臂式斗輪機固定交叉尾車金屬結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

林楠，黃宇慧，馬超，張洪志，王志成

（中國電建集團長春發(fā)電設(shè)備有限公司，長春 130033）

0 引言

我國是工業(yè)大國，自20世紀(jì)90年代起，我國經(jīng)濟迅猛發(fā)展，為全球社會進步做出突出貢獻。目前國內(nèi)能源產(chǎn)業(yè)普遍存在產(chǎn)能過剩問題，在此大環(huán)境下，能源配套設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)風(fēng)險不斷加劇，導(dǎo)致國內(nèi)臂式斗輪堆取料機（以下簡稱斗輪機）市場競爭異常激烈。斗輪機作為應(yīng)用最為廣泛的一種大型、連續(xù)、高效的散狀、粒狀物料堆取作業(yè)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于火力發(fā)電廠、港口、焦化、冶金、礦山等行業(yè)。提能降耗成為當(dāng)下廣大斗輪機廠家能夠生存及可持續(xù)發(fā)展必須面對及解決的新課題。作為斗輪機重要組成部件之一的固定交叉尾車，其對斗輪機整機成本的影響更是不可小覷?，F(xiàn)有斗輪機固定交叉尾車自重很大，可優(yōu)化空間明顯。若對其進行優(yōu)化、降低成本，對降低斗輪機整機經(jīng)濟指標(biāo)貢獻巨大。因此本文提出了在滿足設(shè)備剛度、強度的前提下優(yōu)化交叉尾車金屬結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)件截面尺寸的方法，以實現(xiàn)降低成本的目標(biāo)，以期為同業(yè)廠家進行斗輪機尾車設(shè)計及改造開闊思路提供參考。

1 固定交叉尾車結(jié)構(gòu)形式分析

固定交叉尾車是目前斗輪機常用的尾車形式之一，其主要由單輪從動臺車組、金屬結(jié)構(gòu)、頭部落煤斗、連桿裝配、機上尾車膠帶機、回程壓輥裝置及尾部溜料導(dǎo)料裝置等部件組成。其中金屬結(jié)構(gòu)是尾車承載的構(gòu)架和載體，其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，主要由主梁、斜梁、底梁、前支腿、后支腿、主梁上部斜拉、后部支撐等結(jié)構(gòu)件組成。其中，底梁主承載構(gòu)件為焊接組合工字梁結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)形式被目前大型起重運輸機械設(shè)備、建筑鋼構(gòu)、高鐵橋梁等廣泛采用，具有結(jié)構(gòu)簡單美觀、經(jīng)濟、斷面焊接性能好和良好的力學(xué)性能，日益成為鋼結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)架形式。焊接組合工字梁由翼緣板和腹板焊接組對而成。該結(jié)構(gòu)型式亦是斗輪機尾車的主導(dǎo)形式，得到了廣泛應(yīng)用。底梁梁上布置眾多部件，主要包括電氣室、灑水裝置、動力控制電纜卷筒等（如圖2）。

圖1 尾車金屬結(jié)構(gòu)

圖2 底梁承載機構(gòu)件

圖3 工字梁截面

固定交叉尾車為主機設(shè)備與輸煤系統(tǒng)的連接部件。工作原理為：其功能是堆料，堆料時沿系統(tǒng)膠帶從前臂方向的來料進入進料尾車，經(jīng)轉(zhuǎn)運料斗落入機上尾車膠帶機，尾車膠帶機將物料送至頭部落煤斗后落入中部料斗，轉(zhuǎn)運至懸臂膠帶機，經(jīng)懸臂膠帶機將物料拋入料場。

2 固定交叉尾車優(yōu)化方案探討

2.1 優(yōu)化方案的提出

斗輪機固定交叉尾車廠外采購件和機械加工件所占比例甚少，金屬結(jié)構(gòu)占自重的比例超過80%，因此該尾車作為已經(jīng)成熟應(yīng)用的成型產(chǎn)品，加之市場競爭的不斷加劇，從外購件和機加件角度降低成本收效甚微。因此如何通過結(jié)構(gòu)件得優(yōu)化減輕質(zhì)量，降低成本顯得尤為重要。且由于金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量在整個成本中所占比例很大，因此在滿足設(shè)備正常使用的前提下，通過設(shè)計優(yōu)化，減輕設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量，可以達到節(jié)約成本的目的。

2.2 優(yōu)化方案受靜載荷簡支梁計算校核

2.2.1 優(yōu)化前底梁

以某設(shè)計項目為例，參數(shù)如表1、表2所示。

表1 優(yōu)化前按常規(guī)選取底梁的主要參數(shù)

表2 優(yōu)化前底梁力學(xué)參數(shù)

2.2.2 優(yōu)化方案可行性探討

通過以上分析可知，對斗輪機固定交叉尾車金屬結(jié)構(gòu)底梁進行設(shè)計優(yōu)化，對底梁中主承載工字梁截面尺寸進行合理配比是優(yōu)化工作的關(guān)鍵，對于該工字梁優(yōu)化的前提是保證優(yōu)化后工字梁的強度、剛度、穩(wěn)定性必須滿足使用要求。在此前提下確定最經(jīng)濟優(yōu)化方案。

對于以承載靜載荷為主的工字梁結(jié)構(gòu)，其力學(xué)主參數(shù)為強度校核，因此采用許用強度選擇最優(yōu)梁截面法是主推方法。具體為通過強度計算來確定優(yōu)化后梁的高度。優(yōu)化后對該梁高進行強度、剛度等校核。

下面按強度計算梁高。由

得

已知工字梁的慣性矩：

從而得到

將Ay代入式（3）后，將I代入式（2）得梁高：

式中：M為梁的最大彎矩；W為梁的截面抗彎模量；Ay為翼緣板截面積；δ為腹板厚度，初選腹板厚度為10 mm；［σ］為鋼材許用應(yīng)力。

代入該項目參數(shù)，通過計算可得：

初算梁高度709.5 mm。

2.2.3 優(yōu)化基本數(shù)據(jù)

已知初選數(shù)據(jù)：梁高（為便于制作及序列化生產(chǎn)取整后）H=750 mm；翼緣板寬度B=250 mm；腹板厚δ=8 mm；翼緣板厚度b=10 mm。

經(jīng)計算，電氣室彎矩P·a·b/L=329 000 N·m；卷筒彎矩P·a·b/L=51 420 N·m；梁自重彎矩q·L2/8=46 458 N·m。

上述計算中，電氣室、卷筒彎矩，按集中載荷公式求解，梁自重彎矩按照均布載荷公式求解。載荷相關(guān)數(shù)據(jù)同表1。a值為梁長左至右軸向受彎最大點處，b值為梁長右至左軸向受彎最大點處，上式中數(shù)據(jù)均不同，僅作為彎矩計算中次要數(shù)據(jù)，本文中不做詳細介紹。

通過計算及彎矩圖分析得出，疊加最大彎矩在電氣室處。最大彎矩數(shù)值MMAX=386657 N·m。

2.2.4 強度計算

該底梁為焊接組合工字梁，橫截面上同時存在彎矩和剪力兩種內(nèi)力，與此相應(yīng)的截面上的任一點處有正應(yīng)力σ和剪應(yīng)力τ。且正應(yīng)力σ只與彎矩M有關(guān)，剪應(yīng)力τ只與剪力Q有關(guān)。

2.2.4.1 對正應(yīng)力校核

已知公式：

式中：IX為慣性矩，B為翼緣板寬度，WX為抗彎模量，H為梁高，MMAX為最大彎矩，b為受壓面寬，σMAX為最大正應(yīng)力，h為腹板高。

2.2.4.2 對剪應(yīng)力校核

已知公式：

式中：τmax為剪應(yīng)力，Q為橫截面上的剪力，H為梁高，δ為腹板厚度。

通過計算得到，τmax=Q/（H·δ）=51.55 MPa。

2.2.4.3 復(fù)合應(yīng)力校核

已知公式：

代入數(shù)值后，得σ合=169 MPa。

2.2.4.4 強度驗證

查機械設(shè)計手冊（GB 3811—2008）得出，尾車鋼結(jié)構(gòu)底梁采用的Q235-A的許用應(yīng)力極限值[σ] =175.3 MPa；

優(yōu)化后，梁受最大正應(yīng)力169 MPa小于許用應(yīng)力175.3 MPa，由上述計算得出，底梁各處的應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力，尾車的變形也小于其許用變形量。由此得出，該尾車底梁的強度、剛度均滿足規(guī)范的要求。再經(jīng)其他方向計算優(yōu)化，既減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，又使得應(yīng)力分布趨于合理，而底梁的應(yīng)力也不會很大，滿足設(shè)備正常運行的狀態(tài)，使底梁擺放元件更加合理。

尾車底梁為矩形雙梁結(jié)構(gòu)形式，分為A、B梁。電氣室橫跨A、B梁，上述計算出的復(fù)合應(yīng)力值為單梁最不利情況下，實際為雙梁平分彎矩、剪力，所以比上述計算值還要小。水源裝置在B梁，其彎矩遠小于A梁所受彎矩，最大復(fù)合應(yīng)力值相對也較小，本文中不做詳細介紹。

通過上述計算結(jié)論及元件擺放使其更加合理，A梁與B梁滿足使用條件。

2.2.5 剛度計算

剛度計算是指工字梁在受外力作用下的材料構(gòu)件或結(jié)構(gòu)件抵抗變形的能力。剛度與物體的材料形狀、幾何形狀、邊界支撐情況，以及外力作用下的形式有關(guān)。該工字梁屬于靜載荷下抵抗變形，即為靜剛度。梁的靜剛度驗算為梁的撓度驗算。

2.2.5.1 撓度計算

已知公式：

式中：I為慣性矩，B為翼緣板寬度，E為抗彎模量，H為梁高，L為梁長，b為受壓面寬，Q為梁受最大彎矩，h為腹板高，fmax為最大撓度。慣性矩I=（BH3-bh3）/12= 1 008 722 500 mm4?？箯澞Ａ浚篍=（2·I）/H= 2 689 926.667 mm3。通過計算，得知：fmax=5QL3/（384EI） =11.75 mm。

2.2.5.2 剛度驗證

查機械設(shè)計手冊得出，梁的許用垂直靜撓度為

優(yōu)化后梁的撓度11.75 mm小于梁的許用垂直靜撓度24.67 mm，符合手冊標(biāo)準(zhǔn)。

所以，梁的剛度滿足使用條件。

2.2.6 優(yōu)化計算后可行性結(jié)論通過對強度、剛度的計算得知，將梁高優(yōu)化為750 mm,完全滿足使用要求。2.2.7 生產(chǎn)工藝要求

為了保證鋼結(jié)構(gòu)加工制作的質(zhì)量，明確其相關(guān)的技術(shù)工藝，是非常重要的一項內(nèi)容，需要對鋼結(jié)構(gòu)進行強度、硬度、變形等方面進行檢測，避免在加工制作的過程中產(chǎn)生問題，影響加工制作質(zhì)量，以下就具體內(nèi)容展開分析。

2.2.7.1 加工前準(zhǔn)備

在鋼結(jié)構(gòu)加工制作前，主要對加工方案進行審核，審核通過后開展技術(shù)交底工作，明確加工過程中的重點和難點及可能產(chǎn)生的問題，根據(jù)實際情況進行分析，對復(fù)雜的結(jié)構(gòu)加工制作進行調(diào)整，確保加工制作的準(zhǔn)確性。

2.2.7.2 撓度控制

撓度是指梁、桁架等受彎構(gòu)件載荷作用下的最大形變，通常指豎直方向y軸的變形量?？刂茡隙刃巫兾灰?，是將工字梁進行預(yù)拱處理，根據(jù)機械設(shè)計手冊要求，在該工字梁生產(chǎn)時按照千分之一預(yù)起拱，起拱值為18.5 mm，取整值為20 mm。

2.2.7.3 焊接要求

優(yōu)化后，該工字梁正應(yīng)力增大，所以在焊接工藝處理上，更應(yīng)該引起重視。由于該工字梁翼緣板與腹板厚度均在12 mm以下，不宜采用坡口焊接，而采用更加合理的雙邊角焊縫，焊高為相連件較薄者厚度，并選用Ⅱ類焊縫進行焊接。

2.2.7.4 局部加強

工字梁中加筋板后，使得鋼結(jié)構(gòu)梁中節(jié)點的整體剛度大大提高，在受到剪切力作用時減少節(jié)點因彎矩導(dǎo)致的形變，從而大大增加節(jié)點的承載力。優(yōu)化后，底梁正應(yīng)力增大，所以在受均布載荷及集中載荷相應(yīng)節(jié)點位置處，應(yīng)加筋板，使翼緣板和腹板相連接，形成小工字梁，使得節(jié)點處的整體剛度、承彎能力得到提高。

2.2.7.5 解體處處理

考慮到結(jié)構(gòu)發(fā)運問題，對解體處進行特殊處理，采用高強螺栓連接，并在解體位置的兩側(cè)加連接板，通過計算確定連接板的大小和螺栓數(shù)量，已滿足使用要求。

2.2.8 安裝要求

尾車現(xiàn)場安裝時需要注意，設(shè)備在安裝過程的吊裝以及支撐等方面需要嚴(yán)格把關(guān)，避免在安裝過程中鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生形變等影響設(shè)備使用性能，需要保證水平方向的直線度5 mm，上下面的平面度10 mm，尾車的主梁相連接的兩部分的對稱度為10 mm，中心偏移為5 mm。

3 結(jié)論

尾車是斗輪機的重要結(jié)構(gòu)件，其在堆料、取料作業(yè)過程中均起著重要的作用，其自身結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，質(zhì)量占斗輪機總質(zhì)量的30%左右，其中底梁質(zhì)量相對較大，所以，通過計算校核，優(yōu)化自重，降低成本是十分必要，通過計算校核，優(yōu)化后的尾車底梁的變形及應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，使其更加合理。通過可行性分析、元件合理布局、生產(chǎn)工藝改進等措施，優(yōu)化后尾車完全符合使用條件。目前，已逐步應(yīng)用到斗輪機固定交叉尾車金屬結(jié)構(gòu)使用中，并取得了很好的使用效果。

經(jīng)成本核實后，每臺斗輪機尾車底梁（A、B）優(yōu)化后，總質(zhì)量約降低5 t。另外，由于尾車自重減輕，各個工況下單輪從動臺車組的輪壓也大大降低，通過計算后，理論上可將原有8組從動臺車組改為4組，成本還會有所降低。