要用于侧面堆 料。有些链耙还能进行反转，即堆料时的回转方向与取料时相反，物料通过耙杆 中的开孔送往下股链。近年来，美国麦克道威尔威尔曼( m cd o w e l lw e l l m a n ) 工程公司对这种堆料机又进行了一些改造，通过链式刮板中安装的堆料皮带和刮 板联合作业，大大的提高了堆料能力。 ( c ) 顶部堆料的天桥皮带堆料机 顶部堆料的天桥皮带堆料机用于预均化堆厂设在厂房内的情况，通过厂房的 2 中南人学硕十学位论文 第一章绪论 屋顶将堆场进料主皮带机接到屋架七，与屋架上的天桥皮带机相连接。该堆料机 所采用的设备较简单，只要在天桥皮带机上装一台s 型皮带卸料车，就町以直接 从天桥皮带上进行堆料。但是，它只能作人字形或圆锥形料，如要采用波浪形堆 料，就会使堆料设备结构复杂。它的另一个缺点是物料落差较大。因此，这种设 备在水泥厂中较少采用。 ( d ) 回转式悬臂皮带堆料机 回转式悬臂皮带堆料机是目前预均化堆场中采用最广泛的侧面堆料的堆料 机。它主要由两部分组成：一是连接在堆场进料主皮带机上的s 型皮带卸料小车， 其作用就是通过进料皮带的s 形转折，将物料送到堆料皮带机上；二是由此横向 伸到料堆上方的悬臂堆料皮带机。悬臂堆料皮带机可以是固定的，也可以是绕着 中心轴转动的回转式悬臂皮带堆料机，其回转运动是通过电动机带动，能进行 3 6 0 刚转。目前，我国上海水工机械厂、抚顺挖掘机厂等单位都生产臂长2 5 - - 3 0 m 、 堆料能力达1 0 0 0 t h 的升降回转式悬臂皮带堆料机。 目前，国内在圆形料场中应用最广泛的是侧面堆料的悬臂皮带堆料机，这种 堆料机的主要外形结构有两种：整板式焊接结构如图4 1 所示，腹板挖孔式结构 如图4 2 所示。 图4 1 大连四迭a 8 0 m 的圆形料场堆料机 3 中南人学硕十学何论文第一章绪论 图4 2 沈阳沈矿e 8 0 m 的圆形料场堆料机 这种堆料机的堆料方式也有多种1 4 1 如：人字形堆料、波浪形堆料、水平层堆 料、倾斜层和圆锥形堆料等，还可演变成另外一些堆料方式。如三人字形和双圆 锥形堆料方式。 1 2 堆料机在国内外的应用与发展 预均化堆场创始于钢铁行业【l 们，1 9 0 5 年美国一家钢铁厂首先用于铁矿石的 料堆上，至本世纪中叶便盛行于欧洲各国，由冶金工业开始遍及其他工业部门， 而世界上最先研发堆取料机的是德国，开始于1 9 世纪3 0 年代，其次是前捷克斯 洛伐克和前苏联等国。直到2 0 世纪初才真正的投入使用，随着应用越来越广泛， 堆取料机的研发也得到了一定的发展，结构得到不断的完善，逐步解决了动力驱 动、物料传送、胶带等关键问题。 由于堆取料机在钢铁、水泥、电力等行业的应用较为广泛，到2 0 0 1 年，保 守的估计国内堆取料机拥有量已达1 5 0 0 台以上。这些堆取料机主要用于大型水 泥厂，大型钢铁公司的煤炭矿石原料场，火力发电厂的储料场，大型散货港口等 大型企业。目前堆取料机的生产厂家已达到十几家，生产这类产品比较有名的企 业有哈尔滨重型机械厂、大连重工起重集团有限公司、武汉港机重工有限公司、 长沙重型机械厂等；而在水泥方面应用堆取料机的企业有沈矿、大连仕达、邯郸 建材等。还有一些安装企业如苏安、唐安等也开始了堆取料机的制造。近年来由 于国内外各家设计院、制造公司的介入，堆取料机取得了很好的发展。 国内对堆取料机的研发较晚 s l ，在众多生产堆取料机的厂家中，哈尔滨重型 机械厂和长沙重型机械厂是最早生产堆取料机的大型企业。我国第一台堆取料机 4 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 设备于1 9 9 6 年在哈尔滨重型机械厂产，e ，随后又研制了7 0 0 多台产值1 1 3 4 万 吨的堆驳料机及其派生品，分布在全困各地，并出u 到巴基斯坦、泰国、也门、 伊朗、柬埔寨、缅甸等困家。目前该企业的产品品种、产量居同行业之首，是困 内散状物料装卸机械制造业中唯一集科研、设计、制造、安装“四位一体”的定点 生产企业。 长沙重型机械厂与哈尔滨重型机械厂同于1 9 5 8 年建厂，从事堆取料机的研 发设计和生产已有3 0 余年历史。主导产品包括混匀堆料机和刮板式堆取料机两 大类数十个品种，遍及全困码头、钢铁、港口和发电、储料场、焦化企业等，是 国家重点支持的产品，该企业目前不仅拥有广泛的国内市场，亦可参与国际竞争。 刮板式堆取料机【4 l 是堆取料机设备中应用最广泛的一种产品，但它的发展一 直部比较缓慢，随着在水泥方面的应用越来越广泛，国内也开始了刮板式堆取料 机的研究。2 0 世纪8 0 年代，国内还主要生产一些小型刮板式堆取料机，随着煤 炭、水泥等行业的兴旺，大吨位生产线的发展，国内年产2 0 0 0 吨以下的生产线 已经停止批准。到了2 0 世纪9 0 年代，堆取料机得到了进一步的发展，主要是以 生产刮板式堆取料机为主。冀东水泥厂生产了一条日产4 0 0 0 吨的长形预均化堆 取料机，兖州矿物局济宁洗煤厂生产了第一台型号为y g d l l 0 0 9 5 的刮板式堆取 料机，天津振兴水泥厂生产了第一台直径为8 0 m 的型号为y g 4 0 0 8 0 的刮板堆取 料机，安徽海螺水泥生产了一条日产万吨的生产线。 回转式悬臂皮带堆料机作为刮板式堆取料机的一个重要组成部分，自六十年 代初期开始实际应用于各工业部门，至今又经历了5 0 年的发展过程。以前所用 的堆料机大部分都是可以移动的，除了给它设置轨道外，还可以装上履带。履带 式悬臂皮带堆料机由受料皮带、履带行走装置和悬臂皮带三部分组成，整个堆料 机支撑在履带上，并借此行走。堆料机的受料皮带将进料主皮带机上的尾车和堆 料皮带连接起来。物料由进料主皮带机通过尾车卸到堆料皮带上进行堆料。这种 堆料机的优势是由于行走上的灵活性，可以通过较短的臂架，堆成一个宽度较大 的梯形横截面料堆。 但是对于一般的预均化堆场而言，不需要堆成这样的料堆，且结构较复杂。 2 0 世纪6 0 年代，我国上海水工机械厂、抚顺挖掘机厂等单位开始生产堆料范围 和堆料能力较大的升降回转式悬臂皮带堆料机【2 5 l ，西德的钢铁厂、磷灰石矿厂 均采用此种设备。2 0 世纪7 0 年代，美、欧等工业国家开始研制圆形料场堆取料 机的设备和工艺系统。2 0 世纪8 0 年代，这些技术得到广泛应用。到了2 0 世纪 9 0 年代后期，由于计算机技术的广泛应用，堆取料机的设计技术得到进一步的 发展，开始广泛应用于码头、电力一石化、建材等行业。国内在堆取料机方面 的研究比较缓慢，最早出现具有推广价值的圆形料场是1 9 9 8 年应用于华阳电力 5 中南人学硕卜学位论文第一章绪论 公司的圆形料场。该设备建青5 座圆形煤场引进圜外先进技术，采用悬臂 u 1 转 式堆料及刮板式取料的工作方式，效率高。到了2 0 0 2 年，宁海电厂也引进了采 用德国技术的门架式回转式刮板机取料系统。该系统叮以使同直径料场的储量最 大化，并使设计出的结构运行更稳定，受力更均衡，有效地提高了设备的寿命。 近年来，随着国外先进技术的引进和现代设计方法的推广，国内堆取料机在 生产能力、产品质量、设计手段、自动化程度、可靠性已经逐渐缩短与发达国家 间的差距。 1 3 堆料机的研究现状和主要问题 堆料机作为圆形料场的一个主体部分，其结构的好坏直接影响到整个生产的 运作，因此，国内外学者对其都做过相关研究。 y u nc h a o t 6 l 等针对目前斗轮堆取料机控制方面的一些问题，提出了应用现场 总线技术和机器人技术来提高设备的控制技术，使控制方面的技术能得到改善。 指出了该系统可以实现远程操作，远程监测和控制，具有自适应能力，已经应用 于较为先进的堆取料机设备中。 戴忠鑫【7 】介绍了圆形料场堆取料机的发展趋势，指出了圆形料场沿着大型 化、系列化发展的趋势，并简要的介绍了几种国内自主研发的堆取料机：桥式斗 轮堆取料机、侧堆取料机、桥式刮板堆取料机等。提出了研发工作者应该从我国 国情出发，设计出经济、低能耗、少扬尘型设备。 张春发【3 l 对比了现有的几种堆料就臂架的主要结构形式，分析了每种结构的 优缺点，指出了传统设计计算的局限性。针对霍林河堆取料机的悬臂机构展开研 究，采用有限单元法对其进行了结构静力学分析，并系统、全面的分析了臂架产 生振动的原因，对悬臂进行了模态分析和在风载下的动态响应。 郑笑红【9 】介绍了堆取料机的堆料工艺，结合国内外专家的研究成果，指出物 料的均化效果和均化效率与料层的堆积层数有关，即要保证在不同时间段内的不 同物料具有相同的堆积层数。分析了堆料机臂架同时做水平回转和上下变幅的复 合运动的工况，指出了通过复合运动来实现将物料堆放到指定的堆料点。提出了 将回转机构改为液压驱动来简化控制系统，使回转液压系统和变幅液压系统能互 相反馈，以准确控制机构回转的观点。 张小桥【1o 】介绍了d b h 7 0 0 3 7 型悬臂式混匀堆料机的总体结构和工作原理， 分析了目f j 国内堆料机的现状，对机械系统和控制系统进行了改造，优化了混匀 堆料机的机械结构，解决了车轮啃轨的问题，通过分析传统的继电控制方式和 p l c 可编程控制器控制方式的优缺点，完成了执行机构自动控制系统的设计，提 出了时间限位发和利用极限和旋转编码器配合解决旋转限位方法。 6 中南人学硕 ：学f 谚论文 第一章绪论 a r a u j o l s 【1 1 l 等针对堆取料机在运行过程中结构件出现脆性断裂问题进行 研究，指出在焊接件连接处和法兰安装处易发生破坏，并解答了发生破坏的原冈 及其颅防措施。 s h i h c h a n gh s u ! 1 2 l 针对台湾电力公司的煤电占有率超过2 5 ，且环境和存储 问题一直得不到解决，提出建立一个存储量为1 7 - - 1 8 万吨个的宦内煤电站工程， 通过安装堆取料机来解决原料的存储问题，指出了该项工程质量的重要性及工程 所带来的效益。 孙文庆【1 3 】针对圆形料场堆料机配重的校核，提出了一种间接测定接地力的 方法，即通过升降液压缸上、下油腔压力计算出液压缸的受力，进而推算出堆料 机的接地力，以合理的确定配重的安装位置。 尹现吉等【1 5 】应用a l g o r l 6 大型有限元分析软件分别在结构自重、正常工作、 超载三种工况下对大型斗轮堆取料机进行静力学分析，验证了结构的强度、刚度 和稳定性，并根据分析结果将之前的箱型截面改为工字形截面，有效的减小了臂 架的重量，最后通过计算数据，得到重心的变化范围，通过调整结构重心达到优 化结构强度的目的。 李景瓮【1 8 l 介绍了悬臂皮带机的结构形式及其工作原理，指出皮带机在空载 运行时通过调整托辊组的方法来防止皮带跑偏，在承载时跑偏则通过加挡板的方 法解决。但还存在其他的导致皮带跑偏的原因：胶带接头接偏，胶带不直，胶带 老化等，并提出了相应的改进措施：采用自动调心的托辊组，采用前倾式的承载 托辊组，严格控制偏斜量等，很好的解决了悬臂皮带机跑偏的问题。 杨传举【1 9 1 等针对济钢原料厂二次料场的一台型号为d b h 8 0 0 2 2 的混匀堆料 机展开研究，得到料层的堆积量与堆料机大车运行速度和来料胶带机带速有关， 并找到两者之间的关系，采用变频调速电机改造堆料机的行走机构，按照匹配关 系来调整大车的形状速度，最终使得混匀质量明显提高，经济效益显著。 胡庆银【2 0 l 以山东东华水泥有限公司预均化圆形料场为研究对象，发现在运 行中，送料装置的料耙在滑动轨道护板螺栓处经常折断，而传统的设计方法是拆 下轨道护板，用机械加工方法把侧板上的螺栓孔铣削成长孔，或是更换两侧板间 的立筋，仍然存在着轨道下挠和螺栓折断的隐患，因此，提出了采用探测器芯丝 清洗的方法，使运行中出现的问题得到有效的改善。 马魁文等1 2 1 l 以天津振兴水泥厂制造的圆形料场堆取料机为模型，指出了传 统设计中存在的缺陷：主要依靠实践经验来确定设计方法，提出了预先确定臂架 结构的尺寸，对结构进行受力分析，然后采用图解法对堆料机臂架进行优化设计， 利用强度优化中的满应力设计方法，以挠度为约束条件，得到臂架前端的截面高 度对整个臂架影响最大，在设计中应先确定其值，然后通过质心调整配重来优化 7 中南大学硕 ：学位论丈 第一章绪论 整个臂架。 r o s c o es r f 2 2 1 等指出了大型煤炭和矿石的堆取料机的耻j j 转轴承由丁：在设计、 安装过程中出现问题，导致在工作过程中出现失效，并以直径为1 3 英尺和3 0 英尺的 u i 转支承为研究对象进行研究，得出回转支承接触深度和齿轮硬度值对强 度的影响较大，轴承的支撑体系对结构也有一定的影响。 赵彦军1 2 5 l 总结了近年来组织安装调试的2 0 多套堆料机、取料机设备的经验， 提出了圆形料场在运行过程中，出现马达系统严重损坏，大量的铜粉从泵壳体和 油口流出，内部有一半的零件已经损坏，到处都是碎屑，原因是焊缝尺寸太小， 导致开裂，管路清洗不彻底有杂物进入，油口清洁度不高等；还有减速机中空心 轴断裂，原因是刚转定位的环焊缝尺寸太小，定位环与减速机空心轴问隙过大， 回转齿侧隙过大；并针对出现的问题提出了相应的解决方法。 高继云【2 8 j 介绍了堆料机的组成和工作原理，指出了现有堆料机存在的机械 方面的问题如由于堆料机较高，加上惯性，在启动的时候，上部会朝行走的方向 逆向摆动，停车的时候又出现相反的情况，因此频繁启动或停车会导致晃动频繁 与严藿；由于晃动频繁与严重又会导致堆料机焊接件容易开焊，各连接紧固件容 易松动；在进料的时候物料会给尾车施加一个不均匀的力，使尾车出现摆动，又 尾车的行走轮与轨道的间隙较小，导致尾车行走轮缘磨损快，轴承容易损坏。并 对相应问题提出了将尾车行走轮加宽：将驱动齿轮换成硬齿面的齿轮；调整轨道， 在压板下加上橡胶氆来减振等措施。 王常钰等【3 0 j 简要的介绍了悬臂式斗轮堆取料机和门式斗轮堆取料机的结构 及其主要特点，包括尾车的堆取料变换方式，皮带机的布置方式等。从取料范围， 取料轨迹，取料量，生产能力，造价几个方面分析了两种型号各自的优缺点，对 于选型提供了一定的参考价值。 综合以上关于堆取料机的主要研究成果可知，国内外学者对堆料机结构在控 制方面、油缸变幅、配重调节、焊接件破坏、胶带跑偏、静力学方面、动力学方 面都做过相关的研究。 根据对国内堆料机盼调研，得到堆料机部分在机械设计方面存在的主要问题 有： ( 1 ) 国内现在大部分堆料机结构的板厚控制不当，板材太厚，导致结构笨 重： ( 2 ) 堆料机的设计不当，结构采用整板焊制，外观结实，也不容易出现机 械故障，但结构笨重，且大部分堆取料机都是露天工作，在风速较大的地方容易 出现失稳。 ( 3 ) 堆料机的配重不合适，导致油缸的负载较大，降低调节油缸的寿命， 8 中南人学硕卜学侮论文 第一章绪论 且增加了能耗。 ( 4 ) 堆料机的臂架较长，加上自重和物料，有唑堆料机会出现挠度过人的 现象，进而导致皮带拉伸量增大、托辊包角减小、物料传送不顺畅、物料传送达 不到应有的范围、使用寿命减短等问题。 综合可知，堆取料机在强度、刚度及稳定性等方面还有很多值得研究，最终 实现寻求最优结构设计。 1 4 论文的工程背景和项目来源 本课题来源于某设计制造单位承接的工程项目，要求对该单位新设计的 y d g 9 0 1 6 0 0 型堆料机的臂架进行分析，并根据所给的技术参数对其臂架进行结 构优化设计，其技术要求见表1 1 。 表i - 1 堆料机设计中的主要技术参数表 堆料机的主要技术参数 结构型式 堆料机前端腹板高 堆料机后端腹板高 单臂上、下翼板宽 臂架上的胶带长 堆料机堆料半径 配重 调节俯仰倾角范围 调节倾角方式 托辊、胶带和物料总重 驱动滚筒和换向滚轮总重 电机和减速机重 受料斗重 前挡板重 张紧装置重 主支撑座 定心网转式 5 4 4 m m 1 6 4 0 m m 2 4 0 m m 2 4 4 4 2 m m 2 3 1 5 m 2 2 0 0 0 k g + 1 2 0 - 1 5 0 液压油缸 6 5 0 0 k g 5 7 3 3 k g 8 0 0 k g 3 4 3 k g 1 9 6 k g 6 3 9 k g 铰接 9 中南人学硕卜学位论文 第一章绪论 1 5 论文的研究内容和意义 1 5 1 研究内容 本文以型号为y d g 9 0 1 6 0 0 的堆料机为研究对象，应用有限单元仿真分析法 对已设计出的堆料机结构进行强度、刚度及稳定性分析，然后根据现有模型采用 拓扑优化方法优化其外形，最后参照拓扑优化结果对y d g 9 0 1 6 0 0 堆料机臂架进 行结构改进设计。主要研究内容有： ( 1 ) 搜集国内外堆料机方面的文献资料，总结分析现有研究成果，在此基 础上，利用a n s y s 的a p d l 语言，建立臂架结构参数化模型； ( 2 ) 根据堆料机的工作原理，应用力学知识，探究臂架最危险工况，并对 最危险工况进行结构静力分析，获得臂架结构的应力及位移云图，根据云图特征， 找出现有臂架的最大应力、应变及其位置，定量分析臂架最危险工况下的最大应 力及臂架整体应力的安全富余量； ( 3 ) 根据工程要求，以柔度最小( 应变能最小或是刚度最大) 为优化的目 标函数，以结构的整体体积作为优化的约束函数进行求解，并分析拓扑优化结果， 得到臂架的概念模型图； ( 4 ) 参照臂架概念模型图及国内外各种类型的堆料机臂架结构，设计出结 构合理的堆料机臂架结构及几何尺寸，并应用有限单元法分析臂架的结构性能， 得到相应的应力云图，并根据云图指导臂架的材料分配，通过调整板厚来得到最 优结构； ( 5 ) 应用相似理论，将模型按l ：1 0 的比例进行缩小，得到臂架的微缩模 型。应用现代测试手段，选取相应的仪器设备，通过现场实测臂架结构关键测点 的应变，进而得到应力，对比分析实测数据和仿真结果，验证臂架结构仿真分析 结果的正确性。 1 0 中南人学硕t ：学位论文第一章绪论 1 5 2 研究意义 随着工业化的进程，圆形料场在工业生产流程中起着不可替代的作用，因此， 圆形料场的应用会越来越广泛，对堆取料机的需求会越来越多，规格也会逐渐增 大，对结构的设计要求也会越来越高，虽然国内有很多关于堆料机方面的研究， 但对f 堆料机结构的研究甚少。目前，由于堆料机故障问题导致的经济损失已经 成为企业的沉重负担。主要研究意义有： ( 1 ) 探明新设计的y d g 9 0 1 6 0 0 堆料机结构性能是否符合工程要求，最大 应力的所在位置、大小及安全富余量； ( 2 ) 应用a n s y s 中的拓扑优化模块对堆料机臂架进行优化，得到满足工 程要求且应力分布合理的堆料机臂架的外形结构，减轻设备重量，降低生产成本； ( 3 ) 论文中所涉及堆料机臂架的研究方法，对后续产品的设计、分析，具 有重要的指导借鉴意义。 中南人学硕+ 学位论文第一二章y d g 9 0 1 6 0 0 堆料机臂架参数化模型的静力学分析 第二章y d g 9 0 1 6 0 0 堆料机臂架参数化模型的静力学分析 2 1y d g 9 0 1 6 0 0 堆料机的组成及工作原理 堆料机是圆形料场的藿要组成部分，它主要用于堆放物料，使物料均匀混合， 其结构主要由两部分组成：臂架及其连接装置。堆料机的三维结构如图2 1 所示。 1 一配重；2 一电动机；3 一减速机：4 驱动滚轮；5 换向滚筒；6 臂架受料斗； 7 托辊；8 输送胶带；9 一张紧装置；l o 一前挡板； 1l 油缸支撑座；1 2 主支撑座 1 3 一臂架 图2 1y d g 9 0 1 6 0 0 堆料机的三维结构图 堆料机的工作原理是由圆形料场的进料机构，经由堆场中心卸到一台径向的 回转式堆料皮带机的受料斗6 里，然后通过电动机2 带动减速机3 经由驱动滚轮 4 带动输送胶带8 运行，将物料送至前挡板1 0 。整个输送皮带压放在托辊7 上， 由托辊的转动减小皮带的张力。若在堆料机运行过程中，输送皮带出现松动，可 通过张紧轮9 的向左滑动来调节，为了限制出料口的出料范围，在臂架的头部装 有前挡板。堆料皮带机( 如图2 1 所示) 的臂架还可以通过支撑油缸( 安装在油 缸支撑座l l 上) 调节臂架的倾角，以便随着料堆的增高而增