斗輪機的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

曹賀

摘 要：斗輪機作為一種大型裝卸設(shè)備，是由多個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組合而成，其中回轉(zhuǎn)平臺結(jié)構(gòu)作為斗輪機的重要組成部分，在斗輪機堆料、取料、俯仰和回轉(zhuǎn)的過程中發(fā)揮了不可替代的重要作用。可以說，回轉(zhuǎn)平臺是斗輪機的核心結(jié)構(gòu)之一，在對斗輪機的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化的過程中，不能不考慮回轉(zhuǎn)平臺的優(yōu)化?，F(xiàn)本文就從回轉(zhuǎn)平臺結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計為出發(fā)點，談?wù)劧份啓C的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，僅供參考。

關(guān)鍵詞：斗輪機；回轉(zhuǎn)平臺；結(jié)構(gòu)；優(yōu)化；設(shè)計

目前隨著工業(yè)機械化水平的不斷提升，大型工業(yè)設(shè)備的設(shè)計和制造行業(yè)得到快速發(fā)展，相關(guān)的理論知識和實踐經(jīng)驗也越來越多。斗輪機就是其中一個常見的大型裝卸設(shè)備，目前對于斗輪機結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究也有很多，每個研究的側(cè)重點都有所不同，這是因為斗輪機的結(jié)構(gòu)是由很多組件組成的。考慮篇幅有限，本文就從回轉(zhuǎn)平臺這一子結(jié)構(gòu)出發(fā)，談?wù)劧份啓C的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計要點。

1 斗輪機概述

斗輪機是當(dāng)今世界上最大的散貨料場專用設(shè)備，其同傳統(tǒng)間歇式工作裝載機械和其中機械相比有著運行速度穩(wěn)定、能耗較低、生產(chǎn)效率高、設(shè)備布局簡單、自動化控制程度容易、投資省的工作特點，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在港口、碼頭、礦山、冶金以及建筑等多個部門的大型現(xiàn)代化散料儲運工作中，實現(xiàn)了礦產(chǎn)、煤炭、化工、建筑原料等散裝貨物的堆放、轉(zhuǎn)運、裝卸等連續(xù)作業(yè)，但是這種設(shè)備在應(yīng)用中也存在著一定的局限性，通常只能夠裝卸粒徑度小于300mm的物料。

對于斗輪機而言，它在運行的過程中是通過裝料和卸料兩個不同的成分構(gòu)成的，其功能發(fā)揮也是通過這兩個環(huán)節(jié)共同配合產(chǎn)生的，是實現(xiàn)堆料、取料乃至運輸無間斷作業(yè)的，基于這種原理，斗輪機在應(yīng)用中存在著生產(chǎn)效率高、自動化程度好、設(shè)備布置簡單、運輸無間斷的工作目的，其在運行的過程中是以斗轉(zhuǎn)輪機挖取物料、自動卸料以及臂架回轉(zhuǎn)運動為主的綜合性工作，臂架在完成之后每一次運轉(zhuǎn)都是一個前進且吃料的過程，之后臂架反向自轉(zhuǎn)來進行卸料和取料。在料物對鞋的時候，將料場帶入到運輸機當(dāng)匯總，通過前端的漏斗來卸貨，并將貨物運輸?shù)竭\輸設(shè)備上。

2 斗輪機回轉(zhuǎn)平臺的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

在工程設(shè)計中，使得工程性能達到最佳是整個設(shè)計的最終目的，是設(shè)計領(lǐng)域工作人員一直致力研究和追求的目標(biāo)。從數(shù)學(xué)的角度上進行分析，所謂的優(yōu)化設(shè)計是將原來的設(shè)計內(nèi)容、設(shè)計原理和函數(shù)進行最大化或者最小化，從而使得結(jié)構(gòu)內(nèi)部的性能得到最大的發(fā)揮，在滿足各種約束條件下達到性能最佳指標(biāo)要求。

2.1 斗輪機回轉(zhuǎn)平臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計分析

在斗輪機的優(yōu)化設(shè)計中，首先需要建立一個可靠、完善、健全的優(yōu)化模型，要選擇適當(dāng)?shù)膬?yōu)化措施和方法進行全面、系統(tǒng)的分析，針對工程項目中存在的各種問題有針對的解決，從而達到函數(shù)的一致性和非線性要求，且這些表達方式都是隱形的。目前的優(yōu)化設(shè)計方法主要包含有三種，首先是準則法、數(shù)學(xué)規(guī)劃法和仿生物學(xué)法。

2.2 斗輪機回轉(zhuǎn)平臺的有限元設(shè)計分析

回轉(zhuǎn)平臺是斗輪機的主要部件之一，是連接臂架、立柱和門座的橋梁，承受著上部俯仰機構(gòu)的重量和各種工況下堆取料工作過程中的載荷，其自身的結(jié)構(gòu)性能對整機的安全運行十分重要，為了保證斗輪機的正常工作，回轉(zhuǎn)平臺應(yīng)具有足夠的強度和剛度。

2.2.1 力學(xué)模型

回轉(zhuǎn)平臺在斗輪機工作過程中處于多種載荷工況的作用之下，載荷工況的變化主要受到上部立柱及相連前臂架的俯仰位置和堆取料狀態(tài)的影響，從而引起回轉(zhuǎn)平臺上兩處鉸支座的受力變化：一處為與支撐前臂架俯仰運動的油虹相連的前部鉸支座N，另一處為與上部立柱相連的中部鉸支座A。除這兩處鉸支座所受載荷之外，進行強度計算的載荷還包括無變化的配重重量、驅(qū)動電機重量及結(jié)構(gòu)自重由于驅(qū)動電機重量和繞回轉(zhuǎn)中心的力矩相對較小忽略不計。

2.2.2 有限元求解過程

有限單元法是一種適用性很強的數(shù)值方法它的基本思想是把一個連續(xù)的幾何結(jié)構(gòu)離散成具有規(guī)則形狀的有限個單元，并在每個單元中設(shè)定有限個節(jié)點，各相鄰單元之間通過節(jié)點相互連接；對于每個單元都用節(jié)點未知量通過插值函數(shù)來近似地表示單元內(nèi)部的多種物理量，并使其在單元內(nèi)部滿足該問題的控制方程；然后再將這些單元組裝成一個整體，并使他們滿足整個物體的邊界條件和連續(xù)條件，得到一組關(guān)于節(jié)點未知量的聯(lián)立方程，求解這個方程組得到單元組合體各節(jié)點的位移，進而求得各單元應(yīng)力。

2.2.3 模型簡化

在結(jié)構(gòu)有限元分析中，建立準確可靠的有限元模型是最為重要的一個步驟，它關(guān)系到計算結(jié)果的正確與否。特別是針對大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有限元計算，應(yīng)當(dāng)認真分析結(jié)構(gòu)特點，在此基礎(chǔ)上對結(jié)構(gòu)進行適當(dāng)?shù)暮喕环矫婵刂朴嬎阋?guī)模，另一方面使計算精度達到一個比較理想的效果回轉(zhuǎn)平臺的實際結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所受載荷也不斷變化，因此在建立計算模型時要作必要的簡化。為了能準確求出回轉(zhuǎn)平臺靜力學(xué)特性，同時克服有限元分析中建模過分簡化的缺點，在建模中，以回轉(zhuǎn)平臺實際結(jié)構(gòu)作為依據(jù)，適當(dāng)做出如下基本簡化：

（1）不考慮鋼板焊接應(yīng)力及裂縫形式的影響，各鋼板之間的焊接形式采用網(wǎng)格節(jié)點重合進行模擬。

（2）建立模型時，簡化主梁腹板和翼板、內(nèi)部筋板和其它加強筋板等零件上的一些倒角這些小的結(jié)構(gòu)對整體的強度、剛度影響都很小。

2.2.4 單元材料選取

本文采用ANSYS軟件對回轉(zhuǎn)平臺結(jié)構(gòu)進行有限元分析。由于該回轉(zhuǎn)平臺是用鋼板焊接而成，且構(gòu)件都是薄壁結(jié)構(gòu)，且為平直板，而SHELL63彈性殼單元具有薄膜和平板彎曲的描述功能，適用于同時受到薄膜載荷以及橫向載荷的薄板結(jié)構(gòu)，能夠考慮大偏移位移和應(yīng)力剛化的問題。因此在建模中，采用了殼單元SffiLL63模擬鋼板結(jié)構(gòu)。SHELL63單元的每個節(jié)點有X、y、z方向的3個位移自由度和三個轉(zhuǎn)動自由度（ROTX、ROTY、ROTZ），平面方向和法線方向的負載均可承受，該單元要求輸入的實常數(shù)為板的厚度，對構(gòu)件分配單元屬性時按實際板厚輸入即可，對參數(shù)化建模具有極大的便捷性。

結(jié)束語

總之，若要斗輪機能夠高效安全的工作，必須要確保其回轉(zhuǎn)平臺的結(jié)構(gòu)處于最佳狀態(tài)，這是因為回轉(zhuǎn)平臺的合理結(jié)構(gòu)決定著斗輪機的工作性能及整機的穩(wěn)定性。如果回轉(zhuǎn)平臺的結(jié)構(gòu)強度不夠或者剛度不足，就可能會導(dǎo)致斗輪機的取料性能大大降低，甚至?xí)a(chǎn)生疲勞斷裂，造成安全事故。因此必須要科學(xué)合理的對斗輪機回轉(zhuǎn)平臺結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

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