废钢运输加料斗的设计与强度分析.pdf

第5 6 卷第3 期 2004 年8 月 有色金属 N o n f e t r o l l sM e t A I s V 0 1 ．5 6 ，N o ．3 A u g u s t 2 0 04 废钢运输加料斗的设计与强度分析 杨珏1 ，张文明1 ，董翠燕2 1 ．北京科技大学土木与环境2 1 2 程学院，北京1 0 0 0 8 3 ；2 ．北京首钢重型汽车制造厂，北京1 0 0 0 4 3 摘要在一种废钢运输加料斗的设计过程中利用有限元方法模拟动载荷与冲击载荷，分析结构强度，利用拓扑优化方法改 进结构设计。改进后的结构质量是原来的4 5 ％，强度符合使用要求，适应公路运输的特点。 关键词矿山机械工程；运输料斗；设计；有限元；拓扑 中图分类号T D 4 0 3 ；T I M 2 1 ．7 3 文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 4 0 3 0 1 2 1 一0 5 废钢运输加料斗是钢厂冶炼过程中经常使用的 设备，用于运输并根据冶炼过程的需要随时向钢炉 中添加废钢，使用频繁。废钢运输加料斗的设计需 要满足这样一些要求强度上要满足装载量与各种 装载、倾倒废钢工况的要求；与运输废钢的方式一铁 路运输或是公路运输相适应；与冶炼现场的吊装设 备配合。 讨论一种公路运输方式的废钢运输加料斗，装 载量为3 0 t ，由铁路运输的废钢运输加料斗改造而 成，原结构自重4 7 t ，为适应公路运输的特点，新设 计的废钢运输加料斗在保证强度的情况下尽量减轻 质量，并在结构上做一些改动，自重降到2 1 ．5 t ，降 低了运输与使用的能耗。 1整体结构 整体结构分为槽口、罐体两部分。罐体两侧有 四个耳轴，侧面与底面分布着槽形筋板，耳轴所在筋 板较大并在内部用小筋板加强。由于频繁倾倒废 钢，为了增加耐磨性能，罐体与槽口的底面附一层钢 板。罐体的底部为圆弧状，可以使废钢在重力的作 用下尽量堆放在罐体的中间，以方便运输与吊装。 罐体的后部设计一个台阶状的结构，用来与运输罐 体的拖车配合，使罐体放置尽量向前，减少拖车的长 度，方便运输。 所有钢板采用1 6 m m 与6 m m 两种，材料选用 1 6 M n N b ，o - b 为5 3 0 - - 6 8 0 N ／m m z ，当厚度小于1 6 m m 时a S 不小于3 9 0 N ／m m 2 ，泊松比取0 ．3 [ 1 | 。 收稿日期2 0 0 4 0 3 0 8 作者简介杨珏 1 9 7 5 一 ，男，回族，山东莘县人，博士生，主要从 事车辆工程研究与教学。 2 使用工况 冶炼生产要求的废钢限定容量是3 0 t ，由专用 的汽车拖车运到车间。一般轻废钢放置于罐体的前 部，重废钢放置于后部。运输时罐体平置，倾倒废钢 时，通过四个耳轴将废钢运输加料斗吊起，并抬高后 面两个耳轴将废钢倒出。 在利用有限元方法对罐体强度进行分析时主要 考虑了两种工况。第一种是在满载废钢的情况下起 吊，此时罐体的受力较为恶劣，并且废钢的形态较为 复杂，质量分布不匀，有可能造成局部载荷很大。另 一种工况是向罐体内装废钢，废钢以一定的速度落 下，造成对罐体底部的冲击，但是每次装的质量有限。 图1 整体结构 F i g ．1 O v e r a l ls t r u c t u r e 由于模型较大，均为钢板焊接结构，构建有限元 模型时采用了抽象的面，划分单元时按照不同部位 指定钢板的厚度。由于局部存在圆弧面连接与较小 的平面形状，整个罐体均采用三角形单元1 2 - 5 】。 2 ．1 满载起吊工况 把载荷简化为瞬态动力学的加载方式，罐体的 额定载荷是3 0 t ，将3 0 - - 6 0 t 按时间变化的载荷均匀 加载到罐体的底面，检验罐体整体应力分布情况。 万方数据 有色金属第5 6 卷 由于废钢的形态不统一，有重与轻之分，罐体的局部 有可能会出现较高的载荷，为了模拟这种工况，将 1 5 ～3 0 t 按照时间变化的载荷分别加载到罐体的前 部、中部与后部，检验局部应力的分布情况，如图3 所示。约束四个耳轴处三个方向的位移。 图2 F i g ．2 c 蚕3 0 奇 逛 耱 1 5 罐体部分二分之一有限元模型 H a l ff i n i t ee l e m e mm o d e lo fc o n t a i n e r 卜 ＼ 、 、 ＼ 、 、 时间／s ， 图3 载荷加载过程 F i g ．3 P r o c e s so fl o a d i n g 2 ．1 ．1 额定载荷均匀加载到整个罐体底面。将额 定载荷均匀加载到整个罐体底面，应力分布如图4 所示。底面产生的最大应力1 7 ．5 M P a 。前耳轴处 图中A 所示 产生的最大应力4 ．1 M P a ，处于耳轴 与罐体内侧立板连接部分，靠近罐体底面一侧。后 耳轴处 图中B 处 的应力值6 ．1 M P a ，处于耳轴与 罐体内侧立板连接部分，靠近罐体中部一侧。耳轴 的外侧，即与耳轴连接的槽形筋板的外侧也有应力 分布，但是应力不大，也比较均匀。罐体底面与筋板 的应力分布较为均匀，筋板的布局合理。 2 ．1 ．2 局部载荷。分4 种情况讨论。 1 载荷加到罐体的前部。整个罐体的高应力 区分布在罐体前部的底板与相连接的筋板上，见图 5 中C 处，最大应力为1 4 ．2 M P a 。前耳轴部分的最 大应力产生在耳轴所在槽形筋板上端与罐体连接 处，应力为1 ．5 M P a ，见图5 中D 处。后耳轴部分最 大应力产生在罐体内侧立板上与耳轴连接处，最大 应力为0 ．3 M P a ，这一部分离加载的部分较远，应力 比较小。 图4 额定载荷均匀加载到整个 罐体底面时应力分布 F i g ．4 S t r e 强d i s t r i b u t i o nw i t hr a t e dl o a d s onw h o l ef l o o ru n i f o r m l y 图5部分载荷加载到罐体前部时应力分布 F i g ．5 S t r e s s ，d i s t r i b u t i o nw i t hp a r tl o a d so nf r o n tf l o o r 2 载荷加到罐体的中前部。从应力分布图上 可以看出高应力区分布在罐体中前部的底板与筋板 上，并且造成前后耳轴处应力较高。罐体底面的最 高应力为1 6 ．8 M P a ，处于内侧立板底部与筋板连接 的地方，如图6 中E 所示。前耳轴处的高应力产生 在与耳轴相连接的内侧立板与槽形的筋板上，靠近 载荷一侧，见图6 中F 点，最大应力为4 ．0 M P a 。后 耳轴处的应力分布与前耳轴处的相似，最大应力为 6 ．0 M P a ，高于前耳轴处。在罐体底部台阶处于内侧 立板连接的地方，图6 中H 所示，应力较为集中，且 图6 部分载荷加载到罐体中前部时应力分布 F i g ．6 S t r e s sd i s t r i b u t i o nw i t hp a r tl o a d s onm i d d l e f r o n tf l o o r 万方数据 第3 期杨珏等废钢运输加料斗的设计与强度分析1 2 3 分布区域较小，应力6 ．5 M P a 。 3 载荷加到罐体的中后部。高应力区分部于 罐体底面，最大应力2 1 ．3 M P a ，见图7 中I 处。后耳 轴处的最大应力处于耳轴与内侧立板连接处，靠近 载荷一侧，为1 ．9 M P a ，图7 中J 处。前部耳轴处应 力较小。 4 载荷加到罐体的后部。载荷加载到了罐体 台阶的部分，前部罐体的应力分布均较小，罐体底面 的最大应力2 0 ．7 M P a ，处于与底部三角形加强筋板 连接的地方，图8 中K 处。后耳轴处1 ．5 M P a ，图8 中L 处。前耳轴距离载荷较远应力值比较小。 总体来看，满载起吊工况下整个罐体的应力分 布比较低，没有较危险的应力集中区域，整体结构设 计合理。 图7 部分载荷加载到罐体中后部时应力分布 F i g ．7 S t r e s sd i s t r i b u t i o nw i t hp a r tl o a d s o nm i d d l e r e a rf l o o r 部，图中N 处以及外侧的槽形筋板上也产生一些应 力分布，最大值是4 ．6 M P a 。 载荷 t 3 0 0 0 ■ 八 ， 1 『 l J| l | ， l ， 0 ．5 0 ．60 ．7 图9 载荷加载过程 F i g ．9 P r o c e s so fl o a d i n g 时间 s 图1 0 部分载荷加载到罐体前部时应力分布 F i g ．1 0 S t r e s sd i s t r i b u t i o nw i t hp a r tl o a d so nf r o n tf l o o r 图1 1部分载荷加载到罐体中前邵时应力分布 F i g ．11 S t r e s sd i s t r i b u t i o nw i t hp a r tl o a d s o nm i d d l e f r o n tf l o o r 图8 部分载荷加载到罐体后部时应力分布 图1 2 ～1 3 是分别将载荷加到罐体的中部与后 F i g ．8s t 煅d i 。t 。i b u 面nw i t hp a nh d S 。n ，e a ，f l o o ， 部时应力的分布情况。所引起的应力与第一种情况 2 ．2 向罐体内倾倒废钢的工况类似，最大值分别达到1 0 ，1 0 5 即1 3 M P a 。可见罐 将向罐体内倾倒废钢的过程简化为瞬态动力学 体强度能满足向罐体内倾倒废钢的工况。 的加载方式，分别将1 0 ～3 0 t 随时间变化的载荷加 3耳轴的拓扑优化 载到罐体的前部、中部与后部。模型的约束加在罐 体的底面，按照车架上摆放橡胶减素垫的面积进行 原来罐体的4 个耳轴采用的是实心．圆柱体，虽 位移约束。载荷的加载过程如图9 所示。 然强度满足但是质量较重。为了减轻质量，针对受 如图1 0 所示，载荷加载到罐体前部时产生的应 力的工况对耳轴材料分布进行拓扑优化设计，按照去 力分布。在前部底板上加载荷的部分应力较为集 掉7 0 ％与3 0 ％的材料为条件，收敛精度均定在 中，图中M 处，最大应力值为9 ．4 M P a 。在罐体的后0 ．0 0 1 ，分别经过1 5 与9 次循环达到收敛精度。图1 4 万方数据 有色金属 第5 6 卷 与1 5 为在载荷要求下，分别去掉7 0 ％与3 0 ％材料拓 扑优化结果的轴截面，图中S 为推荐保留的部分。 图1 2 部分载荷加载到罐体中后部时应力分布 F i g ．1 2 S t r e s sd i s t r i b u t i o nw i t hp a r tl o a d s o nm i d d l e r e a rf l o o r 图1 3 部分载荷加载到罐体后部时应力分布 F i g ．1 3 S t r e s sd i s t r i b u t i o nw i t hp a r tl o a d ss e to nr e a rf l o o r 图1 4 去掉7 0 ％的材料拓扑优化结果 F i g ．1 4 F i n a lt o p o l o g i c a ls h a p e 7 0 ％v o l u m er e d u c t i o n 根据这种分布的趋势改进了耳轴的结构，考虑 到加工工艺，新耳轴的形式设计为如图1 6 所示，质 参考文献 量减轻1 ／3 ，为保证与现场吊装设备配合，外径与长 度保留原来尺寸。图1 6 为耳轴的应力分布，最大应 力为6 1 M P a ，强度满足要求。 图1 5 去掉3 0 ％的材料拓扑优化结果 F i g ．1 5 F i n a lt o p o l o g i c a ls h a p e 3 0 ％v o l u m er e d u c t i o n 图1 6 实际设计的结构 F i g ．1 6A c t u a ls t r u c t u r e 图1 7 额定载荷下的应力分布 F i g ．1 7S t r e s sd i s t r i b u t i o nu n d e rr a t e dl o a d s 4结语 废钢运输加料斗使用频繁，在保证可靠性的前 提下减轻自身质量具有重要经济意义。经过重新设 计的废钢运输加料斗强度满足使用要求，质量是原 来的4 5 ％，降低了公路运输与冶炼现场的使用能 耗。利用有限元瞬态动力学方法可以简单模拟工程 中经常遇到的冲击载荷与动载荷，检验结构的强度， 利用拓扑优化可作为结构优化设计参考依据。 [ 1 ] 成大先．机械设计手册[ M ] ．北京化学工业出版社，1 9 9 8 3 2 0 ． [ 2 ] 杨珏，张文明，王国彪，等．矿用汽车车架的强度分析[ J ] ．矿山机械，2 0 0 3 ， 9 1 7 1 8 ． [ 3 ] 张莉．A n a s y s 在拖车车架刚强度分析中的应用[ J ] ．电子机械工程，1 9 9 9 ， 4 3 4 3 6 ． [ 4 ] 王继新，王国强，罗世魁，等．重型矿用汽车后桥壳强度有限元分析[ A ] ／／汽车一m 塔y s2 0 0 2 用户年会论文集[ C ] ．北 京，2 0 0 2 6 0 6 5 ． [ 5 ] 曹富新，解明雨，于学兵．1 0 8 t o n 矿用车车架不同计算模型的强度分析[ J ] ．矿用汽车，1 9 9 2 ， 大连理工大学车架论文 专辑 4 4 4 8 ． 下转第1 4 0 页，C o n t i n u e do nP ．1 4 0 万方数据 有色金属第5 6 卷 图2 改造后 消失模铸造 工艺流程 F i g ．2 C a s t i n gf l o w s h e e tp o s t i m p r o v e m e n t 3改造效果 3 ．1 环境效果 这样，不但治理了环境污染问题，还解决了工作现场 的粉尘超标问题，为今后铸造分厂推行清洁生产打 下了良好的基础。改造前后对环境污染状况的比较 如表1 所示。 3 ．2 经济效益分析 采用新工艺改造后，按照生产要求，岗位职工定 员为6 6 人，比改造前减少1 5 4 人。改造前后车间加 工成本比较，具体见表2 和表3 。 通过比较可以看出，通过用“消失模铸造技术” 取代传统手工制模工艺，车间加工成本降低了 3 7 7 ．6 2 万元／a 1 2 5 9 元／t ，扩大了生产规模，提高 了产品质量，废品率降低了2 ％～1 0 ％，降低了能源 消耗，仅水电一项每年就可节约5 0 ．9 万元，直接减 少岗位定员1 5 4 人，项目投资在半年内即可收回。 由于采用了新工艺，将原来的治标改为了治本， P o l l u t i o nE l i m i n a t i o nf r o mC a s t i n gS h o pi nT o n g l i n gN o n f e r r o u sM e c h a n i cU n i t eF a c t o r y T A OY e T a n g l i n gN o n F e r r o u sM e t a l sc D 印．，T a n g l i n g2 4 4 0 0 0 ，A n h u i ，C h i n a A b s t r a e t t ．T h ee n v i r o n m e n tp o l l u t i o nf r o mC a s t i n gS h o pi nT o n g l i n gN o n f e r r o u sM e c h a n i cU n i t eF a c t o r yi se l i m i n a t e d ．b ys u b s t i t u t i o no ft r a d i t i o n a lc a s t i n gp r o c e s sw i t hh a n dm o u l db yv a n i s hm o u l dt e c h n o l o g y ，a n dr e m a r k a b l ye c o n o m i cb e n e f i ti sa c h i e v e d ．T h ep r o d u c t i o n0 0 s ti ns h o pi sr e d u c e db y3 7 7 ．6 2 M R M B ／a ，t h ep r o d u c t i o nc a p a c i t yi si n c r e a s e d ，t h eq u a l i t yo ft h ep r o d u c ti su p g r a d e d ，t h er a t eo fs p o i l e dp r o d u c ti sd e c r e a s e db y2 ％～1 0 ％，t h ef i x e dn u m b e r o fs t a f fm e m b e r si sr e d u c e db y1 5 4 ．T h ed e p o s i tf o rt h i sp r o j e c tc s J lb er e c o v e r e dw i t h i nh a l fay e a r ． K e y w o r d s e n v i r o n m e n te n g i n e e r i n g ；v a n i s hm o u l dt e c h n o l o g y ；i m p r o v e m e n t ；e n v i r o n m e n t ；b e n e f i t 上接第1 2 4 页，C o n t i n u e df r o mP ．1 2 4 D e s i g na n dS t r e n g t hA n a l y s i so faS c r a pS t e e lC o n t a i n e r Y A N GJ u e l ，Z H A N GW e n ．m i n 9 1 ，D O N GC u i y a h 2 1 ．a 础a n dE n v i r o n m e n tE n g i n e e r i n gC o l l e g e ，U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yB e i j i n g ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2 ．B e i j i n gS h o u g a n gH e a v yD u t yT r u c kM a n u f a c t o r y ，B e i j i n g1 0 0 0 4 3 ，C h i n a A b s t r a c t T h ei m p a c tl o a da n dd y n a m i c1 0 a da r es i m u l a t e da n dt h es t r e n g t ho ft h es t r u c t u r ei sa n a l y z e db yf i n i t ee l e m e n t sa n a l y s i s ，a n di m p r o v e sp a r t si n t e r n a ls t r u c t u r ei so p t i m i z e db ym e s n so ft o p o l o g yi nt h ed e s i g no fas c r a p s t e e lc o n t a i n e r ．T h ew e i g h to ft h ei m p r o v e ds c r a ps t e e lc o n t a i n e ri sr e d u c e db yaf a c t o ro f5 5 ％，a n dt h es t r u c t u r ef i t st h er e q u i r e m e n t so fl o a da n dr o a dt r a n s p o r t a t i o n ，a n dt h es t r e n g t ho ft h ec o n t a i n e ri sn op r o b l e mf o r p r a c t i c a la d o p t i o n ． K e y w o r d s m i n i n gm e c h a n i ce n g i n e e r i n g ；s c r a ps t e e lc o n t a i n e r ；d e s i g n ；f i n i t ee l e m e n t sa n a l y s i s ；t o p o l o g y 万方数据