斗轮堆取料机斗轮体结构分析与优化设计

斗轮堆取料机斗轮体结构分析与优化设计

张守杰

日照钢铁有限公司   山东日照  276806

摘要：斗轮式取料机在煤矿、汽车运输、公路建设等领域中有着无可取代的地位，它是一种高效率的设备，是大体积物料的搬运装置。利用有限元数据分析的方法，通过构建试验模型，对优化设计进行验证，使得现在的斗轮体体积减小，使斗轮体整体重量减轻，从而节约了原料，并降低了制造费用。

关键词：斗轮堆取料机；斗轮体结构；有限元分析；优化设计

前言：

斗轮堆取料机是全球范围内规模最大的一种散料处理成套设备，在火力发电厂、港口码头、钢铁以及矿山等领域有着重要应用价值。随着散料输送系统的快速发展，斗轮堆取料机开始朝着自动化、系列化、大型化的方向发展。它是由斗轮机构、前臂架、平衡机构、回转机构、门座架和行走机构等构成，其中，斗轮机构是其实现堆取料功能的重要构件，处于前悬臂的最前端，其重量对整机的重量和平衡木有直接的影响。所以，要实现斗轮本体的轻量化，需要对斗轮体结构进行优化设计。

1.斗轮堆取料机

斗轮堆取料机是一种重要的散料处理装备，在我国热电厂、冶金、矿山等特殊产业的迅速发展中，其装备水平逐步提高，它在矿业、钢铁冶炼、电力、交通、水泥、化工等领域有着广泛的应用。该系统包括：斗轮、前臂构架、相对平衡构架、回位构架、车门构架以及与行走有关的机械部件。以此为基础，斗轮与机械装置是其堆积与回收的重要特点。由于其位置在前轮吊杆顶端，所以其重量对整机的自重及动力平衡都有很大的影响。由于铲斗摇臂的轻量化是一种对机身轻量化的有效方法，要提出一种新的结构设计方案，并对其进行改进，进而实现在新产品的细节设计，其技术革新与突破，以及独特的设计发展。这种设计不仅有着非常大的实用价值，还有着非常高的原料价值，并且能够对其进行系统性的引导，对其提升产品的总体性能和品质，降低劣质材料的消耗具有很大帮助。目前，国内外对斗轮堆垛器的具体设计大多是根据设计者的实际工作经验进行的，缺少系统化的理论指导，也缺少精确性。为有效改变这种现状，可利用ANSYS的局部参数化程序APDL，建立斗轮式堆取器的数学模型，并在此基础上对其进行数值模拟。以小车主体总容积为大的目标为调换功能，对轮斗主体的大小进行设计与匹配，从而实现手提式斗轮堆取料机特有的具体设计目的，并对其进行详尽的结构分析，对其进行全面的优化，为今后的研究奠定坚实基础。

2.基于APDL的斗轮体有限元分析

2.1参数化模型的建立

在对吊车走行装置进行具体的优化设计前，必须充分运用APDL中的参数化函数，以便对取料装置本体进行参数化处理。由于斗轮的外形、尺寸比较复杂，而常规的设计方法又十分繁琐，因此，只对其进行有限元计算将会对其整体状态产生不利影响。然而，在构建不同参数化的过程中，需要对铲斗尾部进行简化，从而使铲斗尾部的总体强度变化不大。选取三个关于煤层隔板主体的参数化模型的参数dql1、dql3、dql5进行深入的有限元分析，并对其进行优化。在顺利地对各种参数图片进行描述之后，程序将会进行一直到模型的建立。所以，由于斗轮的主要部分是一个薄壁结构，可以对壳体的每一个单元或者真实的单元进行建立模型。采用壳体内的每一个元素进行整体的构型优化设计，能极大地降低计算的工作量。但是，在能够进行剪切力的情况下，只能采用各单元沿各向异性的单元层数，而且在计算时与实测值有很大的误差。为了使壳元的数值计算更为精确，本文选用了SHU281型中的每一种，并将壳元的厚度设为0.01m，先确定了又一参数化的提取器模型，再快速地进行了多参数化的逐步构建，这是目前缺少Meta分析的关键环节。大尺度网格剖分的优劣直接影响到网格剖分结果的准确性，并且低品质的网格会影响到算法。因此，对其进行详细的有限元计算是十分必要的。目前对吊车走行机构的参数化模型均采用了高级任意剖分法，且各剖分法各不相同。

2.2加载与约束

斗轮堆高车是一种不间断作业的机械，由于工作过程中，铲斗的轮体在长时间内不断地转动，而其转速只有6r/min，所以，铲斗所受的负荷可以看作是静态负荷，需要施加很大的负荷，而载荷则比较集中于铲斗的轮身上。同时，在三个不同的参数化关联模型中，分别施加三个不同的推力技巧和三个不同的高速转动约束，使得三个不同的参数化关联模型的构建的自由度为0。模型法采用了对车门外侧和车轮本体进行加压的模拟，在三种情况下，基于安全调整系数，对铲斗进行了强化，但仍存在较大余量。然而，为了降低335公斤的体重，节约更多的物料，有效改善市场效益，必须对铲斗的轮身进行更新和优化。

3.斗轮体优化设计

3.1优化设计概述

细部设计的更新与优化是寻找细部设计最优解的关键技术。其基本思路是：在满足设计需求的前提下，通过建立一系列的连续优化模型，利用各类全局最优算法及迭代法，得到某一具体目标函数的最优值，进而得到最优的设计方案。实质上，更新的优化设计是另外一种令人愉悦的重复过程，它可以进行深度的分析、评价和修正。这要求用FEM对同一设计方案中各个子类进行细致的数值模拟，以及对更新后的参数进行全面的综合评价，从而在一定程度上提高一些设计方案的性能。在独创设计领域，对独创设计进行全局最优，不仅可以大大提升设计方法的品质，而且还可以实现多个产品的集成。由于中国目前采用的是多种施工方法，而这些方法往往会对其施工进度产生一定的影响。在摊铺机运转之后，它的速度与外界因素有一定的关系，比如：混合物的供给能力、混合搅拌器的种类、摊铺机的横截面积的大小、摊铺机的种类等等。在摊铺超细的水泥路时，要视具体条件，采用较高的输送速率和螺旋速率的摊铺机。通常情况下，采用一种简便的计算方法，并结合地砖的铺展情况，来决定其工作速度。在铺设时，不能任意地调整过大的水稳定速率。在此基础上，提出了一种新的沥青混合料摊铺率的总体变化规律。

3.2优化设计的数学模型

总体来说，升级优化的独特设计的物理和数学模型可以概括为：在满足三个正面道德约束的条件时，短期目标函数数据值可以很小（或最多），也就是选择设计方法变量，选择铲斗轮体的所有参数化建模dql1,dql3和dql5，来进行煤障板优化升级部分的设计，三种尺寸及参数可作为设计的配合变数。要达到刮水器机身的重量，在对铲斗整体重量进行量化时，应该将其作为一个大目标函数，对铲斗整体重量进行优化。斗轮身采用同一种特殊钢材，高密度，搅拌均匀。在整体优化详细设计中，没有选择起重机行进机构主体v0lum的总体积和重量的长期目标表达式，此外，应该选择铲斗轮中的一个，SMAx也会发生变化，在对其进行优化和升级详细设计的时候，铲斗主体能够充分满足更高强度规范的要求。

3.3选择优化的升级设计

在选择优化的升级设计基础上，提出了一种APDL的零阶方案和一阶方案，并对其进行分析。在一些结构的总体优化问题中，零阶一般法是最为常见的一种。本项目拟采用“零次法”、“单步法”、“随机法”、“最优启动泛函法”、“子题法”等求解问题。一阶解法采用了中间偏导数，且采用了大目标函数的一阶解法，计算结果精确，特别适合于求解对象函数的变化与给定目标函数的变化值，且能解决设计协调性与回复性较强的问题。基于三次子问题的先进算法，能够对设计协调变量、变动变量及长期目标进行全面评估，该一般方法可表示成一种零阶四次的渐进式，利用最小二乘法代替拟合算法的逼近，将有约束的最优解转化为无约束优化问题。在构建APDL斗轮推进器时，基于全参数化的模型结构和先进的结构形式，要对斗杆旋转臂的详细设计和综合优化进行深度分析，从而避免多次重复模具和反复加工的情况。

结术语：

通过采用优化设计的数学模型和优化的升级设计，并对优化结果进行分析，我们发现，斗轮体的应力分布比较合理，采用该方法后，斗轮体的总体积降低了6.54%，在实际应用中，具有非常好的优化效果，达到了轻量化的目的。

参考文献:

[1]穆鹏飞.现代斗轮堆取料机的发展趋势[J].上海电力.2019,(1).3.