刘星茹1史荣2刘春华3
(1.西安工业大学北方信息工程学院，陕西 西安 710000；2.燕山大学机械工程学院，河北 秦皇岛 066004；
3.秦皇岛港股份有限公司，河北 秦皇岛 061110)
【摘要】以解决KL-7型斗轮取料机在生产作业当中出现的臂架主结构部分撑杆失稳变形和臂架振颤的故障为出发点，用ANSYS对臂架机构做了静力学分析，通过分析其应力应变分布，说明了现场实际故障原因；同时对臂架进行了模态分析，得到了臂架固有频率分布，分析了引起臂架振动的原因；对取料机臂架机构承担动载荷的主要部位以及日常运行时易出现问题的部位在不同工况下的的动应力进行了现场实测，并以此为依据对有限元分析结果进行了评价，进一步提高了有限元分析结果的可信度。
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关键词 KL-7型斗轮取料机；静力学分析；模态分析；应力测试
0前言
秦皇岛港务局第二分公司的KL-7型斗轮取料机由大连重型机器厂生产制造，设计额定能力为2000t/h。图1为KL-7型斗轮取料机臂架及相关机构的三维装配图。臂架机构位于取料机的头部，斗轮机构装在它的前端，臂架后部通过销轴与回转平台连接，回转平台又可绕着下面支座转动。
1—斗轮机构；2—拉杆组；3—配重架；4—回转平台；5—A型架；6—臂架
图2为取料机的臂架，其主体是由左右对称的两根大型工字梁焊接而成的，其中间由水平拉撑和斜拉撑组焊而成。
在生产过程中，KL-7型取料机的悬臂主结构部分撑杆发生失稳变形，同时在满载取料时，该取料机的悬臂梁晃动异常，严重制约了机器的生产效率。因此分析上述故障产生的原因意义重大。
1臂架机构的静力学分析
1.1臂架的有限元分析
将SolidWorks中建立的臂架及下拉杆组的三维实体模型，导入到ANSYS环境中。在有限元计算模型中，利用SOLID45单元，采用四面体网格和网格细分技术对臂架进行网格划分。结构材料弹性模量为2.1×1011N/m2，泊松比为0.3，密度为7.8×103kg/m3，屈服极限为345MPa。施加必要的边界条件和载荷之后进行计算分析。通过对该取料机的3种俯仰角度工况（+10.5°、0°和-12.5°）的分析，得出这3种工况下的应力值变化不大。因此，下文只列出了该取料机在零工况时的计算结果。
图3为臂架的位移分布云图，图中黑色部分表示变形后模型所在位置，反映了变形前后位置的叠加。得知：臂架整体位移为绕着Y轴的移动和X轴的转角变化，在臂架右侧前半段的最大位移区域，位移量达到了36.86mm，扭转角达到了15°。
图4为臂架在Z方向的应力分布云图。在臂架根部的水平撑杆部分存在最大应力142MPa，推断在长期作业中，若此应力长期累积，加之动载荷的影响，该撑杆极易发生失稳变形，此推断结果也与现场实际故障相符，同时也验证了计算的正确性。
1.2斗轮的有限元分析
将斗轮的三维实体模型，导入到ANSYS环境中。采用四面体单元对其进行划分，根据斗轮工作的实际情况，施加约束和载荷。
图5为斗轮的应力分布云图，可知其应力分布在38.8~96.9MPa之间，最大应力为174MPa，位于内轮圈以及辐条根部。
图6斗轮的位移分布云图，可以看出最大位移量分布在与物料接触面积相对较大的两铲斗的受力部位，最大量为12.67mm。
2臂架的模态分析
作为一种连续作业的机械，斗轮取料机在工作时会受到周期性的挖掘力作用。KL-7型斗轮取料机在满载取料工作，臂架会发生异常的颤动。因此本文将对该取料机满载取料工作时的臂架进行模态分析，以找到引起它的振动故障的原因并提出改进措施。
将在SolidWorks中建好的臂架模型导入到ANSYS中，然后指定单元类型、定义单元实常数、输入材料属性、划分有限元网格等，最后提取结果。
表1为臂架的模态分析结果图。表2给出了KL-7型斗轮取料机臂架的前10阶固有频率及对应的最大振幅及最大转角。
通过固有频率，我们可以考察外部激励对该KL-7型斗轮取料机的影响。KL-7型斗轮取料机在完成取料作业时，物料对斗轮的冲击会周期性地对臂架结构产生激励。同时，由斗轮取料作业时的工作转速：ω=7r/min，可得到铲斗的激励频率为：
。与表2对比，可知此激励频率与KL-7型斗轮取料机臂架的第二阶固有频率0.85495Hz相接近。因此，可推断该斗轮取料机在满载工作时的振动故障与该频率有关，在作业中应该尽量避开ω=7r/min左右的频段，以防止共振故障的发生。
3实验验证
为了验证理论分析结果，我们在KL-7型斗轮取料机的工作现场，对该取料机主体钢结构关键部位动应力等参数进行了现场实测。
本实验采用应变片电测法对KL-7型斗轮取料机承担动载荷的主要部位以及日常运行时易出现问题的部位进行了测量。同时考虑到粘贴应变片的可行性，本此测试共选择了10个测点，如图7所示。
图7应力测点部位
对该取料机的悬臂俯仰、回转、整机行走和取料过程中各测点的动态应力变化情况进行了测量。表3为最后分析计算的结果统计最。
由表3可以看出，C1、C2和E三点在整个过程中应力值变化幅度较大。说明这三点是危险点，应该引起高度重视，考虑加强局部强度。
将KL-7型斗轮取料机在正常取料作业时，得到的实测值与有限元值的结果做对比，如表4所示。
由表4可知，测点的有限元分析的结果与实测值基本吻合。其中相差最大的点，右侧悬臂后拉杆焊缝处，其实测值与计算值的误差为9.2%。分析产生误差的原因，主要是测点与有限元分析结果的取点不完全重合，同时有限元模型简化过多与实际结构不完全相似；有限元分析没有考虑钢结构抵抗变形的能力，有可能造成局部应力过大等。
4结论
综上所述，通过对KL-7型斗轮取料机臂架机构的静动态特性分析，可以对前面所提到的故障做以下解释：
（1）失稳：从臂架Z方向的应力云图可知，在臂架根部端的前几根水平撑杆应力值过大，可以得出在长期作业中，加之应力的累积和动载荷的影响，这些撑杆极易发生失稳变形，计算结果与现场实际故障相符，工作人员应及时采取修复措施，对局部危险部位进行加固。
（2）振动：通过对臂架的模态分析可知，臂架的第二阶固有频率与KL-7型斗轮取料机满载作业时，铲斗的激励频率接近，极易引起臂架振动，因此在作业时尽量避开左右的频段，以防止共振故障的发生。
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［责任编辑：刘展］
