顶堆侧取式堆取料机机理分析与设计
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【摘要】顶堆侧取式堆取料机是一种新型的取料设备，采用先进的锥壳法定点堆料和分区分层侧式刮板取料的工艺，具有取料回转直径大、占地面积小、储量大、环保性能好等特点。堆取料机的技术参数是设计顶堆侧取式堆取料机的主要依据，对堆取料机结构的分析及受力的计算，是设计、制造和安装的重要理论支持。
中图分类号：S611文献标识码： A 文章编号：
一．前言
对顶堆侧取式堆取料机中的机构及工作状态进行了系统的分析研究，设备的钢架结构主要采用型钢及钢板焊接方式组成，通过堆取料机主要技术参数和载荷分析，建立堆料悬臂钢梁的力学模型进行有限元数值的分析模拟，对应力云图、自振频率等的分析计算，其计算结果针对悬臂钢梁钢结构的受力分布和位移进行分析，获得的技术参数是研制顶堆侧取式堆取料机的主要依据，从而确定悬臂钢梁钢结构的应力的分布。
二．堆取料机的结构分析
堆取料机的中心是由固定的中心支柱及支柱的上下两个旋转台组成，中心支柱采用H型钢结构，中间采用角钢连接，形成一体的钢结构。上部由一套回转支承与拉杆组成栈桥，尽可能增加拉杆的角度，减少拉杆对悬臂钢梁产生的附加压力，螺旋拉紧机构分别与上回转平台和悬臂钢梁固定。
堆取料机的下部分机构由下回转平台、梁架、压杆组成堆取料机悬臂钢梁，悬臂钢梁采用的是桁架式钢结构，结构采用各种圆形、方形、H 型钢材焊接方式组成，悬臂钢梁的一端与中心支柱铰接另一端通过拉杆与上回转平台和下回转台铰接，形成一个三点静定的一体的钢结构。配重箱在中心支柱的另一侧同样用拉杆与上、下回转平台铰接，同样形成一个三点静定的一体的钢结构，两个三点静定结构形成一个整体的三点静定的一体的钢结构。在堆取料机悬臂钢梁上装有悬臂胶带机，如图 1 所示.
图1 堆取料机结构布置示意图
三．堆取料机的计算用载荷和主要参数
1.计算用载荷有：悬臂钢梁的自身重量；在悬臂钢梁上安装的胶带运输机的重量；走台钢板等结构的重量；其他辅助设备的重量（如侧挡料板、头罩等）。
2.主要参数有：臂长、带宽、带速、物料密度、安息角等。走台重量、胶带张力、头部改向滚筒、拉紧装置等，通过支腿均布在悬臂钢梁和回转平台上，集中载荷作用在支腿的相应位置上，回转惯性力由产生的回转速度和加速确定。
四．悬臂钢梁的力学模型
悬臂钢梁的钢结构是由多种型钢加工而成的钢梁结构，分析悬臂钢梁的静力情况，根据结构特点和受力，将受力及弯矩作用按 X、Y、Z 三维方向，有限元分析可以简化成空间支架，支架中的各杆件都等同于三维弹性梁单元（BEAM189），和三维杆单元（LINK180）。通过对这两种三维弹性单元的特性分析，可以了解悬臂钢梁的应力分布和位移分布情况。
1．三维弹性梁及弹性杆单元
选择三维弹性梁单元（BEAM189）为单轴单元模型检测，主要检测单元的拉伸、压缩、扭转和弯曲功能。在被检测的单元上具有 6 个自由度，即沿 X、Y、Z 轴向的位移和绕 X、Y、Z 轴的转动。该单元检测 I、J、K 三个定向节点。三维弹性杆单元（LINK180）是轴方位移单元模型检测，检测单元的 I、J2 个，检测节点上具有 3个沿轴向移动的自由度，即沿 X、Y、Z 轴方向的位移。在选择三维弹性梁单元（BEAM189）和三维弹性杆单元（LINK180）进行桁架钢结构分析时需要检测的内容。
所检测的模型中的节点遵循的机理是：模型单元的节点为悬臂钢梁的节点；悬臂钢梁的承力点为模型单元的承力点；通过描述节点载荷方向、节点坐标位移等有关数据，使用右手系三维立体坐标系建立单元整体模型。
堆取料机悬臂钢梁结构的一端用弦杆采用螺栓联接，悬臂钢梁结构的另一端是采用吊点式的联接方式。按有限元分析悬臂钢梁与支撑联接点的约束分别为X、Y、Z三个方向，其三个方向的线位移为0，并且与X、Y二个方向间的角位移也为0。另一吊杆与上回转平台铰接处X、Y、Z三个方向的线位移为0。
2．悬臂钢梁的检测
检测主要针对悬臂钢梁的应力分布和位移变化情况，确保悬臂钢梁各杆件的应力值是和位移量在许可范围之内，由于一般杆件的使用应力不大于 120MPa（材质为 Q235），最大变形量不超过1/300，在保证上述要求的同时需要降低悬臂钢梁重量，以保证配重量较小。根据计算得到堆料悬臂钢梁总体和堆料悬臂钢梁左端、中间、右端的应力云图，如图2所示。
根据检测计算的结果得到最大位移量为 142mm，最大应力值为122MPa。根据《机械工程手册》给定的最大允许应力和移量，证明方案设计合理。
图2 堆料悬臂钢梁总体及各部位应力云图
五． 整体力学模型的建立与计算以及悬臂钢梁自振频率分析
1. 整体力学模型的建立与计算
堆取料机的结构决定了悬臂钢梁应与整体进行分析的方法，只对悬臂钢梁作有限元分析不能满足整机的需要。将拉杆、配重臂、配重箱及回转平台等统一进行建模，回转平台和悬臂钢梁上的胶带运输机、胶带上的物料、走台等重量，均布的作用在悬臂钢梁和回转平台上，堆取料机工作时的胶带张力、头部滚筒回转惯性力、拉紧装置的载荷等作用力都集中作用在测试点上建立力学模型，在悬臂钢梁另一端的配重装置与漏斗、溜槽等按集中质量单元进行测试计算。堆取料机的整体约束来源于堆取料机底部回转机构的支承，配重箱及拉杆视为外部集中载荷。此时的中心立柱、悬臂钢梁、回转平台分别由钢材焊接为一体，回转平台的测试按板壳单元（SHELL63）进行建模计算，板壳单元的测试反映出回转平台较复杂的受力状态，三维弹性壳薄单元（SHELL63）测试还适合于离散类薄板的计算，弹性壳薄单元检测 I、J、K、L 四个节点，每个单元检测 6 个自由度，即沿 X、Y、Z 轴方向的位移和绕 X、Y、Z 轴的
旋转。
由于回转平台结构长度方向的尺寸较小，选择的连接杆采用 Q235 材质允许最大应力不大于 20MPa，受力后的位移可以忽略不计。根据回转平台测试节点的应力值大小计算及调整配重量。根据检测计算获得的堆取料机上、下部回转平台的应力云图，如图3所示。
图3 堆取料机上、下部回转平台的应力云图
2.悬臂钢梁自振频率分析
在进行悬臂钢梁模态分析时，采用的是静态有限元模型分析，得到的是静力梁构成的线单元模型。在进行模态分析时，载荷作为约束力与静力分析相同，视为静力梁构成的线单元模型模型的密度反映模型的质量。悬臂钢梁模态测试计算得到的 4 阶固有频率值，如表1所示。
表1 悬臂钢梁 4 阶的固有频率值（Hz）
根据悬臂钢梁前 4 阶振型图，已经清楚的显示悬臂钢梁各阶的位移情况，第1 阶振型图显示悬臂钢梁的振动是左右方向的位移；第 2 阶振型图显示的是在拉杆伸缩变形的作用下，悬臂钢梁在垂直方向的位移；第3 阶振型图显示在弯曲力的作用下，悬臂钢梁的弯曲位移；第 4 阶振型图显示在扭转力的作用下，悬臂钢梁的左右摆动和扭转位移。
一般悬臂钢梁上选择的胶带运输的速度4m/s，托辊直径159mm，转速8rad/s，即由托辊产生的振动频率为0.125Hz，滚筒直径为800m，即由滚筒产生的振动频率为0.628Hz，两个振动频率不同即不会产生共振；悬臂钢梁另一端的驱动滚筒与增面滚筒的直径分别为1000mm 和 500mm，则产生的振动频率分别为0.785Hz和0.393Hz，同样也不能与托辊和滚筒产生的振动频率产生共振。
六．结束语
通过对顶堆侧取式堆取料机堆取料机结构分析及受力测试计算，用于确定设计结构或机器部件的振动特性（固有频率和振型），是承受动态载荷结构设计中的重要参数，确定了堆取料悬臂钢梁、两层回转平台及整体钢结构的设计方案，为合理设计、顺利制造、可靠运行，并性能达到国内领先水平提供了有力保证。
参考文献：
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