基于WORKBENCH的堆料机回转水平轮损坏原因分析_李建光.pdf

第2期基于WORKBENCH的堆料机回转水平轮损坏原因分析李建光（国能黄骅港务有限责任公司，河北 沧州061113）摘要：本文针对黄骅港4 000 t/h堆料机回转水平轮损坏的原因进行分析，首先介绍了堆料机回转水平轮的结构，其次建立了回转水平轮的几何模型，对回转水平轮进行结构有限元分析，找到水平轮的应力集中点，分析损坏的原因。在轮系轴承系统结构中，通常将轴及轴承作为受力和分析的重点，几乎没有学者研究轴承系统隔套的受力情况。在本文的分析过程中，被人忽视的隔套才是造成堆料机回转水平轮损坏的关键零件，针对该问题，亟须引起轮系轴承系统设计和机械制造行业的重视。关键词：堆料机；回转；水平轮；损坏；原因分析中图分类号：U653.298文献标识码：A文章编号：2096-7691（2023）02-085-03作者简介：李建光（1983），男，硕士，高级工程师，现任职于国能黄骅港务有限责任公司，主要从事结构有限元分析、液压传动系统研究等工作。Tel：[phone]，E-mail：引用格式：李建光.基于WORKBENCH的堆料机回转水平轮损坏原因分析 J.能源科技，2023，21（2）：85-87.0引言黄骅港二期堆料机是煤炭港口的主力设备，为煤炭运输作出了卓越贡献。该类型的堆料机由日本三菱重工公司设计，上海振华公司制造，设计思路比较经典，回转机构采用了回转台车加回转水平轮的支撑形式。回转驱动采用了小齿轮驱动大齿圈的形式，分别由回转台车和回转轮及回转水平轮组成回转支撑1。回转水平轮主要用于堆料机的回转定位，防止堆料机上体在回转过程中偏离轨道，对于堆料机的上体安全性起到决定性作用。水平轮是偏心结构，具有调整堆料机上体对中作用2。理想中的水平轮与水平轨道不接触，但是由于设计、制造、安装等原因，需要水平轮受力，依靠水平轮来纠偏，保证堆料机上体回转对中性。1堆料机水平轮结构形式黄骅港二期堆料机回转水平轮与水平回转轨道接触，形成外圆约束。内圆由钢结构支撑，钢结构底部探出钩子，用于防止堆料机上体倾翻。水平轮支架由上下两层钢板作为支撑架子，中间打孔，并设置摇臂结构，回转水平轮中的轴设置成偏心轴，随着摇臂转动的不同位置，偏心轴距离侧边圆心的中心距发生变化。堆料机回转水平轮的偏心轴线段，插在水平支架内的圆孔内，起到定位作用，并承载水平轨道对水平轮的作用力。下支撑板支撑隔套，隔套支撑轴承，满足水平轮的结构需要。水平轮直径大于支撑板凸出圆弧直径，用于接触水平轨道，防止支撑板与轨道接触。如图1所示，水平轮上设置4 个应力释放孔，用于在制作和使用过程中，水平轮结构的应力释放，防止因加工、热处理、载荷作用造成水平轮开裂。0.00125.00375.00250.00500.00图1堆料机回转水平轮结构/mm2水平轮承受载荷的确定堆料机在标准设计、标准制作和精确安装下，回第21卷 第2期Vol.21 No.22023年4月Apr.2023第2期转水平轮与回转水平轨道处于似接触非接触的状态，或者称之为理想状态。在理想状态下，堆料机水平轮不受载荷，由于大型机械制造公差较大，并且设备刚度较低，造成水平轮与水平轨道之间的作用力较大，这种作用力是由各种公差造成回转中心与理论重心的偏差。上述这些因素都是因为各种偏差造成的，不但测量困难，计算更是困难。为了准确测量水平轮所受的载荷，在水平轮与水平轨道之间设置了0.5 mm厚的压力传感器。得出水平轮所受的力为3.5 t，即为35 000 N。考虑到传感器的影响，取水平轮的载荷为3 t，即为30 000 N。3水平轮有限元分析3.1建立有限元模型将图1中的水平轮实体模型导入到有限元分析软件Ansys Workbench中，利用软件中的智能网格划分技术，将水平轮组件进行网格划分。软件将根据各个零件尺寸与接触关系进行智能网格划分。接触类型选择偏心轴为目标面，选择水平轮轴孔为接触面。如图2所示，隔套、轴承等选择较为细小的网格，而轴、轮等选择较大的网格划分。偏心轴调整摇臂与偏心轴接触的位置选择较为细小的网格划分。图2堆料机水平轮有限元模型3.2有限元计算及结果分析将水平轮所受载荷30 000 N加载在有限元模型上，回转轮偏心轴下方台阶处，即图2最下方的圆柱体和摇臂下方的圆柱体，分别设置圆柱约束，用于机构约束，而后点击菜单上的计算按钮，进行有限元计算，计算结果如下：在软件后处理菜单中，选择总变形分布云图，查看堆料机水平轮的总变形图。如图3所示，堆料机水平轮的外圆变形量最大，由于堆料机水平轮运转速度很低，其疲劳损坏主要是应变疲劳损坏，即轮缘发生塑形变形，导致水平的直径变小。随着水平轮的直径逐渐变小，造成水平轮不能约束堆料机上体回转。堆料机上体回转的回转中心逐渐偏离堆料机下体的几何中心，上体回转过程中，给水平回转轨道较大的作用力。0.00100.00200.00400.00300.00图3堆料机水平轮的总体变形分布云图/mm通过有限元软件后处理菜单精确分析，堆料机回转水平轮的von-Mises等效应力分布云图，如图4所示，堆料机回转水平轮上应力集中在隔套附近和回转约束的上下圆柱约束处，即偏心轴最下方的圆柱和摇臂下的圆柱处，以及隔套及轴承处，尤其是隔套处，整个隔套全部处于最大应力区域。堆料机回转水平轮在该处发生损坏的概率较大，产品使用寿命较短。0.00300.00400.00200.00100.00图4堆料机回转水平轮等效应力分布云图/mm堆料机回转水平轮拆解后，发现轴承损坏、隔套磨损严重、轴在圆柱约束处出现磨损。其中，隔套磨损最为严重，如图5所示，隔套已经出现了严重的磨损，验证了有限元分析的正确性。堆料机的回转水平轮于2003年底投产，目前已经使用了19年，隔套磨损的形式验证了有限元分析的正确性：隔套产生了较大的塑形变形，为低频率疲劳损坏的典型失效形式。实际上，回转速度经过行星减速机的减速，又是小齿轮驱动大齿圈形式的回转，回转速度非常低，最大回转速度为0.15 r/min。堆料机回转水平轮的维修，会影响一条翻堆生产线作业。若维修时长 10 h，平均每小时按照李建光：基于WORKBENCH的堆料机回转水平轮损坏原因分析86第2期4 500 t煤炭的作业量来计算，将对下游产生4.5 万 t货船的影响，对下游的船舶动态和能源保供产生巨大影响。图5堆料机回转水平轮隔套磨损4结语根据堆料机回转水平轮在堆料机回转机构中的位置和作用，确定正确的问题研究思路。采用三维建模软件，建立了1 1的三维模型。并通过科学手段，获取了堆料机回转水平轮所受的载荷。而后将堆料机回转水平轮导入ANSYS WORKBENCH中，进行有限元分析，分析结果显示，水平轮的隔套损坏，导致轴承损坏。由于轴承损坏，水平轮本身约束失效，造成偏心轴约束处承受的载荷进一步加大，本来该处受力较大，由于轴承的失效造成了该处磨损的进一步加大。通过还原水平轮损坏的过程，使技术人员对水平轮损坏机理和过程有了更加清晰的掌握。参考文献：1邵明亮，于国飞，耿华，等.斗轮堆取料机 M.北京：化学工业出版社，2006：11-43.2北京起重运输机械研究所，武汉丰凡科技开发有限责任公司.带式输送机设计手册 M.北京：冶金工业出版社，2013：20-42.WORKBENCH-based Cause Analysis on the Damage ofStacker Rotating Horizontal WheelLi Jianguang(CHN Energy Huanghua Port Co.,Ltd.,Cangzhou,Hebei 061113)Abstract:This paper reviews why the 4 000 t/h stacker in Huanghua Port experienced breakdown of its rotating horizontal wheel.For this purpose,the paper introduces the structure of the rotating horizontal wheel ofthe stacker,establishes the geometric modeling of the rotating horizontal wheel again,followed by the structural finite element analysis of the rotating horizontal wheel to figure out the stress concentration point of thehorizontal wheel,and analyze the reasons for the damage.In the structure of the wheel bearing system,theshaft and bearings are usually regarded as the focus of stress and analysis.Researchers seldom have conducted study on how the bearing system spacer bush is stressed.This paper focuses on the spacer bush being ignored,concluding that it is the key component leading to breakdown of the rotating horizontal wheel of thestacker.This case urgently needs to be taken seriously by wheel bearing system designers and mechanicalmanufacturing industry professionals.Key Words:stacker;rotation;horizontal wheel;breakdown;cause analysis（收稿日期：2022-08-26责任编辑：王静）87