斗轮机的结构优化

曹贺

摘 要：斗轮机作为一种大型装卸设备，是由多个系统结构组合而成，其中回转平台结构作为斗轮机的重要组成部分，在斗轮机堆料、取料、俯仰和回转的过程中发挥了不可替代的重要作用。可以说，回转平台是斗轮机的核心结构之一，在对斗轮机的结构进行优化的过程中，不能不考虑回转平台的优化。现本文就从回转平台结构的优化设计为出发点，谈谈斗轮机的结构优化，仅供参考。

关键词：斗轮机；回转平台；结构；优化；设计

目前随着工业机械化水平的不断提升，大型工业设备的设计和制造行业得到快速发展，相关的理论知识和实践经验也越来越多。斗轮机就是其中一个常见的大型装卸设备，目前对于斗轮机结构优化的研究也有很多，每个研究的侧重点都有所不同，这是因为斗轮机的结构是由很多组件组成的。考虑篇幅有限，本文就从回转平台这一子结构出发，谈谈斗轮机的结构优化设计要点。

1 斗轮机概述

斗轮机是当今世界上最大的散货料场专用设备，其同传统间歇式工作装载机械和其中机械相比有着运行速度稳定、能耗较低、生产效率高、设备布局简单、自动化控制程度容易、投资省的工作特点，已经被广泛的应用在港口、码头、矿山、冶金以及建筑等多个部门的大型现代化散料储运工作中，实现了矿产、煤炭、化工、建筑原料等散装货物的堆放、转运、装卸等连续作业，但是这种设备在应用中也存在着一定的局限性，通常只能够装卸粒径度小于300mm的物料。

对于斗轮机而言，它在运行的过程中是通过装料和卸料两个不同的成分构成的，其功能发挥也是通过这两个环节共同配合产生的，是实现堆料、取料乃至运输无间断作业的，基于这种原理，斗轮机在应用中存在着生产效率高、自动化程度好、设备布置简单、运输无间断的工作目的，其在运行的过程中是以斗转轮机挖取物料、自动卸料以及臂架回转运动为主的综合性工作，臂架在完成之后每一次运转都是一个前进且吃料的过程，之后臂架反向自转来进行卸料和取料。在料物对鞋的时候，将料场带入到运输机当汇总，通过前端的漏斗来卸货，并将货物运输到运输设备上。

2 斗轮机回转平台的结构优化设计

在工程设计中，使得工程性能达到最佳是整个设计的最终目的，是设计领域工作人员一直致力研究和追求的目标。从数学的角度上进行分析，所谓的优化设计是将原来的设计内容、设计原理和函数进行最大化或者最小化，从而使得结构内部的性能得到最大的发挥，在满足各种约束条件下达到性能最佳指标要求。

2.1 斗轮机回转平台结构优化设计分析

在斗轮机的优化设计中，首先需要建立一个可靠、完善、健全的优化模型，要选择适当的优化措施和方法进行全面、系统的分析，针对工程项目中存在的各种问题有针对的解决，从而达到函数的一致性和非线性要求，且这些表达方式都是隐形的。目前的优化设计方法主要包含有三种，首先是准则法、数学规划法和仿生物学法。

2.2 斗轮机回转平台的有限元设计分析

回转平台是斗轮机的主要部件之一，是连接臂架、立柱和门座的桥梁，承受着上部俯仰机构的重量和各种工况下堆取料工作过程中的载荷，其自身的结构性能对整机的安全运行十分重要，为了保证斗轮机的正常工作，回转平台应具有足够的强度和刚度。

2.2.1 力学模型

回转平台在斗轮机工作过程中处于多种载荷工况的作用之下，载荷工况的变化主要受到上部立柱及相连前臂架的俯仰位置和堆取料状态的影响，从而引起回转平台上两处铰支座的受力变化：一处为与支撑前臂架俯仰运动的油虹相连的前部铰支座N，另一处为与上部立柱相连的中部铰支座A。除这两处铰支座所受载荷之外，进行强度计算的载荷还包括无变化的配重重量、驱动电机重量及结构自重由于驱动电机重量和绕回转中心的力矩相对较小忽略不计。

2.2.2 有限元求解过程

有限单元法是一种适用性很强的数值方法它的基本思想是把一个连续的几何结构离散成具有规则形状的有限个单元，并在每个单元中设定有限个节点，各相邻单元之间通过节点相互连接；对于每个单元都用节点未知量通过插值函数来近似地表示单元内部的多种物理量，并使其在单元内部满足该问题的控制方程；然后再将这些单元组装成一个整体，并使他们满足整个物体的边界条件和连续条件，得到一组关于节点未知量的联立方程，求解这个方程组得到单元组合体各节点的位移，进而求得各单元应力。

2.2.3 模型简化

在结构有限元分析中，建立准确可靠的有限元模型是最为重要的一个步骤，它关系到计算结果的正确与否。特别是针对大型复杂结构的有限元计算，应当认真分析结构特点，在此基础上对结构进行适当的简化，一方面控制计算规模，另一方面使计算精度达到一个比较理想的效果回转平台的实际结构较为复杂，所受载荷也不断变化，因此在建立计算模型时要作必要的简化。为了能准确求出回转平台静力学特性，同时克服有限元分析中建模过分简化的缺点，在建模中，以回转平台实际结构作为依据，适当做出如下基本简化：

（1）不考虑钢板焊接应力及裂缝形式的影响，各钢板之间的焊接形式采用网格节点重合进行模拟。

（2）建立模型时，简化主梁腹板和翼板、内部筋板和其它加强筋板等零件上的一些倒角这些小的结构对整体的强度、刚度影响都很小。

2.2.4 单元材料选取

本文采用ANSYS软件对回转平台结构进行有限元分析。由于该回转平台是用钢板焊接而成，且构件都是薄壁结构，且为平直板，而SHELL63弹性壳单元具有薄膜和平板弯曲的描述功能，适用于同时受到薄膜载荷以及横向载荷的薄板结构，能够考虑大偏移位移和应力刚化的问题。因此在建模中，采用了壳单元SffiLL63模拟钢板结构。SHELL63单元的每个节点有X、y、z方向的3个位移自由度和三个转动自由度（ROTX、ROTY、ROTZ），平面方向和法线方向的负载均可承受，该单元要求输入的实常数为板的厚度，对构件分配单元属性时按实际板厚输入即可，对参数化建模具有极大的便捷性。

结束语

总之，若要斗轮机能够高效安全的工作，必须要确保其回转平台的结构处于最佳状态，这是因为回转平台的合理结构决定着斗轮机的工作性能及整机的稳定性。如果回转平台的结构强度不够或者刚度不足，就可能会导致斗轮机的取料性能大大降低，甚至会产生疲劳断裂，造成安全事故。因此必须要科学合理的对斗轮机回转平台结构进行优化。

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