黄骅港翻车机转子结构受力分析

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摘要：黄骅港煤码头二期工程安装的两车两组三梁翻车机钢结构是由德国克虏伯公司设计并由大连重工集团制造，为了确保翻车机主体钢结构运行时的可靠性，利用ANSYS软件拟对该两车两组三梁翻车机的主体钢结构进行较精细的有限元静强度计算。首先，针对翻车机的结构特点与载荷特性，通过对翻车机实际结构和工作时受载情况进行详细分析，给出了翻车机合理的力学模型。由于该翻车机结构对称，取其结构的一半作为分析对象，应用ANSYS 软件建立模型，整个力学模型为三维板梁组合结构。由于该翻车机结构以及载荷工况极其复杂，在建模时作了大量的简化工作。利用ANSYS软件中的shell63单元进行有限元离散，然后，通过对翻车机实际结构和工作时受载情况进行分析，详细计算出三种工况（满载100吨、超载120吨及冻煤情况）作用下的不同倾翻角（0°至180°）的载荷并施加于模型约束进行有限元分析，给出了整体钢结构、端环、梁的上下表面以及主梁的位移和应力计算结果。最后，为了对所得计算结果进行分析，分别给出了三种工况（满载100吨、超载120吨、满载冻煤100吨）下的最大应力值和最大位移值的比较表格。根据分析结果得出，满载和超载工况下的最大应力均发生在倾翻角45度时；在满载冻煤工况下，最大应力发生在倾翻角180度时，但这些数值均远小于材料的许用应力值，表明结构是安全可靠的。并由位移表得出整体的位移值均较小，表明结构有足够的刚度。所分析的结果对于了解两车两组三梁翻车机钢结构的应力状况、变形特点以及改进设计等具有重要的参考价值。

关键词：翻车机 钢结构 有限元 静强度分析 转子

随着我国经济建设的迅速发展，港口运输的重要性在我国国民经济建设中越发的体现出来。翻车机作为运输装卸工具对提高港口运输工作效率，促进港口经济繁荣起着不可或缺的作用。翻车机主要用来翻卸铁路敞车装载的各种散状物料，是一种连续高效的散状物料卸载设备。它可以在短短几分钟内就可以将一节火车敞车甚至几节敞车的散装货物倾倒干净，特别是运煤码头的火车卸车作业现场。铁路车辆可以直接进入翻车机，整机带着车辆进行翻转卸车，卸车效率高，剩煤少，自动化程度高，占用的人工少，工人的劳动条件好。所有这些大大的提高了工作效率，因此翻车机具有很好的应用前景。目前翻车机已广泛应用到港口、钢铁电力化工等行业中。迄今为止翻车机卸车系统在中国已有半个多世纪的历史。在此期间，翻车机卸车系统在中国，在世界上有了很大的发展。它从单台翻车机作业线发展到双线两台或三台翻车机同时作业。从一次只能卸一辆车到一次卸两辆三辆车的翻车机大型化，以及现在的重载单元列车运输系统的列车不解体翻卸的翻车机卸车系统。在翻卸的过程中，车辆由放任自溜，到完全受控；翻车机由活动平台发展到固定平台；压车装置由压车机械连杆发展到分散独立的液压压车器。不仅翻车机的结构和技术性能不断提高，而且其附加功能也日益完善。总之，经过多年的发展，我国的翻车机卸车系统，无论在规模上，还是机械设备的性能及自动化的水平都有较大的提高。

目前的翻车机主要是转子式和侧倾式，这两种翻车机都是从车辆的侧向倾斜，但转子式翻车机是将定位于转子平台的车辆，就地回转翻卸。而侧倾式翻车机车辆翻转机构的中心位于车辆的侧上方，翻卸时，车辆在提升中翻转，然后将物料卸于另一侧的料斗中，而前者料斗位于翻车机转子的下方。侧倾式翻车机卸载点高，料斗大部位于地面之上，翻车机系统的地下基础较简单。而转子式翻车机由于翻卸速度较快，作业效率高，驱动功率较小，适用于大型化，故现代翻车机卸车系统的发展，主要是转子翻车机。转子式翻车机一般由两个O 型端环和载车平台，若干联系梁和各种支撑杆体构成笼形的翻车主体。这种O 型端环受力好，构件较轻，是通用的转子形式。但有些翻车机由于车辆推送系统的设计原因，定位车的推车臂需要穿越转子，因此将转子设计为C 型。翻车机上需要安装若干附加设施。如：加装车辆振车器，设置喷水装置，用于作业时撒水除尘；北方地区为解决冻车卸车附设的装置等。总之，我国的翻车机卸车系统已经有了很大的发展，但由于我国物流系统的条件或管理上欠规范等问题，例如我国车辆最大载重量60t，而美国车辆载重量100t，是我国车辆载货量的1.66 倍，而且国外通常的卸车系统所用翻车机，以双车翻车机和单车翻车机为多。因此与国外相比，虽然采用了国际先进的机械，在作业效率上却达不到国外的水平。

黄骅港翻车机钢结构是由德国克虏伯公司设计并由大连重工集团制造，为了确保翻车机主体钢结构运行时的可靠性，需要对该翻车机主体钢结构进行了较精细的有限元计算。翻车机翻车方式可分为三种：无车翻车、冻车翻车、重车翻车。无车翻转时翻车机内无车辆，只是翻转其自身钢结构，在设备维护时，可将翻车机翻转到最利于维修的角度，设备在安装或大修后最先调试的是无车阶段。冻车翻转是指煤质含水分较高且气温非常低时发生的情况，其产生概率非常低。如有冻车情况，一般配有加热器进行加热解冻。重车翻转时翻车机工作在正常状况下，装满物料的敞车在翻车机内定位后，翻车机翻转165°，待物料翻卸完毕后，将空车翻转返回原位，并保证翻车机平台轨道与地面轨道对齐，以便车皮能够顺利地进出翻车机。

本课题所研究的翻车机为两车两组三梁双驱动环结构。为了加固，在翻车机两个驱动大环外的端部还布置了两个连接三个梁的小环。整个系统由转子、托轮系统、旋转驱动系统、压车系统、靠车系统等组成。转子主体由一根主梁、两根侧梁、两个O形驱动大环和两个端部连接小环组成，驱动大端环支撑在底座两组滚轮上。由于结构及载荷的对称性，取一组翻车机的一半作为研究对象。为全面准确地评估结构工作时的受力状态，建模时充分考虑了细节，得到能够反映翻车机力学特性的力学模型，如图1-1所示。

本论文中，通过对翻车机实际结构和工作时受载情况进行详细分析，给出了翻车机合理的力学模型和有限元模型。利用有限元分析软件ANSYS，对翻车机在三种载荷（满载100吨、超载120吨及冻煤情况）作用下的不同倾翻角位置进行了分析计算。

1 翻车机转子有限元模型的建立

1.1 模型的简化

翻车机转子是采用板、梁等组合的箱型结构，翻车机端环、底梁及箱形梁等均由钢板焊接或高强度螺栓连接而成，内部包含许多人孔与筋板，结构比较复杂。为此在满足计算精度要求的前提下，对转子结构进行了如下简化。

1.1.1 在建模过程中忽略较小的工艺孔及筋板；

1.1.2 去除了端环导轨和端环齿圈，将其质量特性均匀的加到转盘的外圈；鉴于缓冲装置在进行静力学分析时作用不大，在此忽略；省略了压车机构和靠车机构上的振车器、逆止器等与主体应力分析无关的零部件，但将它们的质量分别添加到主体构件中。

1.1.3 由于转子结构、荷载及支撑条件是对称的，取翻车机的一半作为研究对象，这样可大大节省空间，提高计算速度。

对于以上进行的一系列简化，分析结果不可避免存在影响，但能够保证其误差在偏差允许范围内。

1.2 边界条件的确定

针对翻车机转子的结构特点即力学特性，施加的约束条件如下：

1.2.1端环托轮处简化为8个沿径向支撑的约束，切向及轴向自由。

1.2.2 驱动齿轮啮合处沿切向和径向约束。

1.2.3 大梁中部对称面处施加对称约束。

1.3 模型的网格划分

1.3.1 定义单元属性

在划分网格之前，必须定义单元属性，即设定单元类型、定义实常数、定义材料特性以及截面号等。其中选择有限元分析模型的单元类型尤其重要。应根据所分析问题结构特征，选择合理的单元类型，既要保证高的计算精度又要有较快的计算速度。

根据翻车机转子的结构特点，选用空间壳单元(shell63)对转子进行离散。shell63壳单元具有如下特性：

SHELL63壳单元 SHELL63单元为任意的四边形等参数单元，具有弯曲、面内刚度，允许使用面内载荷和法向载荷，每个节点有六个自由度，分别是x，y，z方向的平移和绕节点x，y，z轴的转动，并且包含了处理应力刚化和大变形功能。图1-2为SHELL63 单元的力学模型。

1.3.2 模型的网格划分

网格的划分主要用于定义研究对象边界元素的大小和数目，它将直接影响分析时的正确性和经济性。ANSYS 提供了四种网格划分方法：延伸划分、映射划分、自由划分和自适应划分。本文真对翻车机转子的特点，采用了映射划分与自由划分相结合的方法。自由划分适用于那些形状不规范的模型，其最大的优点是划分过程完全由计算机自主完成，简便快捷，但划分过程不可控制，容易产生尖角等错误；而自由划分可以人为控制划分过程，划分过程相对复杂，一般精度较高，错误较少。本文中的模型以映射划分为主，但有些面积小又不规则的面，采用自由划分方式划分。整个模型共119902个单元，115439个节点。

1.3.3 定义材料的属性

该翻车机使用的钢板材质为碳素钢Q345D，其弹性模量为207GPa，泊松比为0.27，密度为7850kg/m3，屈服应力为235MPa，许用应力可取为160MPa。

1.4 翻车机载荷的施加与求解

1.4.1 翻车机转子载荷工况的选择

翻车机为低速重载设备，结构在翻卸过程中，受力大且复杂。在本课题中，考虑了如下载荷：煤重、车厢自重、结构自重、压车力、靠车力、附件重等。通过对翻车机运动的仿真分析，得出压车机构、靠车机构以及底梁的一系列载荷时间历程对翻车机在三种载荷（满载100吨、超载120吨及冻煤情况）作用下的不同倾翻角所对应的载荷进行应力分析。

1.4.2 翻车机施加载荷的计算

C80车厢重18.3吨，满载100吨时，煤重81.7吨，超载120吨时，煤重101.7吨，考虑车厢反转时惯性的影响，煤的安息角取为60°。煤及车厢的重量通过车轮（单节车厢8个轮）及倾翻侧侧梁的液压缸部位，分别施加于主梁和侧梁的相应节点或面上，另外，当倾翻角大于90°时，对主梁底面的支架也有作用力。随着翻车机倾翻角度不同，车厢内煤的重量不同，对于计算的几种工况，倾翻30°、45°、60°时无煤从车厢内卸出，当倾翻70°、80°、90°、100°、110°、120°、135°时有部分煤卸出，倾翻到150°时煤全部卸出。

大梁、侧梁、驱动大端环及上面的齿条和导轨、小端环、配重等的自重，在Ansys建模时给出材料的密度和重力加速度，程序会自动将重力计算出来并按静力等效的原则等效到有限元模型的节点上。

1.4.3 各种附加载荷的计算

1.4.3.1 驱动端环附件载荷计算

①端环导轨：端环导轨重量3.66t，均布在端环相应截面沿外圈270度范围内；

②缓冲器：缓冲器自重0.731t，配重3t，均布在端环相应截面2190 mm弧长范围内；

③端环外侧齿圈：齿圈重量4.395t，均布在端环相应截面外圈196度范围内；

④端环配重：驱动端环下部2个环扇形配重，小环扇形重3.655t，大环扇形重4.569t。

1.4.3.2 大梁及侧梁附件载荷计算

①压车梁单重0.9t，压车梁处油缸单重0.6t，施加于侧梁和支架底部；

②倾翻侧靠车板与震车器总重11.502t，施加于侧梁和支架底部；

③非倾翻侧震车器单重0.2t，施加于侧梁及圆管处。

2 有限元计算结果及其分析

有限元的计算结果：

本部分针对翻车机三种载荷（满载100吨、超载120吨及冻煤情况）下的不同倾翻角，以云图的方式给出了位移和应力计算结果。

由表2-1可见，满载和超载工况下最大应力均发生在倾翻角45度时，分别为63.969MPa和69.5MPa，其次为60度时；在满载冻煤工况下最大应力发生在倾翻角180度时，其值为96.94MPa，而在150度时，也有较大的应力值，但这些数值均远小于材料的许用应力值，表明结构是安全可靠的。再由表2-2可见，整体的位移值均较小，表明结构有足够的刚度。

可以看出，三种工况下的最大应力均发生在倾翻角为0度时，而在倾翻角达到100度时，应力均减小为最小值，且数值相等。当倾翻角为90度时，满载和超载工况下的应力值达最大，而对于冻煤情况，当倾翻角为120度时，应力值达最大。当倾翻角为60度时，满载和冻煤工况下的应力值达最大，而对于超载情况，当倾翻角为45度时，应力值达最大。应指出，三梁翻车机属内部高度超静定结构，制造和安装会带来一定的残余应力和装配应力，可能会导致局部的疲劳开裂。以上所得结果，对于了解结构的应力状况、变形特点以及改进设计等具有重要的参考价值。

本文以黄骅港煤码头二期工程安装的两车两组三梁翻车机钢结构为对象，通过对翻车机实际结构和工作时受载情况进行详细分析，给出了翻车机合理的力学模型和有限元模型。利用有限元分析软件ANSYS，对翻车机在三种载荷（满载100吨、超载120吨及冻煤情况）作用下的不同倾翻角位置进行了分析计算。找出了翻车机的主要部件的最大受力位置。并找到了翻车机转子在工作过程中的最大应力点和最大位移点。通过计算的结果为了解两车两组翻车机设备使用过程中的变形及受力状况提供准确的数据，确保设备安全运行。

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作者简介：

汪大春（1979年-），工程师，2001年毕业于上海海事大学机械设计专业，硕士学位，现任职于神华黄骅港务公司，主要从事港口取、装设备的管理与维修工作。