论斗轮堆取料机悬臂耳板裂纹原因分析与处理

论斗轮堆取料机悬臂耳板裂纹原因分析与处理

闫春霖

大连华锐重工集团股份有限公司辽宁大连116013

摘要：机械化水平的提升，使得斗轮堆取料机被广泛的应用于大型水泥厂、采煤场、采石场以及大型散货港口当中，并在其大宗散货连续装卸过程中发挥着非常积极的作用。但是随着料场空间以及工作量的增大，对于斗轮堆取料机的要求也越来越高。很多企业为了提升斗轮堆取料机的工作效率，使得其悬臂架越来越长，并且配重架和斗轮的质量也得到了增加，这样一来，就对斗轮堆取料机的整体质量提出了诸多新的要求。在实际的使用过程中，尽管新型的斗轮堆取料机可以在较大程度上实现生产及工作效率的提升，但是也存在着诸多问题，其中就包括斗轮堆取料机悬臂耳板裂纹。只有对其产生的原因进行分分析，并提出相应的处理措施，才能真正的发挥出设备在提升生产效率方面的积极作用。

关键词：斗轮堆取料机；悬臂耳板；裂纹原因

1导致斗轮堆取料机悬臂耳板裂纹产生的原因分析

1.1设备静强度分析

研究发现，当斗轮堆取料机运行时，当其悬臂受到侧向荷载时，在悬臂耳板出就极易产生应力集中，进而导致悬臂耳板出现裂纹。一般来说当设备在非工作风和侧面碰撞两种状态下极易出现侧向荷载，因此，对设备静强度进行分析时，也应从非工作风和侧面碰撞两种工况对其进行分析。首先是非工作风工况下设备静强度分析。在非工作风工况下，一般来说，设备大多处于停机状态，悬臂的状态为：设备悬臂与大车轨道保持平行，斗轮锚固且驱动轮组处于刹车状态。在进行分析过程中，则应在大车上部、支腿铰接处以及斗轮支撑面设置固定约束，并放开各铰接处的旋转自由度，然后对其载荷进行计算。对于斗轮堆取料机设备而言，其悬臂耳板的载荷主要由重力载荷和风载荷组成，根据相应的数据以及设备各个部件的迎风面积、折减系数以及风力系数，可以对各个部件的风载荷进行计算，得出总风载荷之后，对非工作风工况下斗轮堆取料机的约束载荷以及设备状态进行分析。而对于斗轮堆取料机悬臂耳板而言，在非工作风下，通过计算可以得知，其最大应力明显小于材料许用应力，并且位于悬臂耳板根部，也就是说，在非工作风工况下，基本不会发生耳板裂纹。

图2非工作风工况耳板处等效应力分布

1.2设备疲劳分析

在斗轮堆取料机运行取料过程中，认为斗轮机悬臂周期性应力变化也很有可能导致悬臂耳板出现裂纹，因此，本文也对设备疲劳进行了分析。在进行设备疲劳分析时，与静强度分析相类似，但是在实际的分析过程中，对进行载荷计算时，仅仅需要对斗轮的切削力和侧阻力进行考虑。就现阶段我国斗轮堆取料机设备而言，其设计的正常切削力为24kN，侧阻力为7kN。就本次分析过程中所选择的斗轮堆取料机设备而言，其斗轮转速为6r/min，设备共个9个斗轮，因此设备装载频率为54r/min，这样一来，就可以确定，斗轮切削力和侧阻力极易导致设备在其运行过程中，使其结构应力出现周期性变化。通过计算我们可以发现，对于悬臂耳板而言，其疲劳分析后的最大主应力为8.5MPa，最小主应力为-10.1MPa，其疲劳应力变化范围为18.6MPa。

图5耳板处最小主应力分布

1.3设备模态分析

尽管设备外部荷载影响下，不会产生疲劳裂纹，但是在设备实际的运行过程中，如果外部荷载的频率与结构固有频率相同或者是接近，就很容易产生共振，进而使得悬臂耳板根部应力值增高，这样一来，就很可能会出现疲劳裂缝。基于这一设想，本文对斗轮堆取材料及悬臂结构进行了设备模态分析。对于模态分析而言，其约束条件与静强度分析相同，但是在实际的分析过程中，并不需要对外载荷以及阻尼进行考虑，采用Lanczos法对其特征值进行分析，分析结果表明，在悬臂进行左右摆动时，极易引起耳板根部应力集中，其固有频率为0.898Hz，而对于本次研究中的斗轮堆取料机而言，其运行过程中所产生的切削力和侧阻力为0.900Hz，该频率与设备固有频率基本相似，这样一来，就极易使得悬臂在外载的作用下，产生共振，进而导致悬臂耳板处应力增大最终出现裂纹。经过分析可以得知，导致斗轮堆取料机耳板裂纹出现的主要原因为：外部荷载频率与设备固有荷载相同时，就非常容易产生共振，进而导致悬臂耳板根部应力增大，最终出现裂纹。

3斗轮堆取料机悬臂耳板裂纹处理具体对策

2.1做好斗轮堆取料机悬臂耳板设计工作

斗轮堆取料机设计工作作为保证其质量的重要因素，对于降低其悬臂耳板裂纹发生有着非常积极的意义。在实际的设计过程中，相关设计人员应根据我国现阶段对于斗轮堆取料机的实际应用要求，结合现阶段我国斗轮堆取料机发展现状，对于设备结构的刚度、强度以及疲劳问题进行充分考虑，此外，还应对设备的结构动力学特征进行考虑，从全方位出发，对设备进行合理的设计，并以此来降低外载作用下引起共振的发生率。

2.2做好斗轮堆取料机悬臂耳板焊接工作

一般来说，在斗轮堆取料机制造过程中，其悬臂耳板的制造工艺主要是以焊接工艺为主，因此，做好斗轮堆取料机悬臂耳板的焊接工作也是降低裂缝发生的一项重要策略。在实际的焊接工作开始前，焊接人员应首先根据设备所使用的材料，制定相应的焊接工艺卡，并选择相应的焊接工艺，以此来保证焊接的合理性；其次，在进行焊接时，焊接工作人员应严格按照工艺卡的要求开展焊接工作，并尽量消除焊接的残余应力；最后，在焊接完成后，相关工作人员还应做好焊缝的表面处理工作，例如焊缝表面的清洗抛光工作等等。

2.3采用局部加固的方式对设备进行改造处理

随着现阶段料场面积的增大以及对于设备工作效率要求的提升，使得现阶段斗轮堆取料机的悬臂架、配重架以及斗轮质量都得到了明显的增强，这样一来，则会在较大程度上导致悬臂耳板裂缝的发生。尽管改变斗轮转速以及更改悬臂可以在一定程度上降低裂缝的发生，但是这项工作的周期太长，往往会对长期装卸工作产生较大的影响。因此，为了保证装卸工作的运行，笔者认为，可以采用局部加固的方式对设备进行必要的改造。首先，对设备它家局部进行加固，方法为在塔架各梁交叉处，加设厚度为16mm的加强肋，以此来降低设备悬臂梁的固有频率，一般来说当塔架加固后，悬臂左右摆动的固有频率降低，这样一来，就与外载作用下的频率存在一定的差距，可以有效的避免共振情况的发生；其次，还可以通过在耳板外侧增设3个厚度为16mm的加强肋的方式来降低设备的等效应力，研究结果表明，当在耳板外侧增设加强肋之后，耳板根部的最大等效应力为110MPa，较之改造前的132MPa，得到了明显的降低，这样也可以有效的避免斗轮堆取料机悬臂耳板裂纹出现。

3结论

基于有限元法依次对斗轮堆取料机进行了静强度、疲劳强度和模态分析，最终确定悬臂耳板裂纹产生的原因是共振所致。通过局部加固塔架避免了悬臂共振，并设置加强肋改善了耳板局部的应力状态，避免了裂纹的再次发生。需要指出的是，本文采取的只是改造方案，要想从根本上解决耳板的裂纹问题，必须从最初的设计入手，不仅要考虑结构的刚度、强度和疲劳问题，也要考虑结构的动力学特性，避免外载激励引起共振。同时在焊接施工过程中，应尽可能地消除焊接残余应力，做好焊缝表面的清理抛光工作，避免焊缝位置产生应力集中。

参考文献：

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