斗輪堆取料機軸承支座系統(tǒng)受力分析
2016-10-17李剛
（大唐科技產(chǎn)業(yè)集團有限公司，中國上海，200122）
（大唐科技產(chǎn)業(yè)集團有限公司，中國上海，200122）
摘 要：斗輪堆取料機在工作時候，承受挖掘力和側(cè)向挖掘力。旋轉(zhuǎn)軸通過支座，固定在取料機機頭部，傳遞扭矩，其受力情況較為復(fù)雜。通過一實際例子，分析軸承支座的受力，并對軸承座進行有限元分析。
關(guān)鍵詞：斗輪堆取料機；軸承座；受力分析；有限元分析
0 引言
斗輪堆取料機是利用斗輪連續(xù)取料，用機上的帶式輸送機連續(xù)堆料的有軌式裝卸機械。它是散裝物料（散料）儲料場內(nèi)的專用機械，是在斗輪挖掘機的基礎(chǔ)上演變而來的。作為一種常用設(shè)備，具有挖掘效率高，轉(zhuǎn)動靈活，已經(jīng)成為開采礦業(yè)不可缺少的常用設(shè)備。適用于堆積料場數(shù)量較少及堆取料機設(shè)備數(shù)量較少的條件，如發(fā)電廠、水泥廠、化工廠等的一個或兩個料場。
斗輪堆取料機是利用斗輪連續(xù)取料，用機上的帶式輸送機連續(xù)堆料的有軌式裝卸機械。它是散裝物料（散料）儲料場內(nèi)的專用機械，是在斗輪挖掘機的基礎(chǔ)上演變而來的。作為一種常用設(shè)備，具有挖掘效率高，轉(zhuǎn)動靈活，已經(jīng)成為開采礦業(yè)不可缺少的常用設(shè)備。適用于堆積料場數(shù)量較少及堆取料機設(shè)備數(shù)量較少的條件，如發(fā)電廠、水泥廠、化工廠等的一個或兩個料場。
斗輪機構(gòu)是取料的工作機構(gòu)，包括斗輪及其驅(qū)動裝置。當(dāng)鏟斗隨輪體旋轉(zhuǎn)至卸料區(qū)時，斗中物料在自重作用下經(jīng)斜溜槽滑到帶式輸送機上，它的卸料區(qū)間大，因為斗輪轉(zhuǎn)速較高，可提高作業(yè)能力，能卸較粘物料。斗輪軸高速旋轉(zhuǎn)，傳遞切割力和提升物料的力。對于斗輪軸和軸承座來說，目前設(shè)計多是參照原有設(shè)計進行，沒有統(tǒng)一詳細的分析計算。
本文以一工程項目分析為例，計算斗輪軸的受力狀況，將斗輪軸受力分析徹底明確。再對斗輪軸承座進行有限元分析，可以將此系統(tǒng)分析量化，為以后的軸承選型，優(yōu)化做基礎(chǔ)。
1 斗輪軸的受力分析
本文以一臺典型的斗輪堆取料機軸承支座系統(tǒng)為例。其出力為1250t/h，斗輪軸與水平面的傾角為10°，斗輪和驅(qū)動系統(tǒng)通過斗輪軸傳遞扭矩，斗輪軸通過軸承座，固定在取料機前臂架上。當(dāng)斗輪機正常工作時候，斗輪受到挖掘物料阻力，鏟斗將物料鏟起，提升至一定高度，鏟斗內(nèi)物料傾倒在前臂架的皮帶機上，由皮帶機將物料輸送走，其挖掘力由斗輪軸另一側(cè)的驅(qū)動電機提供，驅(qū)動電機與斗輪軸相連，扭力臂固定在前臂架上；斗輪受到挖掘側(cè)向阻力，通過斗輪體傳遞到斗輪支座上，然后傳遞到取料機回轉(zhuǎn)機構(gòu)。斗輪取料機工作時候，受力較多，同時驅(qū)動軸與水平面存在夾角，受力復(fù)雜，計算驅(qū)動軸支座處力較困難。
設(shè)定靠近驅(qū)動一側(cè)的軸承支座為A點，靠近斗輪一側(cè)的軸承支座為B點，分析斗輪軸的受力，是一典型的斗輪驅(qū)動系統(tǒng)，其布置如圖所示：
本文以一工程項目分析為例，計算斗輪軸的受力狀況，將斗輪軸受力分析徹底明確。再對斗輪軸承座進行有限元分析，可以將此系統(tǒng)分析量化，為以后的軸承選型，優(yōu)化做基礎(chǔ)。
1 斗輪軸的受力分析
本文以一臺典型的斗輪堆取料機軸承支座系統(tǒng)為例。其出力為1250t/h，斗輪軸與水平面的傾角為10°，斗輪和驅(qū)動系統(tǒng)通過斗輪軸傳遞扭矩，斗輪軸通過軸承座，固定在取料機前臂架上。當(dāng)斗輪機正常工作時候，斗輪受到挖掘物料阻力，鏟斗將物料鏟起，提升至一定高度，鏟斗內(nèi)物料傾倒在前臂架的皮帶機上，由皮帶機將物料輸送走，其挖掘力由斗輪軸另一側(cè)的驅(qū)動電機提供，驅(qū)動電機與斗輪軸相連，扭力臂固定在前臂架上；斗輪受到挖掘側(cè)向阻力，通過斗輪體傳遞到斗輪支座上，然后傳遞到取料機回轉(zhuǎn)機構(gòu)。斗輪取料機工作時候，受力較多，同時驅(qū)動軸與水平面存在夾角，受力復(fù)雜，計算驅(qū)動軸支座處力較困難。
設(shè)定靠近驅(qū)動一側(cè)的軸承支座為A點，靠近斗輪一側(cè)的軸承支座為B點，分析斗輪軸的受力，是一典型的斗輪驅(qū)動系統(tǒng)，其布置如圖所示：
1.1 垂向載荷
1）計算自重工況，A點和B點的支反力。電機重量G電機，斗輪軸重量G軸，斗輪重G斗輪，根據(jù)力的平衡方程，可以計算得到靜止狀態(tài)下，A點和B點的支反力GA靜，GB靜；
2）計算工作載荷對A點和B點的影響。斗輪機工作時候，不光挖掘物料，還要提升物料，在垂直方向上，對軸承支座AB點有影響。計算過程如下：在額定工作狀態(tài)時候，根據(jù)生產(chǎn)率及物料提升高度，計算得提升物料的重量F提升物料。根據(jù)驅(qū)動軸輸出扭矩及驅(qū)動電機與軸心的距離，計算得扭力臂力F扭力臂。進一步計算得到A和B點在工作時候的垂向受力結(jié)果GA工作1，GB工作1（符號表示受力方向反向）。
1.2 水平載荷
1）水平方向（挖掘力-沿斗輪機臂架方向）：
由驅(qū)動軸輸出額定扭矩除以斗輪半徑得到驅(qū)動軸輸出力，扣除提升物料部分，得到斗輪挖掘力，其方向沿斗輪機前臂架方向F額定挖掘力，根據(jù)力的平衡方程，計算得到A點和B點的沿斗輪機臂架方向的水平力FA工作和FB工作。
2）水平方向（側(cè)向挖掘力-垂直斗輪機臂架）：
斗輪機側(cè)向挖掘力N側(cè)向力為切向挖掘力的0.3倍[1]，根據(jù)力的平衡原理，得到A和B點的水平支反力NA工作和NB工作以及垂向支反力GA工作2和GB工作2。
1.3 力的合成
根據(jù)上文，計算得到的A點，B點的水平和垂向力，進行力的合成。根據(jù)斗輪軸與水平面的傾斜角度，可以計算得到A點和B點的軸承處的軸向力和徑向力。
2 斗輪驅(qū)動支座的有限元分析
在斗輪機設(shè)計中，斗輪驅(qū)動軸承座起著支撐斗輪軸的作用，由于斗輪軸傳遞力較復(fù)雜，根據(jù)上文計算得到的A點和B點處的軸承座支反力，有必要對軸承座進行強度分析。筆者通過三維軟件Auto CAD建模，將其導(dǎo)入到ANSYS workbench中，進行結(jié)構(gòu)靜強度計算。
2.1 ANSYS workbench簡介
ANSYS是一種高效通用的有限元分析軟件，它融結(jié)構(gòu)，流體，電磁場，聲場和熱場分析為一體，應(yīng)用于各個行業(yè)，具有強大的建模能力，求解能力，非線性分析能力，后處理能力，多場耦合能力及二次開發(fā)能力，可進行靜力分析，特征屈曲分析，模態(tài)分析，諧響應(yīng)分析，譜分析，顯式功能分析等，可以高效的應(yīng)用于工程分析中[2]。Workbench作為ANSYS公司于2002年開發(fā)的新一代產(chǎn)品研發(fā)平臺，不但繼承了ANSYS經(jīng)典平臺在有限元仿真分析上的所有功能，而且提供了與許多主流CAD三維軟件數(shù)據(jù)交流的接口，真正實現(xiàn)了集產(chǎn)品設(shè)計，仿真和優(yōu)化功能于一體。Ansys workbench mechanical 模塊利用ANSYS的求解器進行結(jié)構(gòu)和熱分析，網(wǎng)格劃分也包含在mechanical應(yīng)用中。ANSYS workbench mechanical的分析類型包括：結(jié)構(gòu)（靜態(tài)和瞬態(tài)），線性和非線性結(jié)構(gòu)分析，動態(tài)能力，模態(tài)，諧波，隨機振動，柔體和剛性動力學(xué)，熱傳遞（穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)），求解溫度場和熱流磁場，形狀優(yōu)化，該模塊包含四種類型載荷：慣性載荷，結(jié)構(gòu)載荷，結(jié)構(gòu)支撐和熱載荷。具體說，可以實現(xiàn)簡便加載，可以在面上直接加載力矩，軸承載荷，約束方便，可以對結(jié)構(gòu)加圓柱面約束，簡支約束，能實現(xiàn)自動劃分網(wǎng)格[3]。本文分析軸承座，采用的方法是，在CAD中進行三維實體建模，導(dǎo)入workbench，進行加載分析。圖2為CAD中導(dǎo)入的三維模型，mesh后的結(jié)果：
1）計算自重工況，A點和B點的支反力。電機重量G電機，斗輪軸重量G軸，斗輪重G斗輪，根據(jù)力的平衡方程，可以計算得到靜止狀態(tài)下，A點和B點的支反力GA靜，GB靜；
2）計算工作載荷對A點和B點的影響。斗輪機工作時候，不光挖掘物料，還要提升物料，在垂直方向上，對軸承支座AB點有影響。計算過程如下：在額定工作狀態(tài)時候，根據(jù)生產(chǎn)率及物料提升高度，計算得提升物料的重量F提升物料。根據(jù)驅(qū)動軸輸出扭矩及驅(qū)動電機與軸心的距離，計算得扭力臂力F扭力臂。進一步計算得到A和B點在工作時候的垂向受力結(jié)果GA工作1，GB工作1（符號表示受力方向反向）。
1.2 水平載荷
1）水平方向（挖掘力-沿斗輪機臂架方向）：
由驅(qū)動軸輸出額定扭矩除以斗輪半徑得到驅(qū)動軸輸出力，扣除提升物料部分，得到斗輪挖掘力，其方向沿斗輪機前臂架方向F額定挖掘力，根據(jù)力的平衡方程，計算得到A點和B點的沿斗輪機臂架方向的水平力FA工作和FB工作。
2）水平方向（側(cè)向挖掘力-垂直斗輪機臂架）：
斗輪機側(cè)向挖掘力N側(cè)向力為切向挖掘力的0.3倍[1]，根據(jù)力的平衡原理，得到A和B點的水平支反力NA工作和NB工作以及垂向支反力GA工作2和GB工作2。
1.3 力的合成
根據(jù)上文，計算得到的A點，B點的水平和垂向力，進行力的合成。根據(jù)斗輪軸與水平面的傾斜角度，可以計算得到A點和B點的軸承處的軸向力和徑向力。
2 斗輪驅(qū)動支座的有限元分析
在斗輪機設(shè)計中，斗輪驅(qū)動軸承座起著支撐斗輪軸的作用，由于斗輪軸傳遞力較復(fù)雜，根據(jù)上文計算得到的A點和B點處的軸承座支反力，有必要對軸承座進行強度分析。筆者通過三維軟件Auto CAD建模，將其導(dǎo)入到ANSYS workbench中，進行結(jié)構(gòu)靜強度計算。
2.1 ANSYS workbench簡介
ANSYS是一種高效通用的有限元分析軟件，它融結(jié)構(gòu)，流體，電磁場，聲場和熱場分析為一體，應(yīng)用于各個行業(yè)，具有強大的建模能力，求解能力，非線性分析能力，后處理能力，多場耦合能力及二次開發(fā)能力，可進行靜力分析，特征屈曲分析，模態(tài)分析，諧響應(yīng)分析，譜分析，顯式功能分析等，可以高效的應(yīng)用于工程分析中[2]。Workbench作為ANSYS公司于2002年開發(fā)的新一代產(chǎn)品研發(fā)平臺，不但繼承了ANSYS經(jīng)典平臺在有限元仿真分析上的所有功能，而且提供了與許多主流CAD三維軟件數(shù)據(jù)交流的接口，真正實現(xiàn)了集產(chǎn)品設(shè)計，仿真和優(yōu)化功能于一體。Ansys workbench mechanical 模塊利用ANSYS的求解器進行結(jié)構(gòu)和熱分析，網(wǎng)格劃分也包含在mechanical應(yīng)用中。ANSYS workbench mechanical的分析類型包括：結(jié)構(gòu)（靜態(tài)和瞬態(tài)），線性和非線性結(jié)構(gòu)分析，動態(tài)能力，模態(tài)，諧波，隨機振動，柔體和剛性動力學(xué)，熱傳遞（穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)），求解溫度場和熱流磁場，形狀優(yōu)化，該模塊包含四種類型載荷：慣性載荷，結(jié)構(gòu)載荷，結(jié)構(gòu)支撐和熱載荷。具體說，可以實現(xiàn)簡便加載，可以在面上直接加載力矩，軸承載荷，約束方便，可以對結(jié)構(gòu)加圓柱面約束，簡支約束，能實現(xiàn)自動劃分網(wǎng)格[3]。本文分析軸承座，采用的方法是，在CAD中進行三維實體建模，導(dǎo)入workbench，進行加載分析。圖2為CAD中導(dǎo)入的三維模型，mesh后的結(jié)果：
圖3所示，為斗輪驅(qū)動軸承座的有限元模型圖及加載和約束方式。
軸承座通過螺栓，連接到斗輪機前臂架上。斗輪機工作時候，斗輪驅(qū)動軸穿過斗輪軸承，將扭矩從驅(qū)動電機傳遞到斗輪上，完成挖掘動作，同時，側(cè)向挖掘力傳遞到斗輪軸的支座上。斗輪軸承座承受徑向和軸向載荷，在上一章節(jié)中，對于軸承座支點的受力已經(jīng)進行了詳細的介紹。將力的計算結(jié)果，施加到模型中，軸向力為force，沿著Z向；徑向力為remote force，沿著Y向。
在有限元模型中施加約束：在軸承座的8個螺栓位置，施加水平約束，在軸承座底部施加垂向約束。然后在有限元軟件ansys workbench中進行求解計算。
在有限元模型中施加約束：在軸承座的8個螺栓位置，施加水平約束，在軸承座底部施加垂向約束。然后在有限元軟件ansys workbench中進行求解計算。
圖4為workbench中后處理里的強度分析結(jié)果。有限元應(yīng)力分布結(jié)果顯示：斗輪機工作時候，軸承座大部分區(qū)域為藍色，即處在低應(yīng)力區(qū)，在軸承座的圓套與地板兩側(cè)聯(lián)系板，應(yīng)力較其他部位稍大，是因為這里做了板的減薄處理，同時在板中心開了兩個圓孔。從計算結(jié)構(gòu)上分析，軸承座在斗輪機正常挖掘工況下，滿足強度要求。軸承座只是起支撐驅(qū)動軸的作用，驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)并傳遞扭矩，所以軸承座受到的載荷基本恒定，因此沒有疲勞問題，只進行強度計算即可。即，此軸承座滿足設(shè)計要求。
3 結(jié)論
?。?）斗輪機工作時候，驅(qū)動電機通過驅(qū)動軸帶動斗輪完成挖掘動作，斗輪承受挖掘力和側(cè)向挖掘力，通過驅(qū)動軸傳遞到軸承座上。計算軸承座處的受力要考慮自重，挖掘力，側(cè)向挖掘力對斗輪軸的影響。
?。?）計算各項載荷在軸承座處的反力，并進行力的合成，并根據(jù)驅(qū)動軸與水平面夾角，轉(zhuǎn)化為軸承座的軸向力和徑向力。
?。?）通過軸的受力分析，得到軸承座的受力結(jié)果，在有限元軟件中，建立軸承座的模型，施加力和約束并求解，得到軸承座分析結(jié)果。
?。?）通過手算，得到斗輪驅(qū)動系統(tǒng)各部分的受力情況，并施加到有限元模型中，計算軸承座，完成斗輪驅(qū)動系統(tǒng)的受力分析。
?。?）斗輪機工作時候，驅(qū)動電機通過驅(qū)動軸帶動斗輪完成挖掘動作，斗輪承受挖掘力和側(cè)向挖掘力，通過驅(qū)動軸傳遞到軸承座上。計算軸承座處的受力要考慮自重，挖掘力，側(cè)向挖掘力對斗輪軸的影響。
?。?）計算各項載荷在軸承座處的反力，并進行力的合成，并根據(jù)驅(qū)動軸與水平面夾角，轉(zhuǎn)化為軸承座的軸向力和徑向力。
?。?）通過軸的受力分析，得到軸承座的受力結(jié)果，在有限元軟件中，建立軸承座的模型，施加力和約束并求解，得到軸承座分析結(jié)果。
?。?）通過手算，得到斗輪驅(qū)動系統(tǒng)各部分的受力情況，并施加到有限元模型中，計算軸承座，完成斗輪驅(qū)動系統(tǒng)的受力分析。
參考文獻
[1]Australian Standard.Mobile equipment for continuous handling of bulk materials Part 1 General requirements for design of steel structures[Z].AS4324.1-1995：13.
[2]劉力,李明萬,賈糧棉.基于ANSYS的有限元分析在工程中的應(yīng)用[J].黃石理工學(xué)院學(xué)報,2007,10：32.
[1]Australian Standard.Mobile equipment for continuous handling of bulk materials Part 1 General requirements for design of steel structures[Z].AS4324.1-1995：13.
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[3]須勁松.基于ANSYS workbench的從動軸設(shè)計[J].南通紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報：綜合版,2011,09：07-08.
來源：《科技視界》2015年16期