火车车厢余煤智能清理机器人龙门架有限元分析.pdf

2023.27 科学技术创新火车车厢余煤智能清理机器人龙门架有限元分析吕磊1，董淑超1，孔德龙1，谢振钊1，张洪言2，董超2（1.安徽华电六安发电厂有限公司，安徽 六安；2.山东智信电力科技有限公司，山东 济南）煤炭在长距离运输过程中不可避免的会出现粘煤和冻煤现象，在翻车机卸车后需要对敞车余留粘煤进行二次清理以提高运力，降低损失1。余煤清扫机的出现成功解决了人工清扫存在的诸多问题，但余煤清理机体积和重量都比较大，在清扫完成后需要借助上方的卷扬机将包含煤炭的清理装置提升，这将会对起升该装置的龙门架有很高的要求。本文首先建立龙门架的三维模型，然后对龙门架进行静强度分析，得到龙门架在最大工作状态下是否满足静强度要求。使用subspace(子空间法)对龙门架结构的模态进行有限元分析，得到龙门架结构前六阶固有频率和固有振型2。利用分析结果，对龙门架设计的安全性和合理性进行评估，为余煤清扫机龙门架的安全使用提供了理论依据。1车厢余煤清扫机龙门架整体结构余煤清扫机龙门架结构包括立柱、承重梁，导轨等构件，如图 1 所示。龙门架承重梁为主要的受力部件，其主要采用工字钢，横截面参数如表 1。桥架通过四个滚轮安装在导轨上，桥架上安装有移动小车，移动小车在桥架上可横向移动，卷扬机就安装在移动小车上，卷扬机需要起重的最大重量为 16 t，单根导轨的重量为 737.9 kg，导轨长度为 18 600 mm。其他参数如表 1 所示。2余煤清理机龙门架受力分析2.1承重梁工况与受力分析在该清扫机龙门架结构中，承重梁和立柱是两个作者简介院吕磊（1986-），男，大专，工程师，研究方向：热能与动力工程。摘要：车厢余煤清扫机的龙门架承受载荷大，而承重梁是龙门架的主要承重件。结合某规格车厢余煤清扫机器人龙门架，通过材料力学理论计算与有限元软件 ANSYS Workbench 数值模拟仿真相结合的方法，对龙门架承重梁的强度和刚度等静态性能进行分析，理论计算结果和仿真结果吻合较好，验证了龙门架设计的安全性和可靠性；通过模态分析，得到了承重梁的前六阶模态参数，数值表明承重梁在一定程度上可以避免共振，为龙门架的动态设计提供了理论依据。关键词：余煤清扫；龙门架；承重梁；有限元；模态分析中图分类号院TH21文献标识码院A文章编号院2096-4390渊2023冤27-0193-041.立柱；2.钢瓦；3.支撑杆；4.移动小车；5.桥架；6.承重连接梁；7.承重梁；8.导轨图 1车厢余煤清扫机龙门架结构承重梁截面系数（mm）主要技术参数 上翼缘板宽 300 额定起重量 16 t 下翼缘板厚 16 长度 19 m 上翼缘板厚 16 小车轨距 8.29 m 腹板高 358 小车轨道高度 7 m 腹板厚 6 起升速度 8 m/s 腹板间距 8 296 小车速度 40 m/s 承重梁材料 Q235A 工作级别 A7 表 1余煤清扫机龙门架参数193-科学技术创新 2023.27主要的承重件，承重最大且极易发生疲劳破坏结构的是承重梁，因此在本文中主要以该清理机龙门架承重梁为研究对象展开相关研究讨论。以桥架移动至承重梁正中间为工况一，以移动至两端为工况二，由分析可知工况一时承重梁有两个集中力作用点，工况二时有一个集中力作用点。承重梁两端点定义为点 A、点 B。假设移动小车移动至一端，小车和提升重物的质量全部通过滚轮作用在一侧的承重梁上。由平衡方程，可得左右两端的支座反力相等，即。小车和重物总重为 18.5 t，将其全部作用于一侧的承重梁上，桥架总重 4.5 t，作用于两个承重梁上，由此可得承重较大的梁上力作用点的集中力为，除此之外，承重梁上的导轨重 738 kg，将以均布载荷的形式作用于承重梁上，单段梁需承受的均布载荷为。2.2承重梁弯曲强度校核几个载荷共同作用时所引起的弯矩，应等于每个载荷单独作用时所引起的弯矩的代数和。龙门架承重梁受集中力载荷和均布载荷的作用，故可用叠加原理求解承重梁弯矩。工况一时，两作用点距相邻支撑点的距离。首先计算工况一时的弯矩：当只有集中力作用时，。最大弯矩在承重梁中间位置，当只有均布载荷作用时，。最大弯矩也在承重梁中间位置，故工况一时的最大弯矩在承重梁的中间位置：同理可以求得工况二时的最大弯矩也位于中间位置：。按正应力强度条件，计算梁所需要的弯曲截面系数为：。则梁的最大弯曲正应力为：工况一，；工况二，。，故该承重梁满足许用应力的要求。2.3承重梁刚度计算由于实际运用当中，在起重过程中会导致横梁振动剧烈，因此必须对其进行刚度校核3。对于工况一，按梁跨中截面的挠度为最大挠度计算，并由叠加原理可得:式中：Fi为横梁所受集中载荷；bi为集中力矩支点距离；E 为材料弹性模量；Iz为工字钢截面惯性矩；l 为跨距。同理，由叠加原理求得工况二时中截面的最大挠度：查起重机机械设计手册得到：，则许用挠度：因，故满足刚度条件。3余煤清理机龙门架有限元分析通过上面的理论计算我们可以得知，当桥架的滚轮位于承重梁的中间位置时，承重梁更容易损坏，因此在进行有限元分析时，我们只需对该工况进行相关有限元分析即可。3.1模型前处理为了保证计算结果的精确性，本文采用 Beam188梁单元进行模拟，选用 ANSYS Workbench 中的 StaticStructural 模块。在 DM 中建立承重梁某段的三维模型，材料选用 Q235 结构钢，弹性模量为 200 GPa，泊松比0.3。采用梁单元进行强度和刚度分析时对网格要求不高，故采用自动网格划分功能，提高网格划分的分辨率。梁单元结构，是一个线性单元加一个横截面组成，在一端加一个简支，限制三个移动自由度，两个旋转自由度，在另一端加一个可以轴向约束，即一端为固定铰支座，另一端为可动铰支座。在梁单元的中间位置施加集中力N，对整段梁施加 0.41N/mm 的线压力，考虑整段梁的自重，其载荷边界条件和位移边界条件的施加如图 2 所示。图 2龙门架承重梁载荷和约束施加图3.2承重梁强度结果与分析BM0yF0ABFF5CF1.04 10 N qF2 460 Nl0.8 mAAMFl2BqaM81ABMMM94 270 N m52M1.7 10 N m zW33zzI W1.84 10my 11maxzM51.23 MPaW22maxzM92.87 MPaW max 4222ii1ii 1zzFb5ql w3l4b6.82 mm48EI384EI342zFl5ql w8.6 mm48EI384EIw1l500 w wl12 mml 12www，5cF1.04 10194-2023.27 科学技术创新对所建模型进行求解，得到其弯矩图如图 3 所示，由分析可知该工况下承重梁最大弯矩在梁的中间位置，为，与理论计算结果得到的结果误差较小，即说明计算结果较为准确，越靠近两端位 置弯矩越小，其中两端的弯矩为5514.1 N m。其等效应力云图如图 4 所示，最大应力出现在承重梁的中间位置，为 96.242 MPa，小于材料的许用应力 157 MPa。即承重梁中部为横梁的危险截面，最容易发生断裂。通过有限元仿真得到的结果与理论计算结果的误差为 3.6%。图 3承重梁弯矩图图 4承重梁等效应力云图3.3承重梁刚度结果与分析图 5 是承重梁受力后的位移量及分布情况，由图可知，在横梁中间位置位移量最大为 9.16 mm，小于材料的许用挠度 12 mm；然后从中间向两端位移量逐渐减小，即两端的位移量最小为 0 mm，没有发生变形。从分析结果可知，该横梁结构满足设计要求。3.4龙门架承重梁模态分析为了获取该清理机龙门架承重梁结构的固有频率和模态振型，使用 subspace（子空间法）对该主梁结构进行模态分析。前六阶频率如表 2 所示。表 2龙门架承重梁模态固有频率该龙门架结构中所用的起重机属于轨道式起重机，主要考察起重机龙门架承重梁在垂直方向和水平方向的固有振型4-5，即振型五与振型三，同时设计规范考虑起重机的使用性能，要求龙门架承载结构由起重机运动引起的水平振动固有频率不应小于 0.5 Hz，垂直振动固有频率不得小于 2 Hz6。从车厢清扫机龙门架承重梁模态固有频率分析表中可以看出，该清扫机龙门架承重梁的第五阶模态固有频率为 38.768Hz，远大于设计规范所要求的水平方向的固有频率值0.5 Hz。第三阶的固有频率为 33.572 Hz，大于设计规范所要求的承载结构在垂直方向的固有频率值 2 Hz，因此该承重梁的动态刚性满足设计要求。4结论本文主要以车厢余煤清理机龙门架上的承重梁为研究对象，通过理论计算与有限元仿真，得到了以下结论：（1）通过有限元仿真得到的强度和刚度结果与理论计算结果的误差仅为 3.6%和 6.5%，误差率较小，因此，我们可以借助有限元方法辅助我们进行梁类及其他类似结构的力学分析。（2）通过有限元仿真得到的承重梁的弯曲应力值小于材料的许用应力；得到的承重梁的最大位移量小于材料的许用挠度，所以承重梁所用材料满足具体使用要求。因龙门架中的承重梁是龙门架中的主要承重架之一，是最易发生疲劳破坏的构件，因此，承重梁满足设计要求即说明龙门架满足设计要求。（3）从龙门架承重梁模态固有频率分析表中可以看出该承重梁的最低固有频率为 12.499 Hz，大于要求的水平和竖直的固有频率，因此该承重梁的动态51.610m N51.7 10m N图 5龙门架承重梁变形图模态阶数 1 2 3 4 5 6 固有频率/HZ 12.5 25 33.57 37.5 38.77 50 195-科学技术创新 2023.27Finite Element Analysis of Robot GantryFrame for Intelligent Cleaning of ResidualCoal in Train CarLv Lei1,Dong Shuchao1,Kong Delong1,Xie Zhenzhao1,Zhang Hongyan2,Dong Chao2(1.Anhui Huadian Luan Power Plant Co.,Ltd.,Luan,China；2.Shandong Zhixin Electric Power Technology Co.,Ltd.,Jinan,China)Abstract:The gantry frame of the coal cleaning machine can bear a large load,and the load-bearingbeam is the main load-bearing part of the gantry frame.Based on the theoretical calculation of material me原chanics and the numerical simulation of finite element software ANSYS Workbench,the static properties ofthe gantry bearing beam,such as strength and stiffness,were analyzed.The theoretical calculation resultswere in good agreement with the simulation results,which verified the safety and reliability of the gantry de原sign.Through modal analysis,The numerical results show that the load-bearing beam can avoid resonance toa certain extent,which provides a theoretical basis for the dynamic design of the gantry frame.Key words:coal cleaning;gantry frame;bearing beam;finite element;modal analysis刚性符合设计规范。参考文献1肖建超.翻车机敞车智能余煤清理系统研究与实现D.曲阜：曲阜师范大学,2021.2赵连磊,兰凯鹏.基于 ANSYS 的龙门吊起重机模态分析J.农业装备与车辆工程,2019,57(1):91-94.3唐小康,罗世强,郑克峰,等.基于 ANSYS Workbench龙门架横梁受力分析J.现代机械,2018(2):63-66.4苏文利.基 ANSYS 的双梁桥式起重机主梁振动特性研究J.机电产品开发与创新,2020,33(6):31-33.5何庆平,奉振华,张寒.轨道式集装箱起重机龙门架的模态分析C/.传承、创新、智慧与合作：首届物流工程国际会议论文集,2012:86-88.6GB/T3811-1983.起重机设计规范S.北京：中国标准出版社，1983.196-