曹賀

摘 要：斗輪機(jī)作為一種大型裝卸設(shè)備，是由多個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組合而成，其中回轉(zhuǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)作為斗輪機(jī)的重要組成部分，在斗輪機(jī)堆料、取料、俯仰和回轉(zhuǎn)的過(guò)程中發(fā)揮了不可替代的重要作用?？梢哉f(shuō)，回轉(zhuǎn)平臺(tái)是斗輪機(jī)的核心結(jié)構(gòu)之一，在對(duì)斗輪機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的過(guò)程中，不能不考慮回轉(zhuǎn)平臺(tái)的優(yōu)化?，F(xiàn)本文就從回轉(zhuǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)為出發(fā)點(diǎn)，談?wù)劧份啓C(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，僅供參考。

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

目前隨著工業(yè)機(jī)械化水平的不斷提升，大型工業(yè)設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造行業(yè)得到快速發(fā)展，相關(guān)的理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)也越來(lái)越多。斗輪機(jī)就是其中一個(gè)常見(jiàn)的大型裝卸設(shè)備，目前對(duì)于斗輪機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究也有很多，每個(gè)研究的側(cè)重點(diǎn)都有所不同，這是因?yàn)槎份啓C(jī)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(tái)這一子結(jié)構(gòu)出發(fā)，談?wù)劧份啓C(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 斗輪機(jī)概述

斗輪機(jī)是當(dāng)今世界上最大的散貨料場(chǎng)專用設(shè)備，其同傳統(tǒng)間歇式工作裝載機(jī)械和其中機(jī)械相比有著運(yùn)行速度穩(wěn)定、能耗較低、生產(chǎn)效率高、設(shè)備布局簡(jiǎn)單、自動(dòng)化控制程度容易、投資省的工作特點(diǎn)，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(gè)部門(mén)的大型現(xiàn)代化散料儲(chǔ)運(yùn)工作中，實(shí)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(yùn)、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(duì)于斗輪機(jī)而言，它在運(yùn)行的過(guò)程中是通過(guò)裝料和卸料兩個(gè)不同的成分構(gòu)成的，其功能發(fā)揮也是通過(guò)這兩個(gè)環(huán)節(jié)共同配合產(chǎn)生的，是實(shí)現(xiàn)堆料、取料乃至運(yùn)輸無(wú)間斷作業(yè)的，基于這種原理，斗輪機(jī)在應(yīng)用中存在著生產(chǎn)效率高、自動(dòng)化程度好、設(shè)備布置簡(jiǎn)單、運(yùn)輸無(wú)間斷的工作目的，其在運(yùn)行的過(guò)程中是以斗轉(zhuǎn)輪機(jī)挖取物料、自動(dòng)卸料以及臂架回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為主的綜合性工作，臂架在完成之后每一次運(yùn)轉(zhuǎn)都是一個(gè)前進(jìn)且吃料的過(guò)程，之后臂架反向自轉(zhuǎn)來(lái)進(jìn)行卸料和取料。在料物對(duì)鞋的時(shí)候，將料場(chǎng)帶入到運(yùn)輸機(jī)當(dāng)匯總，通過(guò)前端的漏斗來(lái)卸貨，并將貨物運(yùn)輸?shù)竭\(yùn)輸設(shè)備上。

2 斗輪機(jī)回轉(zhuǎn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在工程設(shè)計(jì)中，使得工程性能達(dá)到最佳是整個(gè)設(shè)計(jì)的最終目的，是設(shè)計(jì)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(jìn)行分析，所謂的優(yōu)化設(shè)計(jì)是將原來(lái)的設(shè)計(jì)內(nèi)容、設(shè)計(jì)原理和函數(shù)進(jìn)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(dá)到性能最佳指標(biāo)要求。

2.1 斗輪機(jī)回轉(zhuǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

在斗輪機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，首先需要建立一個(gè)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(jìn)行全面、系統(tǒng)的分析，針對(duì)工程項(xiàng)目中存在的各種問(wèn)題有針對(duì)的解決，從而達(dá)到函數(shù)的一致性和非線性要求，且這些表達(dá)方式都是隱形的。目前的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法主要包含有三種，首先是準(zhǔn)則法、數(shù)學(xué)規(guī)劃法和仿生物學(xué)法。

2.2 斗輪機(jī)回轉(zhuǎn)平臺(tái)的有限元設(shè)計(jì)分析

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

2.2.1 力學(xué)模型

回轉(zhuǎn)平臺(tái)在斗輪機(jī)工作過(guò)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(tái)上兩處鉸支座的受力變化：一處為與支撐前臂架俯仰運(yùn)動(dòng)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(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算的載荷還包括無(wú)變化的配重重量、驅(qū)動(dòng)電機(jī)重量及結(jié)構(gòu)自重由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)重量和繞回轉(zhuǎn)中心的力矩相對(duì)較小忽略不計(jì)。

2.2.2 有限元求解過(guò)程

有限單元法是一種適用性很強(qiáng)的數(shù)值方法它的基本思想是把一個(gè)連續(xù)的幾何結(jié)構(gòu)離散成具有規(guī)則形狀的有限個(gè)單元，并在每個(gè)單元中設(shè)定有限個(gè)節(jié)點(diǎn)，各相鄰單元之間通過(guò)節(jié)點(diǎn)相互連接；對(duì)于每個(gè)單元都用節(jié)點(diǎn)未知量通過(guò)插值函數(shù)來(lái)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(wèn)題的控制方程；然后再將這些單元組裝成一個(gè)整體，并使他們滿足整個(gè)物體的邊界條件和連續(xù)條件，得到一組關(guān)于節(jié)點(diǎn)未知量的聯(lián)立方程，求解這個(gè)方程組得到單元組合體各節(jié)點(diǎn)的位移，進(jìn)而求得各單元應(yīng)力。

2.2.3 模型簡(jiǎn)化

在結(jié)構(gòu)有限元分析中，建立準(zhǔn)確可靠的有限元模型是最為重要的一個(gè)步驟，它關(guān)系到計(jì)算結(jié)果的正確與否。特別是針對(duì)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算，應(yīng)當(dāng)認(rèn)真分析結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，一方面控制計(jì)算規(guī)模，另一方面使計(jì)算精度達(dá)到一個(gè)比較理想的效果回轉(zhuǎn)平臺(tái)的實(shí)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(jì)算模型時(shí)要作必要的簡(jiǎn)化。為了能準(zhǔn)確求出回轉(zhuǎn)平臺(tái)靜力學(xué)特性，同時(shí)克服有限元分析中建模過(guò)分簡(jiǎn)化的缺點(diǎn)，在建模中，以回轉(zhuǎn)平臺(tái)實(shí)際結(jié)構(gòu)作為依據(jù)，適當(dāng)做出如下基本簡(jiǎn)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(diǎn)重合進(jìn)行模擬。

（2）建立模型時(shí)，簡(jiǎn)化主梁腹板和翼板、內(nèi)部筋板和其它加強(qiáng)筋板等零件上的一些倒角這些小的結(jié)構(gòu)對(duì)整體的強(qiáng)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(duì)回轉(zhuǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。由于該回轉(zhuǎn)平臺(tái)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(shí)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(wèn)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(gè)節(jié)點(diǎn)有X、y、z方向的3個(gè)位移自由度和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度（ROTX、ROTY、ROTZ），平面方向和法線方向的負(fù)載均可承受，該單元要求輸入的實(shí)常數(shù)為板的厚度，對(duì)構(gòu)件分配單元屬性時(shí)按實(shí)際板厚輸入即可，對(duì)參數(shù)化建模具有極大的便捷性。

結(jié)束語(yǔ)

總之，若要斗輪機(jī)能夠高效安全的工作，必須要確保其回轉(zhuǎn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)處于最佳狀態(tài)，這是因?yàn)榛剞D(zhuǎn)平臺(tái)的合理結(jié)構(gòu)決定著斗輪機(jī)的工作性能及整機(jī)的穩(wěn)定性。如果回轉(zhuǎn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠或者剛度不足，就可能會(huì)導(dǎo)致斗輪機(jī)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(duì)斗輪機(jī)回轉(zhuǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

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