斗轮堆取料机轴承支座系统受力分析
2016-10-17李刚
（大唐科技产业集团有限公司，中国上海，200122）
（大唐科技产业集团有限公司，中国上海，200122）
摘 要：斗轮堆取料机在工作时候，承受挖掘力和侧向挖掘力。旋转轴通过支座，固定在取料机机头部，传递扭矩，其受力情况较为复杂。通过一实际例子，分析轴承支座的受力，并对轴承座进行有限元分析。
关键词：斗轮堆取料机；轴承座；受力分析；有限元分析
0 引言
斗轮堆取料机是利用斗轮连续取料，用机上的带式输送机连续堆料的有轨式装卸机械。它是散装物料（散料）储料场内的专用机械，是在斗轮挖掘机的基础上演变而来的。作为一种常用设备，具有挖掘效率高，转动灵活，已经成为开采矿业不可缺少的常用设备。适用于堆积料场数量较少及堆取料机设备数量较少的条件，如发电厂、水泥厂、化工厂等的一个或两个料场。
斗轮堆取料机是利用斗轮连续取料，用机上的带式输送机连续堆料的有轨式装卸机械。它是散装物料（散料）储料场内的专用机械，是在斗轮挖掘机的基础上演变而来的。作为一种常用设备，具有挖掘效率高，转动灵活，已经成为开采矿业不可缺少的常用设备。适用于堆积料场数量较少及堆取料机设备数量较少的条件，如发电厂、水泥厂、化工厂等的一个或两个料场。
斗轮机构是取料的工作机构，包括斗轮及其驱动装置。当铲斗随轮体旋转至卸料区时，斗中物料在自重作用下经斜溜槽滑到带式输送机上，它的卸料区间大，因为斗轮转速较高，可提高作业能力，能卸较粘物料。斗轮轴高速旋转，传递切割力和提升物料的力。对于斗轮轴和轴承座来说，目前设计多是参照原有设计进行，没有统一详细的分析计算。
本文以一工程项目分析为例，计算斗轮轴的受力状况，将斗轮轴受力分析彻底明确。再对斗轮轴承座进行有限元分析，可以将此系统分析量化，为以后的轴承选型，优化做基础。
1 斗轮轴的受力分析
本文以一台典型的斗轮堆取料机轴承支座系统为例。其出力为1250t/h，斗轮轴与水平面的倾角为10°，斗轮和驱动系统通过斗轮轴传递扭矩，斗轮轴通过轴承座，固定在取料机前臂架上。当斗轮机正常工作时候，斗轮受到挖掘物料阻力，铲斗将物料铲起，提升至一定高度，铲斗内物料倾倒在前臂架的皮带机上，由皮带机将物料输送走，其挖掘力由斗轮轴另一侧的驱动电机提供，驱动电机与斗轮轴相连，扭力臂固定在前臂架上；斗轮受到挖掘侧向阻力，通过斗轮体传递到斗轮支座上，然后传递到取料机回转机构。斗轮取料机工作时候，受力较多，同时驱动轴与水平面存在夹角，受力复杂，计算驱动轴支座处力较困难。
设定靠近驱动一侧的轴承支座为A点，靠近斗轮一侧的轴承支座为B点，分析斗轮轴的受力，是一典型的斗轮驱动系统，其布置如图所示：
本文以一工程项目分析为例，计算斗轮轴的受力状况，将斗轮轴受力分析彻底明确。再对斗轮轴承座进行有限元分析，可以将此系统分析量化，为以后的轴承选型，优化做基础。
1 斗轮轴的受力分析
本文以一台典型的斗轮堆取料机轴承支座系统为例。其出力为1250t/h，斗轮轴与水平面的倾角为10°，斗轮和驱动系统通过斗轮轴传递扭矩，斗轮轴通过轴承座，固定在取料机前臂架上。当斗轮机正常工作时候，斗轮受到挖掘物料阻力，铲斗将物料铲起，提升至一定高度，铲斗内物料倾倒在前臂架的皮带机上，由皮带机将物料输送走，其挖掘力由斗轮轴另一侧的驱动电机提供，驱动电机与斗轮轴相连，扭力臂固定在前臂架上；斗轮受到挖掘侧向阻力，通过斗轮体传递到斗轮支座上，然后传递到取料机回转机构。斗轮取料机工作时候，受力较多，同时驱动轴与水平面存在夹角，受力复杂，计算驱动轴支座处力较困难。
设定靠近驱动一侧的轴承支座为A点，靠近斗轮一侧的轴承支座为B点，分析斗轮轴的受力，是一典型的斗轮驱动系统，其布置如图所示：
1.1 垂向载荷
1）计算自重工况，A点和B点的支反力。电机重量G电机，斗轮轴重量G轴，斗轮重G斗轮，根据力的平衡方程，可以计算得到静止状态下，A点和B点的支反力GA静，GB静；
2）计算工作载荷对A点和B点的影响。斗轮机工作时候，不光挖掘物料，还要提升物料，在垂直方向上，对轴承支座AB点有影响。计算过程如下：在额定工作状态时候，根据生产率及物料提升高度，计算得提升物料的重量F提升物料。根据驱动轴输出扭矩及驱动电机与轴心的距离，计算得扭力臂力F扭力臂。进一步计算得到A和B点在工作时候的垂向受力结果GA工作1，GB工作1（符号表示受力方向反向）。
1.2 水平载荷
1）水平方向（挖掘力-沿斗轮机臂架方向）：
由驱动轴输出额定扭矩除以斗轮半径得到驱动轴输出力，扣除提升物料部分，得到斗轮挖掘力，其方向沿斗轮机前臂架方向F额定挖掘力，根据力的平衡方程，计算得到A点和B点的沿斗轮机臂架方向的水平力FA工作和FB工作。
2）水平方向（侧向挖掘力-垂直斗轮机臂架）：
斗轮机侧向挖掘力N侧向力为切向挖掘力的0.3倍[1]，根据力的平衡原理，得到A和B点的水平支反力NA工作和NB工作以及垂向支反力GA工作2和GB工作2。
1.3 力的合成
根据上文，计算得到的A点，B点的水平和垂向力，进行力的合成。根据斗轮轴与水平面的倾斜角度，可以计算得到A点和B点的轴承处的轴向力和径向力。
2 斗轮驱动支座的有限元分析
在斗轮机设计中，斗轮驱动轴承座起着支撑斗轮轴的作用，由于斗轮轴传递力较复杂，根据上文计算得到的A点和B点处的轴承座支反力，有必要对轴承座进行强度分析。笔者通过三维软件Auto CAD建模，将其导入到ANSYS workbench中，进行结构静强度计算。
2.1 ANSYS workbench简介
ANSYS是一种高效通用的有限元分析软件，它融结构，流体，电磁场，声场和热场分析为一体，应用于各个行业，具有强大的建模能力，求解能力，非线性分析能力，后处理能力，多场耦合能力及二次开发能力，可进行静力分析，特征屈曲分析，模态分析，谐响应分析，谱分析，显式功能分析等，可以高效的应用于工程分析中[2]。Workbench作为ANSYS公司于2002年开发的新一代产品研发平台，不但继承了ANSYS经典平台在有限元仿真分析上的所有功能，而且提供了与许多主流CAD三维软件数据交流的接口，真正实现了集产品设计，仿真和优化功能于一体。Ansys workbench mechanical 模块利用ANSYS的求解器进行结构和热分析，网格划分也包含在mechanical应用中。ANSYS workbench mechanical的分析类型包括：结构（静态和瞬态），线性和非线性结构分析，动态能力，模态，谐波，随机振动，柔体和刚性动力学，热传递（稳态和瞬态），求解温度场和热流磁场，形状优化，该模块包含四种类型载荷：惯性载荷，结构载荷，结构支撑和热载荷。具体说，可以实现简便加载，可以在面上直接加载力矩，轴承载荷，约束方便，可以对结构加圆柱面约束，简支约束，能实现自动划分网格[3]。本文分析轴承座，采用的方法是，在CAD中进行三维实体建模，导入workbench，进行加载分析。图2为CAD中导入的三维模型，mesh后的结果：
1）计算自重工况，A点和B点的支反力。电机重量G电机，斗轮轴重量G轴，斗轮重G斗轮，根据力的平衡方程，可以计算得到静止状态下，A点和B点的支反力GA静，GB静；
2）计算工作载荷对A点和B点的影响。斗轮机工作时候，不光挖掘物料，还要提升物料，在垂直方向上，对轴承支座AB点有影响。计算过程如下：在额定工作状态时候，根据生产率及物料提升高度，计算得提升物料的重量F提升物料。根据驱动轴输出扭矩及驱动电机与轴心的距离，计算得扭力臂力F扭力臂。进一步计算得到A和B点在工作时候的垂向受力结果GA工作1，GB工作1（符号表示受力方向反向）。
1.2 水平载荷
1）水平方向（挖掘力-沿斗轮机臂架方向）：
由驱动轴输出额定扭矩除以斗轮半径得到驱动轴输出力，扣除提升物料部分，得到斗轮挖掘力，其方向沿斗轮机前臂架方向F额定挖掘力，根据力的平衡方程，计算得到A点和B点的沿斗轮机臂架方向的水平力FA工作和FB工作。
2）水平方向（侧向挖掘力-垂直斗轮机臂架）：
斗轮机侧向挖掘力N侧向力为切向挖掘力的0.3倍[1]，根据力的平衡原理，得到A和B点的水平支反力NA工作和NB工作以及垂向支反力GA工作2和GB工作2。
1.3 力的合成
根据上文，计算得到的A点，B点的水平和垂向力，进行力的合成。根据斗轮轴与水平面的倾斜角度，可以计算得到A点和B点的轴承处的轴向力和径向力。
2 斗轮驱动支座的有限元分析
在斗轮机设计中，斗轮驱动轴承座起着支撑斗轮轴的作用，由于斗轮轴传递力较复杂，根据上文计算得到的A点和B点处的轴承座支反力，有必要对轴承座进行强度分析。笔者通过三维软件Auto CAD建模，将其导入到ANSYS workbench中，进行结构静强度计算。
2.1 ANSYS workbench简介
ANSYS是一种高效通用的有限元分析软件，它融结构，流体，电磁场，声场和热场分析为一体，应用于各个行业，具有强大的建模能力，求解能力，非线性分析能力，后处理能力，多场耦合能力及二次开发能力，可进行静力分析，特征屈曲分析，模态分析，谐响应分析，谱分析，显式功能分析等，可以高效的应用于工程分析中[2]。Workbench作为ANSYS公司于2002年开发的新一代产品研发平台，不但继承了ANSYS经典平台在有限元仿真分析上的所有功能，而且提供了与许多主流CAD三维软件数据交流的接口，真正实现了集产品设计，仿真和优化功能于一体。Ansys workbench mechanical 模块利用ANSYS的求解器进行结构和热分析，网格划分也包含在mechanical应用中。ANSYS workbench mechanical的分析类型包括：结构（静态和瞬态），线性和非线性结构分析，动态能力，模态，谐波，随机振动，柔体和刚性动力学，热传递（稳态和瞬态），求解温度场和热流磁场，形状优化，该模块包含四种类型载荷：惯性载荷，结构载荷，结构支撑和热载荷。具体说，可以实现简便加载，可以在面上直接加载力矩，轴承载荷，约束方便，可以对结构加圆柱面约束，简支约束，能实现自动划分网格[3]。本文分析轴承座，采用的方法是，在CAD中进行三维实体建模，导入workbench，进行加载分析。图2为CAD中导入的三维模型，mesh后的结果：
图3所示，为斗轮驱动轴承座的有限元模型图及加载和约束方式。
轴承座通过螺栓，连接到斗轮机前臂架上。斗轮机工作时候，斗轮驱动轴穿过斗轮轴承，将扭矩从驱动电机传递到斗轮上，完成挖掘动作，同时，侧向挖掘力传递到斗轮轴的支座上。斗轮轴承座承受径向和轴向载荷，在上一章节中，对于轴承座支点的受力已经进行了详细的介绍。将力的计算结果，施加到模型中，轴向力为force，沿着Z向；径向力为remote force，沿着Y向。
在有限元模型中施加约束：在轴承座的8个螺栓位置，施加水平约束，在轴承座底部施加垂向约束。然后在有限元软件ansys workbench中进行求解计算。
在有限元模型中施加约束：在轴承座的8个螺栓位置，施加水平约束，在轴承座底部施加垂向约束。然后在有限元软件ansys workbench中进行求解计算。
图4为workbench中后处理里的强度分析结果。有限元应力分布结果显示：斗轮机工作时候，轴承座大部分区域为蓝色，即处在低应力区，在轴承座的圆套与地板两侧联系板，应力较其他部位稍大，是因为这里做了板的减薄处理，同时在板中心开了两个圆孔。从计算结构上分析，轴承座在斗轮机正常挖掘工况下，满足强度要求。轴承座只是起支撑驱动轴的作用，驱动轴旋转并传递扭矩，所以轴承座受到的载荷基本恒定，因此没有疲劳问题，只进行强度计算即可。即，此轴承座满足设计要求。
3 结论
（1）斗轮机工作时候，驱动电机通过驱动轴带动斗轮完成挖掘动作，斗轮承受挖掘力和侧向挖掘力，通过驱动轴传递到轴承座上。计算轴承座处的受力要考虑自重，挖掘力，侧向挖掘力对斗轮轴的影响。
（2）计算各项载荷在轴承座处的反力，并进行力的合成，并根据驱动轴与水平面夹角，转化为轴承座的轴向力和径向力。
（3）通过轴的受力分析，得到轴承座的受力结果，在有限元软件中，建立轴承座的模型，施加力和约束并求解，得到轴承座分析结果。
（4）通过手算，得到斗轮驱动系统各部分的受力情况，并施加到有限元模型中，计算轴承座，完成斗轮驱动系统的受力分析。
（1）斗轮机工作时候，驱动电机通过驱动轴带动斗轮完成挖掘动作，斗轮承受挖掘力和侧向挖掘力，通过驱动轴传递到轴承座上。计算轴承座处的受力要考虑自重，挖掘力，侧向挖掘力对斗轮轴的影响。
（2）计算各项载荷在轴承座处的反力，并进行力的合成，并根据驱动轴与水平面夹角，转化为轴承座的轴向力和径向力。
（3）通过轴的受力分析，得到轴承座的受力结果，在有限元软件中，建立轴承座的模型，施加力和约束并求解，得到轴承座分析结果。
（4）通过手算，得到斗轮驱动系统各部分的受力情况，并施加到有限元模型中，计算轴承座，完成斗轮驱动系统的受力分析。
参考文献
[1]Australian Standard.Mobile equipment for continuous handling of bulk materials Part 1 General requirements for design of steel structures[Z].AS4324.1-1995：13.
[2]刘力,李明万,贾粮棉.基于ANSYS的有限元分析在工程中的应用[J].黄石理工学院学报,2007,10：32.
[1]Australian Standard.Mobile equipment for continuous handling of bulk materials Part 1 General requirements for design of steel structures[Z].AS4324.1-1995：13.
[2]刘力,李明万,贾粮棉.基于ANSYS的有限元分析在工程中的应用[J].黄石理工学院学报,2007,10：32.
[3]须劲松.基于ANSYS workbench的从动轴设计[J].南通纺织职业技术学院学报：综合版,2011,09：07-08.
来源：《科技视界》2015年16期