陳立國 鄭東霞 肖禹 黃宇慧

中國電建集團(tuán)長春發(fā)電設(shè)備有限公司 吉林長春 130000

1 基于可靠性斗輪機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

1.1 斗輪機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理簡介

斗輪機(jī)的主要結(jié)構(gòu)有回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、斗輪機(jī)構(gòu)、行走臺車尾車、帶式輸送機(jī)以及俯仰結(jié)構(gòu)。斗輪機(jī)構(gòu)是用于取料的執(zhí)行結(jié)構(gòu)，由斗輪和斗輪的驅(qū)動裝置組成；俯仰結(jié)構(gòu)是斗輪機(jī)進(jìn)行工作的核心結(jié)構(gòu)，也是整個斗輪機(jī)中受力最復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，工作方式有取料和堆料兩種，在進(jìn)行取料工作時，物料由斗輪帶動進(jìn)入帶式輸送機(jī)，由帶式輸送機(jī)運(yùn)走，同時通過俯仰結(jié)構(gòu)的選擇和上下移動選擇取料位置，以便于將料堆取盡，而堆料過程與之相反，由輸送機(jī)將物料放在臂架的傳輸帶上，由傳輸帶送到斗輪處，拋灑在料場上，然后通過臂架的旋轉(zhuǎn)、俯仰保證料堆成梯形斷面分布。斗輪機(jī)是連續(xù)規(guī)律工作的，易實(shí)現(xiàn)自動化，在控制方式上分為手動、半自動以及自動三種，而俯仰結(jié)構(gòu)是斗輪機(jī)的核心結(jié)構(gòu)，它的靈活性是斗輪機(jī)工作效率的關(guān)鍵，所以對俯仰結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計是至關(guān)重要的，將它的重量作為一個優(yōu)化目標(biāo)，在滿足其它條件的情況下，重量越小越好，所以文章以斗輪機(jī)的俯仰結(jié)構(gòu)作為研究對象進(jìn)行可靠性優(yōu)化設(shè)計[1]。

1.2 斗輪機(jī)俯仰結(jié)構(gòu)可靠性優(yōu)化設(shè)計的理論分析

在傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計中，大多采用材料強(qiáng)度的許用應(yīng)力作為約束條件進(jìn)行設(shè)計，這樣的方法簡單易行，具有一定的參考價值，已被大多數(shù)的設(shè)計者采用，但卻忽略了參數(shù)的隨機(jī)性和離散性兩個最很重要的因素，所以設(shè)計的工業(yè)產(chǎn)品在進(jìn)行安全系數(shù)選擇時具有很強(qiáng)大的近似性和經(jīng)驗(yàn)性，不是符合客觀實(shí)際的最優(yōu)方案，也不能定量的反應(yīng)工程系統(tǒng)的可靠性，所以有必要引入機(jī)械可靠性設(shè)計對斗輪機(jī)俯仰機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。在機(jī)械設(shè)計中，為保證結(jié)構(gòu)的安全工作，通常將設(shè)計的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高于系統(tǒng)的工作壓力，但對于可靠性設(shè)計來說，由于結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度值與應(yīng)力值都具有很大的離散性，所以應(yīng)力強(qiáng)度仍然有可能高于結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，即結(jié)構(gòu)存在失效的可能性。因此，我們應(yīng)運(yùn)用現(xiàn)代機(jī)械可靠性設(shè)計的理論，在忽略設(shè)計參數(shù)的隨機(jī)性和離散型條件下，建立了基于可靠性的斗輪機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計模型，對斗輪機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，引入可靠性許用應(yīng)力的新概念。對于可靠性優(yōu)化設(shè)計來說，主要目的是研究將機(jī)械設(shè)計與機(jī)械可靠性設(shè)計進(jìn)行有機(jī)結(jié)合的可能性。綜合兩種機(jī)械設(shè)計理念，使設(shè)計在滿足定量可靠性的前提下，進(jìn)行機(jī)械設(shè)計不能定量的可靠性設(shè)計，用精確的理論設(shè)計取代傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)近似設(shè)計，使斗輪機(jī)在作業(yè)中能夠靈活俯仰以及選擇，對它的俯仰結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性的優(yōu)化設(shè)計，具有很大的經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)用價值[2]。

1.3 斗輪機(jī)可靠性優(yōu)化設(shè)計

在常規(guī)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計中，所建立的強(qiáng)度約束條件大多沿用傳統(tǒng)的安全系數(shù)概念，并給出一個安全程度不確定的許用應(yīng)力，這種方法雖簡便易行，已被廣泛采用，但忽略了兩個重要因素，即參數(shù)的隨機(jī)性和離散性，因而很難設(shè)計出符合客觀實(shí)際的最優(yōu)方案，而且安全系數(shù)的選擇帶有很強(qiáng)大的經(jīng)驗(yàn)性和近似性，不能定量地反映可靠程度，所以有必要引入機(jī)械可靠性設(shè)計。

為保證結(jié)構(gòu)安全正常工作，通常要求結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高于其工作應(yīng)力。但在可靠性理論中，由于結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度值與應(yīng)力值的離散性，使應(yīng)力強(qiáng)度兩個概率密度函數(shù)曲線在一定條件下可能相交，因而即使結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度高于其工作應(yīng)力，仍存在失效概率。因此對于現(xiàn)行優(yōu)化設(shè)計中的一些不足，使我們急需建立基于可靠性的斗輪機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型，不考慮設(shè)計參數(shù)的隨機(jī)性和離散性以及設(shè)計結(jié)果不能定量反映可靠度大小的不足之處，斗輪機(jī)的俯仰鋼結(jié)構(gòu)為優(yōu)化設(shè)計對象，運(yùn)用機(jī)械可靠性設(shè)計的基本理論，提出了一種簡便適用的新概念，即可靠性許用應(yīng)力，從而將可靠性設(shè)計巧妙地引入機(jī)械優(yōu)化設(shè)計中。

基于可靠性的斗輪機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的目的就是要探索將機(jī)械化設(shè)計與機(jī)械可靠性設(shè)計相結(jié)合的可行性。綜合兩種先進(jìn)的設(shè)計思想的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)單純機(jī)械化設(shè)計不能定量地反映產(chǎn)品可靠程度的不足，使設(shè)計在滿足定量可靠度的前提下達(dá)到最佳的優(yōu)化效果[3]。

2 俯仰鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

由于斗輪機(jī)俯仰鋼結(jié)構(gòu)既是斗輪機(jī)的關(guān)鍵受力部位，又是核心結(jié)構(gòu)件。要保證斗輪機(jī)安全可靠的運(yùn)行，則要求俯仰鋼結(jié)構(gòu)的最大工作應(yīng)力不得超過可靠性許用應(yīng)力。因此要對俯仰鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，在機(jī)械可靠性設(shè)計的基本理論當(dāng)中應(yīng)用公式進(jìn)行變差系數(shù)的計算。其中應(yīng)注意在機(jī)械可靠性設(shè)計中，不能再把參數(shù)看做定值，而要視為離散的隨機(jī)變量。這樣可使分析計算簡便，且計算結(jié)果與按設(shè)計變量間函數(shù)關(guān)系進(jìn)行計算的結(jié)果很接近。此外，用變差系數(shù)還可以部分地減輕對有關(guān)材料強(qiáng)度、作用負(fù)荷、結(jié)構(gòu)尺寸等統(tǒng)計特征數(shù)據(jù)的要求。取水平臂架和立柱截面尺寸以及前拉桿、平衡重拉桿和撐桿的截面積為設(shè)計變量；設(shè)立目標(biāo)函數(shù)，以俯仰鋼結(jié)構(gòu)的自重最輕、即鋼結(jié)構(gòu)的體積最小為目標(biāo)，表達(dá)式是各構(gòu)件截面積與其相應(yīng)長度的乘積；考慮設(shè)計優(yōu)化的約束條件，斗輪機(jī)的俯仰鋼結(jié)構(gòu)的邊界尺寸條件，為保證制造工藝和耐久性，防止銹蝕和變形，鋼板厚度一般要不小于6mm。

3 結(jié)語

首先對斗輪機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的描述，并論述了斗輪機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的必要性，然后通過與傳統(tǒng)設(shè)計方法對比，說明了可靠性優(yōu)化設(shè)計的理論和優(yōu)勢，最后對斗輪機(jī)俯仰機(jī)構(gòu)的可靠性優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵理論進(jìn)行了探討，并結(jié)合優(yōu)化結(jié)果與生產(chǎn)實(shí)際說明了這種優(yōu)化設(shè)計方法的意義，為斗輪機(jī)的生產(chǎn)者和使用者提供了有效的理論支持，也為同類型的工程機(jī)械進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計提供了一種有效的借鑒方案。