斗轮堆取料机斗轮体结构优化设计

刘振林

摘 要：近年来，我国的经济正在快速的发展，随着经济的发展，我国的工业产业也随之蓬勃发展，同时，工业的发展也对于经济的进步有着积极地反作用，而作为工业领域中的重要施工设备，斗轮堆取料机在实践中的使用频率是相当高的，其功能和作用对于工业生产的效率有着不可小觑的重要影响，实践中，要想增强斗轮堆取料机轮体机结构的安全性、降低使用中的风险，需要按照静力学的研究方法来进行探究，使用有限元分析软件 ANSYS 的 APDL 语言设置了有限元仿真模型加以模拟，最后的结果显示优化后应力分布适当，最大应力、应变的数值都有所都减小，实现了设计的目的，同时，其重量也有相应的降低。这就显示出主动台车架使共振的情况消失了，增强了结构的安全以及稳定。

关键词：斗轮堆取料机；斗轮体；结构设计

前言：实践中，作为工业生产领域的重要施工设备，斗轮堆取料机无疑是其中最为关键和重要的设施之一，它大范围的在工业领域中发挥着重要作用，如港口、电力、煤炭、冶金等命脉行业，它作为一个体积较大的传输材料的设施，其工作的效率主要依靠于其内部的结构设计，实践中，斗轮堆取料机是需要移动的饿，这种可移动的载体位于该机器的最下方，主要作用是支撑机器和机器的移动，所以，移动部位的安全和稳定就显得尤为重要，其对于整个机器的影响也至关重要。性对整台机器的安全运行是十分重要的。本文作者研究的主要目的在于优化斗轮堆取料机斗轮体结构设计，为实践中斗轮取料机的工作提供更加高效快捷以及安全稳定的基础。

1概述斗轮取料机轮体结构

1.1分析斗轮取料机轮体结构发展现状

现如今，斗轮堆取料机作为广泛适用于工业领域的最重要设备之一，它凭借自身的功用，已然成为当今世界规模最为庞大的工业原料处置的完整成套设施，由于火力发电厂、港口码头、钢铁和矿山等散料运输体系的快速进步，斗轮堆取料机正朝着自动化、系列化、大型化的角度发展，当前，它已经大量的在矿山、电力、建材以及化工等方面得到广泛的使用。它主要包括轮机构、前臂架、平衡机构、回转机构、门座架和行走机构等部分构成，在这些组成部分之中，斗轮机构是该设备完成堆取料工作的主要部位，它处于前悬臂的最前方位置，其质量对于机器的整体重量与平衡有着最重要的影响。所以，为了使斗轮体的的质量能够更轻，就必须要对该部位进行合理的设计和创新，这样才可以使整机向着轻量化方向发展。而本文所讨论的优化设计即如何促进产品朝轻量化方向发展的措施，而针对如何增加产品的功效和质量，较少对于材料的耗费，提高产品的设计效率都有不可小觑的重要意义和指导作用。在以往的斗轮堆取料机的设计中，大部分还要依附于设计工作者的经验，没有先进理论的指导，使得设计的准确性大打折扣。因此，在分析传统斗轮堆取料机的基础上，使用ANSYS 参数化设计以及APDL对斗轮堆取料机斗轮体加以有限元分析，并以有限元分析法作为基础，用斗轮体的整体体积作为目标函数对斗轮体结构尺寸加以优化设计，以期使斗轮体向轻量化方向發展。

1.2对APDL 的斗轮体进行限元分析

在斗轮体的优化设计之前，第一必须要运用APDL的参数功能构建斗轮体的参数化有限元模型。因为斗轮体形状多样同时结构较不固定的，对斗轮体的有限元的分析仅仅将斗轮体的整体受力状况纳入考虑之中，所以，为使斗轮体参数化模型顺利构建，必须对斗轮体的细节部分加以简化处置，也就是简化多种对斗轮体整体强度影响不大的特点。选择斗轮体参数化建模的 DQL1、DQL3 和 DQL5这三种基本参数为本次有限元分析和优化设计的设计变量，在输入初始值有关参数后，程序便形成建模。因为斗轮体是薄壁状态，建模时可使用壳单元或实体单元，然而相对来说，使用壳单元加以结构分析和优化设计能够减少大量的计算，同时在计算弯矩时，实体单元在厚度问题上的单元层数很少，计算结果会有很大的误差，比不上壳单元的计算结果精准，因此，在斗轮体建模过程中使用shell281 单元，同时定义壳体的厚度为 0.01米。之后，给斗轮体参数化模型的材料属性下定义以完成斗轮体参数化模型的建立。

2探究斗轮体优化设计

2.1优化设计概述

优化设计作为探究结构最优设计方案的手段，它的主要原理在于利用组建优化模型，使用多项优化措施，利用达成设计目标条件下的迭代运算，最后得出目标函数的的最大最小数值，进而获取最优的设计方法。优化设计从内涵上来讲是又分析到评估再到修正的系统，需要对多种设计序列加以有限元分析，并加以优化参数的评价，不断的趋近于最优设计序列。在产品的设计过程中，使用优化设计可以增加产品的设计效率以及质量，确保产品的设计向合理化方向发展。在优化设计中，常常使用到数学模型，这种模式大多数情况被归结为在符合一定的约束条件下，选择设计变量，使目标函数值达到最小或最大值。斗轮体优化设计选取斗轮体参数化模型 DQL1、DQL3 和 DQL5 这三种大小的参数当做设计变量。为了使斗轮体达到轻量化目标，需要选择斗轮体的总质量当做优化设计的目标函数，然而因为斗轮体是由同样的钢材焊接形成的，其密度很均匀，所以在接下来的优化设计中选择斗轮体的总体积 VOLUM 作为目标函数。不但如此，选取的斗轮体还应该符合强度的要求。

2.2优化设计方法的选择

在 APDL 的优化设计方案基础之上，一般有两种方法，包括零阶方法和一阶方法。零阶方法是优化设计中使用频率最高的方案，利用使用状态变量和目标函数的的趋近，能有效的处置大部分工程问题。零阶方法大致分为单步运行法、随机法和子问题法等；一阶方法采用偏导数，也就是使用状态变量和目标函数的一阶偏导数的趋近，这种方案的精准度是很高的，特别是在用于状态变量和目标函数改变较大，同时设计空间也相对较大的位置。斗轮体的优化设计使用零阶方法中的子问题法，能够实现设计变量、状态变量和目标函数的整体评价。这种方案能够被描述为不断升级的零阶方法，它能够把因变量要及时状态变量和目标函数，利用最小二乘法拟合的趋近数值所代替，来限制最小化问题改变为采用罚函数的无限制问题。

2.3优化后主动台车架动力学分析

斗轮堆取料机在正常运行时，因为很多不确定的因素会促使主动台车架被一定的动载荷所影响。如果其受到的动载荷频率和主动台车架的特定频率数值相近的时候，就很容易产生共振现象，因此导致较高的动应力。共振可以引起啃轨、脱轨等高风险问题的出现，导致机器的强度遭到破坏、还可能出现较大程度的变形；其细节位置也很统一出现疲劳破坏。对整个机器的日常操作产生不利影响，也会减少机器的使用寿命，为了确保优化后的主动台车架的安全性和稳定性，确保机器有最大限度的使用寿命，就亟需对优化后的主动台车架加以模态分析，目的在于测段其根本频率，查询分析产生共振的可能性，如果发现共振则必须对结构加以完善。

3结语

为了对斗轮堆取料机斗轮体结构进行优化设计，加强对工业生产设备的设计以及提高工业生产的效率，本文运用有限元分析法以及数学模型分析法等进行有关研究，优化了主动台车架应力、减轻设备的整体质量，对优化后涉笔加以模态分析，以期为提高斗轮堆取料机的结构优化提供理论贡献。

参考文献：

[1]赵小伟，卫良保.基于 APDL 的桥式起重机主梁快速优化设计[J].太原科技大学学报，2012（1）：52-56.

[2]徐万鑫，高真营 . 大型臂式斗轮堆取料机轮压均衡性分析及应用[J]. 起重运输机械，2013 （6）： 40 -43.