李琳琳-已发表-配重臂的优化设计与有限元分析

排土机配重臂的优化设计与有限元分析许波1李琳琳1卢寿福2关玉明1（1河北工业大学天津300130；2天津福臻工业装备有限公司）摘要：排土机作为一种高效率连续作业的大型装卸设备，被广泛用于港口和大中型火力发电厂以及采挖矿物等的散装物料运送、储存作业。配重臂是维持排土机重心稳定的重要部分。目前配重臂的配重块均为固定式，在排土机空载和满载工况时不能同时达到最佳平衡，导致排土机工作时存在安全隐患。论文将固定式配重块改为滑动式配重块，通过在不同工况下调整配重块的位置，使排土机达到整机平衡。并利用ansys对排土机在不加配重块、加上固定式配重块和加上滑动式配重块时三种条件下空载和满载工况时的重心偏移量进行了仿真分析。结果表明滑动式配重块相较于固定式配重块极大地提高了排土机不同工况下的稳定性。关键词：排土机；配重臂；ansys；塔架；重心；偏移量中图分类号：TP273文献标识码：ATheoptimizationdesignandfiniteelementanalysisofCounterweightboomXUBo1LiLin-lin1LuShou-fu2GuanYu-ming1（1.HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300130;2.TianjinAssetIndustrialEquipmentCo.,Ltd.）Abstract:Spreaderasahigh-efficiencycontinuousoperationoflarge-scalehandlingequipment,iswidelyusedintheportandmedium-sizedthermalpowerplantandtheexcavationofmineralsforbulkmaterialstransport,storageoperations.Counterweightboomisanimportantpartofmaintainingthestabilityofthespreader’scenterofgravity.Atpresent,counterweightblockisfixedinthecounterweightboom,andcannotatthesametimeachievethebestbalanceintheno-loadandfullloadconditions,leadingtosecurityriskswhenspreaderwork.Intheessay,slidingcounterweightblockwillinsteadthefixedcounterweightblock,byadjustingthepositionofcounterweightblockindifferentconditiontoreachthewholebalanceofspreader.Inthefollowingthreecondition,withoutcounterweightblock,plusafixedcounterweightblockandplusaslidingcounterweightblock,simulationanalysisofspreader’offsetofthecenterofgravityuseANSYSundertheno-loadandfullloadconditions.Theresultsshowthattheslidingcounterweightcangreatlyimprovethespreader’stabilityofthedifferentworkingconditionscomparedtofixedcounterweightblocks.Keyword:spreader;Counterweightboom;ANSYS;slewdeckpylon;centerofgravity;offset1引言目前在港口、大中型火力发电厂和冶金、焦化等需要运送散装物料，特别是在采挖矿物时需要将地表土和矿石运送到远处，然后储存。排土机作为一种高效率连续作业的大型装卸设备被广泛应用。大型履带式排土机是在露天矿开采或土石方工程作业中将带式输送机系统运送过来的表土或剥离物排放于排土场的主要设备，用于排弃大型露天矿开采过程中剥离的表层浮土或在大型土石方工程中运送土石方。排土机极大地促进了散料输送工业的发展，有着广泛的发展前景和应用市场。配重臂是排土机能够平稳工作的重要组成部分，其作用是调节排土机的重心偏移量。目前排土机的配重块均采用固定式结构。但是，排土机在空载和满载工况时其重心偏移量不同，因此仅仅通过固定式配重块调节重心是远远不够的。论文在对排土机进行研究的基础上，对配重臂进行了优化设计，采用滑动式配重块，使其在排土机处于空载和满载工况时，配重块滑到相应的位置调节重心偏移量，从而使排土机可以较平稳地工作。2排土机配重臂结构排土机主要由履带行走机构、受料臂、配重臂、塔架、回转机构、底座和排料臂等机构组成。如图1所示。图1排土机二维图1履带行走机构，2受料臂，3配重臂，4塔架，5排料臂，6回转机构，7底座如图所示，中心塔架左端连接配重臂，右端连接排料臂；受料臂一端连接在配重臂的下端，另一端通过行走机构支撑在地面上。为保证排土机整机的平衡，传统上在配重臂的左端加装固定式配重块，以保证其工作平稳性。但是排土机在空载和满载两种工况时重心位置不同，因此固定式配重块在不同工况下仍然使排土机整机工作中存在不平稳的现象。排土机工作不平稳会造成整机的振动，在安全隐患存在的同时影响排土机各零部件的寿命，因此有必要解决排土机不同工况下的稳定性问题，应尽量减小重心偏移量。论文将固定式配重块修改为滑动式配重块，使排土机在空载和满载两种工况下，配重块均能够滑到相应位置调节排土机重心。如图2所示。图2排土机空载和满载时配重块所处位置3整机的简化在材料力学研究中，若一种机构由材料相同、面积为iA、厚度为的钢板组成时，则该结构的重心位置（zyx,,）可计算为：=yyzziiiiiiAxxAAAAA（1）其中，（,,iiixyz）为钢板的重心位置，A为该机构材料总面积。因此，具有规则外形物体的重心可通过外形尺寸直接结算获得。考虑到受料臂和排料臂是由均质等截面的杆形型钢组成，假设每一根型钢杆的长度为iL，截面积为A，杆总长为L，则将公式iiVAL代入公式（1）可得：=yyzziiiiiiLxxLLLLL（2）从公式（2）可以看出，规则外形物件的重心计算可以通过找形心的方法解决，以简化求重心的过程。履带式排土机可以简化为由受料臂和排料臂两个具有规则外形物件组合成的整体。其中排料臂和受料臂虽然是由很多桁架结构焊接而成的，但是从外形上可以算是具有对称面的规则物件，因此其重心的位置应该和形心的位置重合。因此在对排土机的结构进行简化时，可将排料臂和受料臂简化成杆，从而在仿真结果不失真的条件下简化模型结构、缩短仿真时间。简化后的排土机如图3所示。图3排土机Proe简化模型4配重臂的有限元分析论文提出将排土机中的固定配重块式配重臂修改为滑动配重块式配重臂，以提高整机不同工况下的稳定性。因此，在有限元分析时，论文对排土机在不加配重块、加上固定式配重块和加上滑动配重块时三种条件下空载和满载工况时的重心偏移量进行了仿真分析。在仿真结果中，整机重心偏移量可以从塔架顶端的偏移量间接反映。排土机配重臂有限元分析的思路为：在proe中建立简化后的模型；再将模型导入ansys中，根据不同工况对模型进行定义；最后对模型进行静力学分析，通过塔架顶端的位移间接获得整机的重心偏移量。4.1空载和满载工况下无配重块的有限元分析根据设计要求，所分析排土机钢结构材料的各项参数为：弹性模量EX=2.06×105MPa，泊松比PRXY=0.3，重力加速度9.8m/s2金属密度为7.8×103kg/m3。将模型导入ansys后，根据材料的各项参数对模型进行定义并进行布尔操作。从而使模型各个部分之间实现力的传递。在模型定义之后，为了得到更精确的数据将模型网格细分为99944个单元，26675个节点。划分网格的模型如图4所示。图4划分网格模型对模型进行静力学分析后，排土机整机在空载无配重块时各个部分的位移变形图如图5所示。变形量最大发生在排料臂的末端，其最大位移为100.615mm。优化比例系数在0.80～0.85之间,即优化设计后的截面面积以原面积的0.80～0.85倍为下限。0.0100615/55≈0.018%，因此优化结果较为满意。重点研究塔架在z方向的位移，所以其余结构不再叙述。塔架的最大位移变形量发生在塔架的顶端，取塔架顶端节点21的位移为40.6096mm。图5空载无配重块时排土机的位移变形图排土机在满载无配重块时各个部分的位移变形图如图6所示。取塔架顶端节点21的位移为53.2094mm。图6满载无配重块时排土机的位移变形图排土机在不加配重块时无论空载和满载塔架顶端节点21的位移均较大，无配重块工况的排土机空载比满载塔架顶端节点21的位移小，排土机在空载工况时节点21的位移为40.6096mm。4.2空载时固定配重块与滑动配重块对比排土机在空载固定配重块时各个部分的位移变形图如图7所示。取塔架顶端节点21的位移为7.65353mm。此时配重块重心距离塔架24395.9mm。图7空载固定配重块时排土机的位移变形图排土机在空载滑动配重块时各个部分的位移变形图如图8所示。仍然取塔架顶端节点21的位移。分别在距塔架21481mm，21531mm，21681mm三处做有限元分析得出在21531mm处塔架顶端节点21位移最小为0.349369mm。因此当排土机处于空载工况时将配重块滑到距塔架21531mm处。图8空载滑动配重块时排土机的位移变形图采用固定配重块时塔架顶端节点21的位移为7.65353mm，采用滑动配重块时塔架顶端节点21的位移为0.349369mm。可以得出空载时排土机采用滑动配重块较好。滑动配重块滑到距塔架21531mm处即可满足要求。4.3满载时固定配重块与滑动配重块对比排土机在满载固定配重块时各个部分的位移变形图如图9所示。取塔架顶端节点21的位移为4.65893mm。此时配重块重心距离塔架24395.9mm。图9满载固定配重块时排土机的位移变形图排土机在满载滑动配重块时各个部分的位移变形图如图10所示。仍然取塔架顶端节点21的位移。分别在距塔架26512mm，26642mm，26712mm三处做有限元分析得出在26642mm处塔架顶端节点21位移最小为0.245254mm。因此当排土机处于空载工况时将配重块滑到距塔架26642mm处。图10满载滑动配重块时排土机的位移变形图采用固定配重块时塔架顶端节点21的位移为4.65893mm，采用滑动配重块时塔架顶端节点21的位移为0.245254mm。可以得出满载时排土机采用滑动配重块较好。滑动配重块滑到距塔架26642mm处即可满足要求。从得出塔架顶端节点21的位移可以看出。排土机在空载工况时，无配重块节点21的位移较大，采用固定配重块节点21的位移次之，采用滑动配重块节点21的位移较小。排土机在满载工况时，无配重块节点21的位移较大，采用固定配重块节点21的位移次之，采用滑动配重块节点21的位移较小。很明显可以得出分别在空载和满载时采用滑动配重块时塔架顶端的位移均较小。在空载工况时采用滑动配重块塔架顶端的位移较小，此侧移量与主体结构总高度的比值为0.349369/21210≈0.0016%。在满载工况时采用滑动配重块塔架顶端的位移较小，此侧移量与主体结构总高度的比值为0.245254/21210≈0.0012%。因此优化结果较为满意。5总结传统的排土机配重臂均采用固定式配重块形式，在不同工况下容易使排土机整机处于不稳定状态，造成安全隐患。论文将排土机配重块设计为滑动式，并对排土机配重臂在不同工况下的固定式和滑动式配重块对