翻车机钢结构优化设计

（北方重工集团有限公司，辽宁 沈阳 110027）

翻车机钢结构优化设计

李绍伟 吕 卓 吕家欢

（北方重工集团有限公司，辽宁 沈阳 110027）

本研究采用Ansys有限元分析软件对翻车机进行计算，根据不同工况的受力情况得出主体钢结构在5种工况下的变形情况及应力水平。分析发现，翻车机主体钢结构的刚度及强度都有很大的富余，因而对翻车机主体钢结构进行了优化处理，经过优化处理的翻车机钢结构总体质量轻了24.6%。降低了制造成本。

翻车机；钢结构；有限元分析；优化设计

一、概述

C型转子翻车机（图1）在火力发电厂使用到设备中最为常见，其端梁又开口，并呈现出倒扣的C形，能够允许拨车机通过，同时也对其配置了拨车机，在进行作业的过程中需要对铁路敞车进行脱钩处理。采用液压压车以及靠车是其设备的最大特点，使得靠车力以及压车力得到了显著的减少，一次降低了列车的损耗，得到了铁路部门以及用户的好评。此外该机型具有合理科学的结构、质量较轻，旋转中心同中心几乎在一处，并且驱动功率较小，该转动功率是目前国际中翻车机本体所需的最小值。

二、结构的设计分析

停车平台、侧梁以及顶梁和C型的两个端梁共同组成了翻车机的主体钢结构。停车平台以及顶梁、侧梁均为箱型结构，由钢板焊接而成，其独自成为一个个体，通常在安装时使用焊接的方式将其同端梁连接。由于端梁结构为C型结构，使得拨车机能够准确在翻车机中对重车进行定位，实现作业的自动化。但是该种端梁在结构上存在不足，因此其结构采用箱型截面用以对其不足进行弥补，大大的提高了端梁的抗扭性以及抗弯性。该转子翻车机中主要设置了液压夹紧装置、活动靠板以及固定平台等。待货车开入设备后，活动靠板便向货车的一侧靠近，拖住其侧墙板，车帮受到压车装置固定，当完成靠车和压车后才能进行旋转卸车。通过液压释能系统将货车弹簧力逐渐随着荷载的减小而释放，避免由于过大的压车力造成敞车车帮受到外力损坏。端梁外圆处有专门的轨道用以承受载荷，并设置大齿圈结构，使得其同驱动装置小齿轮相互啮合，用以翻转车机的主体，完成整个卸料的过程。在顶梁中设置有配重结构，用以对钢结构的主体偏载进行平衡，以此降低由于力的不平衡造成的驱动功率降低几率，减少由于翻转对车机造成的冲击。

图1

图 2

表1

三、翻车机主体钢结构有限元分析

翻车机的整个工作周期最终需要转至165°位置，起始位置为0°，待所有物料全部卸除后，在由最终的165°逐步转回0°位置，从实际的现场工作情况需要，以下归纳了十一种工况的计算情况。文章中所提到的情况仅仅是由于翻车机的角度有所差异，各工况下的翻车机作用角度都根据实际情况的不同而不同，但荷载方向基本相同，仅仅大小具有差异，因此不同的工况下，因此，需要根据工况确定重力加速度转动方向，实际的工况可以通过对各个荷载大小计算方式进行改变予以实现。经过相关有限元分析以及计算，得出翻车及的载荷分布及载荷大小如表1。

翻车机的具有较为庞大复杂的结构。为了对建模的工作量予以减少，从而提高计算速度，首先应当对翻车机钢结构的主体予以简化。翻车机主体钢结构的端梁，平台，侧梁，顶梁采用4节点结构壳单元。翻车机的钢结构主体在设备中呈现为对称性平面结构，在建模的过程中主要以中间面作为两端梁对称面，对称边界的条件则在顶梁、侧梁以及平台同对称面相交的位置进行施加。在有限元模型建立的过程中省略了位于端梁边缘的钢轨，在极坐标系下限定接触处的UX方向自由度。在托辊同端梁之间的接触点，选取一节点，对UZ方向以及UX方向的自由度在极坐标系下进行限定，经过建模、划分网格、加载、限定边界条件后。

表2

经过计算各种工况并对比发现最大应力及变形发生在0°工况，其应力最大值达到155.099MPa，在驱动小齿轮同其啮合的位置，该处板厚大约是20mm，小于许用应力[σa]=244MPa，最大变形为10.377mm（见图2）。对移动式连续散料搬运设备的钢结构设计相关规定要求都能够予以满足。

四、优化设计

由分析得出翻车机主体钢结构应力水平普遍较小，因此很有必要进行优化设计。本文采用ANSYS软件提供的零阶方法，使用状态变量和目标函数的逼近对结构进行优化。

设计变量：根据翻车机主体钢结构钢板的位置不同及厚度不同，设定了单元15个参数设计变量。

目标函数：选取以重量最轻为优化目的。其密度为定值，所以只要整体的体积得到优化即可达到整体质量优化的目的，因此本文选取了翻车机主体钢结构所有材料的体积和作为优化的目标函数。

状态变量：本文所确定的状态优化过程的状态变量为结构的强度、刚度。

通过20次迭代后完成计算，优化前后的翻车机主体钢结构设计参数前后对比见表2。按照设计变量优化取整后的数据重新对翻车机主体钢结构进行静态分析，结果表明这种方式很大程度的降低了制造成本。

结语

文章所研究的两台翻车机在投入使用的三年中，运行状态一直良好，因此就说明文章中所介绍的设计方式具有一定的可行性。

[1]赵连琦.国内外翻车设备的发展及使用简介[J].机械化设备，1998（04）：18-24.

[2]张文生，戴财生.翻车机卸车系统发展方向的探讨港工技术[J]，2007（06）：24-28.

TG45 < class="emphasis_bold"> 文献标识码：A

A