重型板式给料机链板支撑机构的冲击特性分析 胡新燕，王立华，黄亚宇 （昆明理工大学机电工程学院，云南昆明６５００９３） 摘 要：在矿石的冲击影响下，重型板式给料机的链板及其支撑辊系中的轴承经常发生破坏，使重型 板式给料机频频出现故障。本文应用有限元分析软件对矿石冲击链板以及支撑机构（由槽钢、工字钢组 成的受力结构）进行仿真分析，得知在冲击过程中，链板刚性支撑处的应力很大；链板以及支撑机构的变 形，使得原来的５点支撑变成两端２点支撑，加剧了链板与辊系轴承的破坏。通过对重型板式给料机链 板支撑机构的冲击特性分析，对改进重型板式给料机具有一定的指导作用。 关键词：重型板式给料机；链板；支撑机构；有限元；冲击 中图分类号：ＴＢ １２３ 文献标志码：Ａ Ｔｈｅ Ｉｍｐａｃｔ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ Ｃｈａｉｎ Ｐｌａｔｅ ｉｎ ｔｈｅ Ｈｅａｖｙ Ｐｌａｎｋ Ｆｅｅｄｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ ＨＵ Ｘｉｎｙａｎ，ＷＡＮＧ １．ｉｈｕａ，ＨＵＡＮＧ Ｙａｙｕ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｋｕｎｍｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｋｕｎｍｉｎｇ ６５００９３。Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｏｒｅ，ｃｈａｉｎ ｐｌａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅａｖｙ ｐｌａｎｋ ｆｅｅｄｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｂｅａｒｉｎｇｓ ｉｎ ｉｔｓ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｒｏｌｌｅｒ ａｒｅ ｏｆｔｅｎ ｄａｍａｇｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｈｅａｖｙ ｐｌａｎｋ ｆｅｅｄｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｆｒｅｑｕｅｍ ｌｙ．１，１ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌ— ｙｓｉｓ ｗａｓ ｄｏｎｅ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｏｒｅ ｉｍｐａｃｔｓ ｃｈａｉｎ ｐｌａｔｅ ａｎｄ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ（ｔｈｅ ｆｏｒｃｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｃｏｒｎ— ｐｏｓｅｄ ｂｙ ｃｈａｎｎｅｌ ｓｔｅｅｌ ａｎｄ Ｉ－ｂｅａｍ）ｗａｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ．Ｂｙ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃａｎ ｋｎｏｗｎ ｔｈａｔ，ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅ ｇｒｅａｔ ｓｔｒｅｓｓ ｉｓ ｏｎ ｔｈｅ ｒｉｇｉｄ ｓｕｐｐｏｒｔ ｏｆ ｃｈａｉｎ ｐｌａｔｅ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｆｉｖｅ—ｐｏｉｎｔ ｓｕｐｐｏｒｔ ｃｈａｎｇｅ ｉｎｔｏ ｔｗｏ—ｐｏｉｎｔ ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍ— ａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈａｉｎ ｐｌａｔｅ ａｎｄ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｗｈｉｃｈ ａｇｇｒａｖａｔｅｄ ｔｈｅ ｄａｍａｇｅ ｏｎ ｂｅａｒｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈａｉｎ ｐｌａｔｅ ａｎｄ ｒｏｌｌｓ． Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｃｈａｉｎ ｐｌａｔｅ ｉｎ ｔｈｅ ｈｅａｖｙ ｐｌａｎｋ ｆｅｅｄｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ｃａｎ ｐｌａｙ ａ ｇｕｉｄｉｎｇ ｒｏｌｅ ｉｎ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｈｅａｖｙ ｐｌａｎｋ ｆｅｅｄｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｈｅａｖｙ ｐｌａｎｋ ｆｅｅｄｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ，Ｃｈａｉｎ ｐｌａｔｅ，Ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ，Ｉｍｐａｃｔ 重型板式给料机是一种广泛用于矿山给料的重 重型板式给料机具有一定的指导作用。 型设备，其主要作用是将矿石漏斗落下的矿石较均匀 地给到带式运输机上ｌ＿】 。在实际的生产工作中，链板 及其支撑辊系中的轴承经常发生破坏，使重型板式给 料机频频出现故障。通过长时间的观察和分析发现， 影响重型板式给料机出现故障的直接因素主要有２ 个：一是如果链板被拉空，矿石就会从１０ ｍ高度直接 １链板的冲击分析 １．１简化冲击模型 矿石从 ， ‘ ‘ ｆ０ 高处自由落 下，对链板 产生冲击， ｆ单位：ｍｍ） … 。 冲击链板，冲击力足以使链板和支撑辊变形甚至断 裂；二是正常工作情况下，链板衬板和托辊支撑基础 的中间部分在经过一段时间的工作（冲击）后会产生 变形下沉，导致理论上每排有５个托辊支撑链板，而 实际上主要是外侧２个工作，缩短了托辊的使用寿 命。间接因素主要是操作岗位人员的责任心，有经验 ｄ ｌ 而链板是 由５个支 －● ｉ Ｉｆ 撑辊支撑， 链板受冲 击后的应 力分布将 ．！－ －－－．ｄ置 § Ｌ巨 ３１００ 『性芰再一 。７ ． 和责任心的岗位会始终留一定厚度的矿石在链板表 面等待下一次破矿，这样可以很大程度地起到缓冲作 用，从而保护了链板。本文通过矿石对链板以及支撑 图１冲击模型 影响各个支撑辊的受力状况，因此，要分析矿石对链 板冲击后链板的应力分布情况。矿石在整个运送过 机构（工字钢、槽钢）冲击影响进行分析研究，对改进 写 ；、 写 石 程中做高度为ｌＯ ｒｆｌ的自由落体运动，最后落到链板 嗜 崂ｅ 石＼！ ｓ ＼ 茅 量、原材料、生产周期、加丁手段等因素选择最适合 的加工方法。 作者简介：谷万淼（１９７８一），男，工程师，从事航空钣金零件的 工艺工作。 收稿日期：２００９年１ｏ月２１日 责任编辑赵鑫 《新技术新工艺》・数字技术与机械加工工艺装备 ２０１０年 第１期 ・９・ 上。因为分析的目的主要是观察链板在冲击作用下 的应力分布，因此，可以把矿石看作刚性体，把刚性 支撑辊看成刚性支撑。另外，高度为１０ ｍ的自由 ＬＳ－ＤＹＮＡ ｕｓｅｒ ｉｎｐｕｔ Ｅｌ￣ｍｅｒｉｔＭｏ Ａ６１３７ 落体运动等同于具有初速度 的垂直下落运动。 整个冲击模型经简化后如图１所示。 图１中Ｍ为矿石，为了使分析更具有代表性， 把矿石形状设置为球体，直径为ｄ：３５０ ｍｍ，其大 小和重量与实际矿石的大小和重量相仿，这样，冲击 的应力较为集中。此外，刚性支撑为支撑辊，支撑辊 与链板间是线接触。 １．２冲击仿真及结果分析 采用ＡＮＳＹＳ／ＬＳ－ＤＹＮＡ有限元分析软件进行 ０ ０．０２ ０．ｏ４ ｔ／ｓ ０．０６ ０．０８ ０．１ 圈４ ６１３７号单元的ｙ向应力 ６１３７号单元的ｙ向应力峰值已达到１ ０２８ ＭＰａ。而高锰钢的抗拉强度在６３０～７３５ ＭＰａ之 间Ｈ］，６１３７号单元的ｙ向应力峰值已经超出高锰钢 的抗拉强度。 冲击仿真分析。分析的前处理中，矿石和链板的单 元类型均采用Ｔｅｔ—Ｓｏｌｉｄ１６８单元，Ｔｅｔ—Ｓｏｌｉｄ１６８单 元是１Ｏ节点３０自由度四面体单元，属于高次四面 体单元；矿石的材料模型采用刚性体模型（ｒｉｇｉｄ），弹 性模量Ｅ１＝＝：４８ ＧＰａ＝４．８×１０ Ｐａ，密度ＩＤｌ一２．３× ２动载下支撑机构的强度分析 ２．１有限元模型的建立 重型板式给料机支撑链板的支撑机构由工字 １０。ｋｇ／ｍ。，泊松比 。＝０．２；链板的材质为高锰钢， 材料模型选线弹性模型里的各向同性弹性模型（Ｉ— Ｏ 钢、槽钢及支撑辊组成。由于支撑辊系牵扯到一系 列其他结构，比较复杂，建模时只考虑了由槽钢和工 字钢组成的受力结构，忽视了之间的接触问题，将其 看作为一整体。采用ＳＯＬＩＤＥＤＧＥ建立三维模型， 然后利用ＡＮＳＹＳ中的接口功能，将三维结构模型 导入到ＡＮＳＹＳ中，从而建立有限元模型＿５］。重型 ＾ ＋ Ｊｓ曲 墨∞． ２ Ｏ ４ 暑■２ ｓｏｔｒｏｐｉｃ），弹性模量Ｅ２—２．１×１０¨Ｐａ，密度 一 ． ７．８５×１０。ｋｇ／ｍ。，泊松比 １：＝＝０．３。为了节省机 时，只分析矿石由１ ｍ处落下直至接触链板的过 程。由于矿石为自由落体，给矿石施加初速度 ： 厢一１３．２８ ９ 板式给料机支撑机构的 模型如图５所示。重型 板式给料机在此面积上 共有１１根工字钢，而每 根工字钢上有５对槽钢 来支撑上部轴承。为了 圈５支撑机构的模型 ｍ／ｓ（其中ｈ ＝９ ｍ）， 向加速度为 重力加速度；给链 板刚性支撑处的结 点上施加 向约 圈２有限元模型 柬；矿石与链板间设为面面接触（ＡＳＴＳ）［２］。有限 元分析的模型如图２所示。 当前处理完成后，生成ｋ文件，用ＡＮＳＹＳ／ＬＳ－ ＤＹＮＡ的求解器ＬＳ－ＤＹＮＡ Ｓｏｌｖｅｒ进行求解。分 析的后处理采用Ｌ￣ＰＲＥＰＯＳＴ，可以生成各个输出 步的应力云图 引。从链板的应力云图可以看出，链 板在冲击过程 方便后面的加载计算，在轴承与槽钢的支撑点处，创 建半径为０．０１ ｍ的圆面 工字钢和槽钢的材质为４５钢。材料模型选线 弹性模型里的各向同性弹性模型（Ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ）。材料 属性：弹性模量Ｅ：２．１×１０ｎ Ｐａ，泊松比 一０．３， 密度ｌＤ＝７．８５×１０。ｋｇ／ ＩＴＩ。。单元采用ｓｏｌｉｄ９２四 中的应力分布。 链板的应力分 面体１Ｏ节点单元，采用自 由网格划分，为了加快计 布特点是，在链 板刚性支撑处 算效率，指定单元长度为 ０．０２ ｍ。共划分６３ １９３个 单元，１３０ ３３８个节点，网 图３最大应力处应力云图 图６支撑机构的 有限元模型 的应力较大，冲 击过程中矿石 格划分如图６所示。 落板的瞬间对链板产生的冲击应力最大，应力最大 处发生在链板中间支撑处的６１３７号单元处，如图３ 所示，６１３７号单元的ｙ向应力曲线如图４所示。 １０． ２．２边界条件及载荷计算 根据安装形式和受力情况，对工字钢两端四角 施加固定约束。 载荷取经破碎机单一落下的矿石进行分析。假 ．《新技术新工艺》・数字技术与机械加工工艺装备 ２０１０年 第１期 设矿石的最大直径为ｄ一３５０ ｍｍ，从高度为１０ ｍ 落下，每块矿石只落到一根工字钢上。根据跌落冲 击分析报告可知，跌落过程中，物料和链板的接触时 ３ 结语 １）矿石对链板的冲击过程中，链板刚性支撑处 间为ｔ一０．０２／１２ ｓ。则下落时的冲力Ｆ为： ｐ× 丌ｒ３× Ｆ一 一的应力很大，这将会导致支撑辊的轴承产生破坏。 且应力最大处发生在链板中间（冲击点）附近范围， 应力值超出了高锰钢的抗拉强度，将导致链板的变 形及破坏。 ！ 童： ０．０２ １２ ７．８５×１０。×詈Ｎ ｎ Ｘ（ ） Ｘ 丽而 １ ４７９．５５６ ｋＮ （１） ２）链板以及支撑机构的变形，将使支撑辊不在 同一水平高度上，中间的３个支撑辊下沉，不能正常 支撑。造成两边的轴承受力过大经常出现故障。 ３）对于支撑机构来说，最大应力发生在两端支 式中， ，为自由下落的速度。 每根工字钢上有５个支撑辊支撑，则每个支撑 辊所受的力Ｔ为： Ｔ一．＝．Ｆ一 撑处，且最大应力值超出了４５钢的抗拉强度，更加 证明了实际工作的支承辊少于５个，将加剧轮系轴 承的破坏这一事实。 ： ：２９５．９１ ｋＮ （２） 由于以上采用的是简化模型，对链板支撑机构 的应力分布特点进行了初步的分析，而链板支撑机 显然，支撑辊所受的力Ｔ远远大于辊系轴承的 额定载荷，使得辊系轴承不能正常工作。托辊轴承 额定载荷见表１。 表１ 支重轮系轴承型号参数 构在实际工作过程中还受到其他方面的约束，这些 约束将对其应力分布产生影响，也是导致仿真分析 中产生的应力大于许用应力很多倍的原因。 在实际工作中，可通过设计中间缓冲装置和适 当地增加料厚来实现缓冲，以及改变工作调度，避免 一旦链板被拉空，物料直接从１０ ｍ高处落下，对链 那么，工字钢受力点对应的到模型槽钢上的每 个小圆面所施加的压力为： Ｐ一 一 Ｘ ０ ０１ ２‘ ８Ａ ＿１．１７８ ｘ１Ｏ Ｐａ 丌（．）×８ ………‘“ 板支撑机构造成冲击破坏。另外可以在工字钢的两 侧添加肋板来提高工字钢的强度，进而提高其抗弯 能力。从而延长工字钢在给料机工作过程中的使用 寿命，提高工作效率，减少经济损失。 ２．３仿真结果与分析 通过应力云图７可以看到支撑机构在冲击力影 响下的应力分布情况。工字钢上的受力点位于对应 ２块槽钢的中间，所以工字刚受力点处变形量是对 参考文献 ［１］邹春平．重型板式给料机的改进ＥＪ］．机械工程师，１９９６ （２）：５卜５２． 应２块槽钢总体变形量的平均值。最大变形发生在 中间位置，其值为０．０５３ ７９３ ｍ。最大ｙｏｎ Ｍｉｓｅｓ应 力出现在两端，其值为５．７９Ｘ １０。Ｐａ，而４５钢的抗 拉强度为６００ ＭＰａ。最大应力值已经超过了其抗拉 强度。 桀 ＾ｖ６’ Ｅ２］何涛，杨竞，金鑫．ＡＮＳＹＳ１０．０／ＬＳ－ＤＹＮＡ非线性有限 元分析实例指导教程ＥＭ］．北京：机械工业出版社，２００７． Ｅ３］李裕春，时党勇，赵远．ＡＮＳＹＳ１１．０／ＬＳ－ＤＹＮＡ基础理 论与工程实践ＥＭ］．北京：中国水利水电出版社，２００８． Ｅ４］虞莲莲，曾正明．实用钢铁材料手册Ｉ－Ｍ］．北京：机械工 业出版社，２００１． Ｅ５］李世芸．ＡＮＳＹＳ９．０基础及应用实例Ｉ－Ｍ］．北京：中国科 学文化出版社。２００５． 作者简介：胡新燕（１９８４一），女，硕士，主要从事机械动力学及 其应用方面的研究。 收稿日期：２００９年８月１０日 责任编辑 吕菁 ｎ 。 ｌ０ ｌ口 ２ ＋ｌｏ ．５ “怔＋ｏ， Ｉ， ＋ｌ。 ．１０ 甄 ５７，量＋ｌｏ 图７应力云图 《新技术新工艺》・数字技术与机械加工工艺装备 ２０１０年 第１期 ・１１・
