可折叠装船机钢丝绳作用力研究.pdf

年 月第 期中国重型装备 .试验研究可折叠装船机钢丝绳作用力研究郑建能 苏振华 王明旭 夏丽华 刘胜涛 王嘉 刘才民(.国机重型装备集团股份有限公司四川 德阳.河南工业大学河南 郑州)摘要:随着海上贸易需求的增加装船机技术得到了飞速的发展 围绕包装粮的快速高效无人化装船与装车基于包粮溜滑梯的装船形式设计一款能够实现空间多自由度伸展、移动的可折叠式包装粮、包装豆粕装船系统针对新型可折叠式装船机运行工作过程主要依靠钢丝绳进行拉伸特对最危险部分钢丝绳结构常发生疲劳断裂的问题建立了可折叠式装船机三维模型对两节皮带机进行了载荷分析得到了钢丝绳作用力与皮带机各种载荷的关系 通过 有限元分析进行了仿真试验仿真结果与理论数值有较好的一致性误差小于 可认为钢丝绳受力公式较为可靠 在 中将目标多元函数进行化参求解在此之下找到了钢丝绳在装船机结构中最佳吊点位置使得现有结构下在行车上吊点位置距离行车主体 时钢丝绳作用力最小 关键词:装船机钢丝绳受力分析有限元分析 中图分类号:.文献标志码:.:收稿日期:作者简介:郑建能()男正高级工程师主要从事重大技术装备研发通讯作者:苏振华()男高级工程师主要从事重型装备自动化、智能化设计及研究 装船机是目前货物在港口装船使用程度最高的装备其大致可分为连续型和间歇型两种装船方式 由于海运将不受货物体积、重量的限制据联合国贸易发展促进会统计海运货物总重占总出口货物的 其商品价值占出口总货物的 目前国内对装船机的结构分析、理论计算及控制处于飞速发展阶段 国内内河外海港口码头普遍采用抓斗式、门坐式、桥吊式装船机进行包装粮的装船作为装船机的关键结构钢丝绳是最脆弱的部分直接决定着装船机的工作状态、折叠角度及安全性 钢丝绳的不同布置位置将直接影响其受力情况 鉴于此本文从包装粮装船机整体结构出发对两节皮带机进行受力分析建立出钢丝绳作用力在不同吊点之下与各种载荷、折叠角度的函数方程找出在相同载荷下钢丝绳最佳吊点位置以提高装船机整体的安全性 装船机结构及工作原理.包装粮装船机整体结构 装船机整体结构如图 所示结构主要包括水平移动行车、左右移动小车、伸缩装置、仰俯装置、回转装置、平衡装置、智能化远程控制装置等构成 装船机通过伸缩装置将皮带机输送过来的包装粮自动装船皮带机采用基于几何学理论的平行四杆结构利用多节皮带机搭接及钢丝绳多 年第 期中国重型装备()结构简图()轴测图行车结构平衡配重钢丝绳组皮带机(结构)回转机构皮带机(结构)溜槽(结构)图 装船机结构简图及轴测图 点支撑技术解决高效节能自动化桥式伸缩卸料系统在港口码头、中转站多自由度大作业半径灵活装运问题.包装粮装船机工作原理 装船机作为一个整体顶部与行车相连工作时通过控制行车使装船机行驶到工作位置根据船舱高度的不同可通过钢丝绳的伸缩控制装船机折叠角度以达到合适的船高位置 包装粮由行车上方入料口进入装船机结构中在溜槽与皮带机组成的通道中由上而下输送到装船机底部进而进入到船舱中完成装船作业 在装船作业中包装粮会形成部分堆积可控制行车行走以及皮带机折叠角度来完成舱中粮食平整堆放 目前该新型结构的装船系统已在汇福粮油集团应用物料为豆粕包装粮装车效率达每小时 包图 为工作实况图图 装船机工作实况图 建立数学模型与模型分析.载荷分析 本装船机的主要装船类型以包装粮为主皮带机的输送方向由上往下主要受四种载荷:自重载荷、非均布物料载荷、吨包粮冲击载荷与风力载荷 自重载荷为所有装备不可避免的一种载荷类型在此不做赘述按照正常重力分析即可 非均布物料载荷是由于包装粮的特殊性带来的 对于散装粮粮食颗粒呈大致均匀状平铺在运输路径上载荷计算可按照均布载荷进行计算而包装粮被包装袋包裹在一起分袋依次由上往下输送粮食呈现独立聚集状因此载荷将呈现非均匀状态 吨包粮冲击载荷发生在物料发生转折处同样由于吨包粮的特殊性在物料到达行车主架底部、第一节皮带机的末端及第二节皮带机末端发生对装船机不同方向的小幅度、规律性的冲撞 风力载荷是因装船机在港口进行装船作业不可避免受到海风的冲击而产生的根据风速及作用表面进行计算 本文主要研究现有结构下钢丝绳的作用点位置对钢丝绳作用力的影响因此在受力分析模型中对风力载荷暂不考虑.建立受力数学模型 对装船机的皮带机进行受力分析并对部分力进行适当前处理如图 所示()结构()结构()结构 图 结构、受力分析模型 装船机结构 及 部分为皮带机除去输送末端的电动机其各处质量为均匀分布在装船机的大尺寸结构之下可忽略电动机所引起的质心偏移问题受力模型中将皮带机质心在其几何中心位置处理 吨包粮自重载荷在皮带机上可视为均匀分布仅在几个转轨处产生脉冲型的冲击载荷 由于皮带机自重及吨包粮自重不随皮带机角度的改变而改变且都呈均匀分布为简化计算将两种载荷统一为 进行处理计算 平行四边形结构的设计保证了结构 在 轴方向旋转的自由度使其永远保持竖直状态中国重型装备郑建能:可折叠装船机钢丝绳作用力研究 年第 期在模型中平行四边形结构对、约束采用水平方向的力 和垂直方向的力 来描述两个力之间没有固定的数值关系 分别建立结构、三个部位的力平衡和力矩平衡方程:()结构 ()()()()结构 ()()()()结构 ()上式中、为各种载荷即可控的变量本文拟研究钢丝绳作用点对其作用力的影响关系因此将上述几个变量当作常数处理、为平行四边形柔性结构对皮带机、的约束所赋予的力其数值关系在受力模型中没有定义在公式处理中优先将其进行替换以、作为替换参数得到与、的关系 求解后得:()()()()()()()()()()()()从式()、()的分析可知钢丝绳的作用力与物料在转轨处产生的冲击载荷 没有直接关系大小仅与所研究变量、有关大小与、都有关系 因、与钢丝绳在行车位置 和、有相应的函数关系如图 所示通过分析建立出、与、的函数关系 ()()()()图 钢丝绳倾斜角度与各部分长度关系图 将式()、()带入式()、()中得到 与、的函数关系即钢丝绳作用力与吊点位置关系函数.模型处理 在 中输入钢丝绳受力函数拟合出钢丝绳作用力 与自变量、的变化关系图结果如图 所示 从公式()可知大小仅与钢丝绳在行车上的布置位置 和在下部分皮带机的位置 有关优先处理 的函数 从图()可以看出与 的大小呈正相关即钢丝绳布置点越远离皮带机下端维持工作状态钢丝绳所需提供力也越大 与 也呈正相关 即要使钢丝绳作用力越小应尽可能使 与 取较小值 由式()可知大小与、大小均有相关性在拟合 的函数关系时为使钢丝绳作用力达到最优采用对 的拟合结果即将 值取最小值考虑到皮带机末端需配置有电动机与轴承端盖此处取 值为 在实际工程中可根据真实情况进行 大小取值 从图()可以看出大小与 呈负相关即钢丝绳缠绕位置距离皮带机下端越近钢丝绳所需提供拉力越小 与 呈负相关 即要使的力越小应尽可能使 与 取较大值 年第 期中国重型装备 对于 值大小即钢丝绳在行车上的吊点对的分析得知:要使 越小 应尽可能取较大值 对 的分析可知:要使 越小 应尽可能取较小值 此时对、进行耦合分析以 值作为自变量、作为响应值当使两处钢丝绳中的较大值达到最小即为最省力的作用点为行车上钢丝绳的最佳吊点减小钢丝绳整体的负载如图 所示()与、数值关系()与、数值关系图 、与、数值关系 图 、大小与 值关系 求解出结果当 取 时为钢丝绳最佳吊点位置 仿真试验.模型前处理 用 有限元分析软件对受力分析模型进行仿真验证 通过 建立装船机的简化模型保留原始模型中的各处尺寸及平行四边形结构 钢丝绳简化为两侧一 组 在 中对模型施加载荷与固定约束装船机顶部为行车固定约束采用 完全约束模拟在工作状态下行车处于静止状态 对于模型处理钢丝绳由于其受力特点拉力仅在绳索方向上产生即仅受沿杆方向的拉、压不受弯矩选择杆单元 作为钢丝绳单元类型 中常用 杆单元模拟缆索采用 模块进行网格划分由于其整体结构较大分析主体为钢丝绳研究其受力情况对钢丝绳进行局部加密其余部分采用 方法划分对划分后的模型整体进行检查共有 个单元 个节点网格质量较好网格划分如图 所示()简化模型及载荷()划分网格图 装船机简化模型、载荷及划分网格 根据材料力学原理二力杆件所受外力与应力和表面积有关应力与材料弹性模量和应变有关 由于应力奇异现象的存在即最大应力值随着网格的不断加密而不断增加仿真中不能将最大应力值作为参考而应变值不会随着网格的改变有较大差异且在当前计算机发展状况下运算结果中应变值与真实情况最为接近工程中也常用应变值大小作为对象进行仿真分析准确性评估仿真试验中以钢丝绳等效弹性应变作为观察对象 根据以下公式进行仿真数据的后处理 ()()式中 为应变 为弹性模量 为应力.拉力试验 在 静力分析模块进行简单的拉力试验以评估等效弹性应变作为观测值的可靠性建立简单的单杆拉伸模型如图 所示施加 的 模拟装船机中皮带机上的载荷 顶部约束仍采用 完全约束 由实际经验可中国重型装备郑建能:可折叠装船机钢丝绳作用力研究 年第 期知在底部有 的载荷下若使整体结构保持静止结构杆需对板提供垂直向上、大小为 的拉力 对.的弹性应变结果带入公式进行处理 .可以看出等效弹性应变作为观测值对于拉力的评估有较好的可靠性.求解计算 仿真对钢丝绳等效弹性应变进行后处理仿真后结果如图 所示 将等效弹性应变带入公式()、()进行计算并与理论结果进行比较如表 所示()拉力试验模型()等效弹性应变结果图 拉力试验模型及等效弹性应变结果 ()()图 钢丝绳等效弹性应变结果 表 仿真数据与理论数据对比 等效弹性应变试验结果理论数据误差.经数据整理通过仿真得到的等效弹性应变进行计算后的拉力值与理论公式得到的数据有较好的一致性其中误差可能是由于数据处理过程中因模型长度或弹性应变保留精度位数不够从而运算产生的结果 通过仿真试验可认为由理论分析得到的钢丝绳受力公式较为可靠 结论 本文对新型可折叠式装船机工作状态下各种载荷进行了讨论通过对皮带机进行载荷分析提出了对平行四边形柔性结构受力情况的分析方法并建立了两组钢丝绳作用力与装船机各种载荷的函数关系式发现两组钢丝绳受力与物料在装船转弯中产生的冲击载荷无关自重载荷与物料载荷对钢丝绳受力影响较大 通过 模拟钢丝绳受力情况并与理论公式结果进行比较误差小于 可认为理论公式较为可靠 在 中对钢丝绳作用力公式进行化参求解发现两组钢丝绳吊点位置越靠近皮带机下方作用力越小获得了钢丝绳在行车上方的最佳吊点当前结构下吊点位置距离行车主架 时钢丝绳负载最小 研究对提高装船机整体安全性有较好的帮助参考文献 靳航嘉.斗提式散粮卸船机提升装置的设计与分析.郑州:河南工业大学.夏毅.新型环保移动式装船机的设计和结构优化.水泥工程():.何晓涛 李意 韦浩 等.用于散装粮食装船的新型链斗式装船机.港口装卸.廖观福 胡吉全.轮式移动装船机总体设计及臂架结构仿真分析.机械强度 ():.仝瑞国.装船机结构强度分析.起重运输机械():.车路.基于 的装船机结构力学分析.机械工程师():.卢耀祖 李翠 张氢.装船机臂架系统分析.中国工程机械学报():.晏丽 刘威 王明旭 等.新型连续化高效散粮卸船机整体设计.粮食与饲料工业():.刘英林.利用 软件计算架空索道钢丝绳挠度的探索.有色设备():.陈征宇 叶玉龙.基于 的电梯钢丝绳失效检测有限元分析.机电信息():.褚文敏 郑刚 刘志才 等.基于 的钢丝绳应力和疲劳分析.起重运输机械():.石红梅 王亚娟.基于 和 的钢芯钢丝绳受力分析.机电技术():.编辑:苏立娜