圆形料场堆取料机金属结构优化分析

摘要：堆取料机是一种高自动化的大型机械设备，按照其结构的不同可以分为圆形料场堆取料机、斗轮堆取料机和欧洲耙式堆取料机三种类型，主要应用于发电厂、港口码头以及储煤厂等场所的物料堆存和散料混匀。圆形料场具有自动化程度高、占地面积小以及环保等特点，是一种由半球形钢架穹顶封闭式的储料系统，整个系统的核心是处于料场中心的圆形堆取料机。随着人们环保意识的逐渐提高，圆形料场堆取料机受到了越来越多的关注，发展空间更加广阔。本文对圆形料场堆取料机的门架金属结构进行了分析并对优化设计做出了研究探讨。

关键词：圆形料场；堆取料机；金属结构；优化

堆取料机作为现代化工业生产中大范围物料堆卸的自动化设备，被广泛的运用到多个领域存料场中物料的堆、取料过程之中。随着我国越来越多的露天物料厂的建设，粉尘污染也越来越严重，对于物料场堆取料机的要求也越来越高。圆形料场堆取料机很大程度上具有环保功能，自动化程度较高，越来越受到人们的欢迎。圆形料场堆取料机在工作运行中对于自身的金属结构构件要求较高，因此，怎样做到对金属结构的优化成为了一个重要的问题。

一、圆形料场堆取料机的功能

圆形料场堆取料机的工作原理是利用栈桥带式输送机把物料转载到回转堆料机，堆存到圆形料场内，并通过刮板机从圆形料场中把物料取出，经过底下廊道带式输送机输送出去。整个圆形料场是由钢结构网架、挡墙以及彩钢板组成，形成一个封闭式的具有环保功能的储料场，设备在工作过程中都是围绕着中心柱进行工作，更加有利于自动化作业的实现。

二、圆形料场取料机门架分析

圆形料场堆取料机门架钢结构的分析包括强度分析、静力学分析和钢度分析。

1.强度分析

门架的任意截面都存在着纵向剪切力、横向力以及弯矩，对于圆形料场取料机门架的强度分析包括剪应力和正应力两个方面。

根据材料力学第四强度理论得，最大应力

其中基本许用应力[σ]按照公式进行计算，其中， 为安全系数

为材料的屈服强度。对于门架结构受力特点，

其中，Q为剪切力，F为横向力，A为截面净面积，M为弯矩，W为弯曲截面系数。

2.静力学分析

圆形料场堆取料机是通过门架利用钢丝绳拉起刮板机来进行工作的。当刮板机在进行维修或者放在地面上的时候，钢丝绳不受力；当刮板机在与物料不进行接触时，钢丝绳一直都存在拉力。

3.钢度分析

门架与车轮连接的地方会产生水平方向的位移，而门架钢结构受刮板机的重量以及自身重量的影响，在整个受载的过程中存在垂向位移，所以在对门架进行钢度分析时应分为垂直位移和水平方向的位移。垂直位移的计算过程可以使用有限差分法。

在整个运算过程中将门架等分为 份， 为第 点的垂直位移，任意相邻两点的距离为 ，第 点的弯矩为，门架的抗弯钢度为 ，等分数 越大， 越小，计算精确度越高。

门架水平位移的计算过程采用单位载荷法，距离B点 处点的位移 可根据以下公式得出

其中， 为单位载荷作用下为距离B点 处截面的弯矩， 为距离B点 处截面的弯矩，E为钢结构材质的弹性模量，I为该处截面的轴惯性矩。

三、圆形料场堆取料机门架的优化

1.条件约束

条件约束包括钢度条件约束和强度条件约束。

1.1钢度条件约束：

门架在水平方向的位移在一定程度上会对车轮与轨道踏面的接触位置造成影响，进行门架的钢度分析时，在刮板机完全被钢丝绳吊起和完全着地的时候，钢丝绳的拉力T的取值范围在0～T。对应这两种情况，水平位移存在两个值，这两个位移值的差值就是 ，经研究 取值是250mm。

1.2强度条件约束：

圆形料场堆取料机的门架结构，对于不同位置的弯矩和受力情况进行分析，在弯矩和内力的计算过程中，将门架的自身重量等效为均布载荷。根据材料力学和理论力学相关的弯矩和内力计算方法得出弯矩图和内力图如图2所示。其中的弯矩变化趋势为：ABCE段弯矩变化趋势是曲线递增的，A点弯矩为零，在E点达到最大值；在OFE段弯矩的变化趋势也是逐渐递增的，O点弯矩为最小值零，E点弯矩为最大值。因此可知E点的弯矩最大。其中内力的变化趋势为：ABCE段内力变化时曲线递减的，其中A点内力值最大，E点内力到达最小值；OFE段内力也是逐渐递减的，其中O点内力最大，E点到达最小值，由此可知E点的内力值最小。

如图2可知，C点E点以及F点是整个门架中比较危险的位置，其中又以E点的应力最大。计算出其横向力、剪力以及弯矩，最后在计算出应力，经研究 取值为170～180MPa。

2.目标函数

门架钢结构要求金属重量小，影响其金属结构自重函数的因素是截面宽高尺寸和板厚。计算过程中将板厚看做常量，截面宽度和高度为连续变量。

一般门架钢结构选用的都是低合金金属Q345，密度取值为 ，腹板距离翼缘板外边缘15mm

设计变量

以钢材质量为目标函数

金属板厚取值为常量，经研究可以取盖板厚度为 ，翼缘板厚度为

3.通过模型来进行求解

还可以运用列举法来进行求解，根据给出的门架尺寸大小，均以1作为步长进行求解，在整个范围之内最小质量对应的变量尺寸，即为最优解。

结语：

圆形物料场堆取料机因其环保、自动化程度高被越来越多的应用到港口、电力、化工和煤炭等行业中。在整个设备工作运行的过程中，对于设备的整体结构要求也比较高。对圆形物料堆取料机的分析主要包括静力学分析、钢度分析以及强度分析，这几种分析给圆形料场堆取料机的设计提供了很大帮助，可以使其更好的应用到各个工业领域，提高工作效率。

参考文献：

[1] 王英洁，朱绚文，李毅民.圆形料场堆取料机型式及其应用[J].重工与起重技术，2011（01）.

[2] 吕淼，赵歆冬，丁怡洁.三层空间钢架模型模态试验的两种方法对比[J].水利与建筑工程学报，2010（03）.

[3] 杜运东，史宝军，杨廷毅，季加东，李芳芬.基于状态空间法的结构动力学建模与简化算法[J].山东建筑大学学报，2009（04）.

[4] 方芳.大型圆形料场堆取料机取料主梁结构分析[J].武汉理工大学学报，2009（07）.