李 刚
（大唐科技产业集团有限公司，中国 上海 200122）
【摘 要】斗轮堆取料机在工作时候，承受挖掘力和侧向挖掘力。旋转轴通过支座，固定在取料机机头部，传递扭矩，其受力情况较为复杂。通过一实际例子，分析轴承支座的受力，并对轴承座进行有限元分析。
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关键词 斗轮堆取料机；轴承座；受力分析；有限元分析
【Abstract】When the bucket stacker and reclaimer is working, it bore digging force and lateral digging force. The rotation shaft was fixed on the top of the reclaimer and it shifted torque, so the force is complex. We analyzed the bearing seat force by a practical example and analyzed the bearing seat by finite element analysis.
【Key words】Bucket stacker and reclaimer; Bearing seat; Force analysis; Finite element analysis
0 引言
斗轮堆取料机是利用斗轮连续取料，用机上的带式输送机连续堆料的有轨式装卸机械。它是散装物料(散料)储料场内的专用机械，是在斗轮挖掘机的基础上演变而来的。作为一种常用设备，具有挖掘效率高，转动灵活，已经成为开采矿业不可缺少的常用设备。适用于堆积料场数量较少及堆取料机设备数量较少的条件，如发电厂、水泥厂、化工厂等的一个或两个料场。
斗轮机构是取料的工作机构，包括斗轮及其驱动装置。当铲斗随轮体旋转至卸料区时，斗中物料在自重作用下经斜溜槽滑到带式输送机上，它的卸料区间大，因为斗轮转速较高，可提高作业能力，能卸较粘物料。斗轮轴高速旋转，传递切割力和提升物料的力。对于斗轮轴和轴承座来说，目前设计多是参照原有设计进行，没有统一详细的分析计算。
本文以一工程项目分析为例，计算斗轮轴的受力状况，将斗轮轴受力分析彻底明确。再对斗轮轴承座进行有限元分析，可以将此系统分析量化，为以后的轴承选型，优化做基础。
1 斗轮轴的受力分析
本文以一台典型的斗轮堆取料机轴承支座系统为例。其出力为1250t/h，斗轮轴与水平面的倾角为10°，斗轮和驱动系统通过斗轮轴传递扭矩，斗轮轴通过轴承座，固定在取料机前臂架上。当斗轮机正常工作时候，斗轮受到挖掘物料阻力，铲斗将物料铲起，提升至一定高度，铲斗内物料倾倒在前臂架的皮带机上，由皮带机将物料输送走，其挖掘力由斗轮轴另一侧的驱动电机提供，驱动电机与斗轮轴相连，扭力臂固定在前臂架上；斗轮受到挖掘侧向阻力，通过斗轮体传递到斗轮支座上，然后传递到取料机回转机构。斗轮取料机工作时候，受力较多，同时驱动轴与水平面存在夹角，受力复杂，计算驱动轴支座处力较困难。
设定靠近驱动一侧的轴承支座为A点，靠近斗轮一侧的轴承支座为B点，分析斗轮轴的受力，是一典型的斗轮驱动系统，其布置如图所示：
1.1 垂向载荷
1）计算自重工况，A点和B点的支反力。电机重量G电机，斗轮轴重量G轴,斗轮重G斗轮，根据力的平衡方程，可以计算得到静止状态下，A点和B点的支反力GA静，GB静；
2）计算工作载荷对A点和B点的影响。斗轮机工作时候，不光挖掘物料，还要提升物料，在垂直方向上，对轴承支座AB点有影响。计算过程如下：在额定工作状态时候，根据生产率及物料提升高度，计算得提升物料的重量F提升物料。根据驱动轴输出扭矩及驱动电机与轴心的距离，计算得扭力臂力F扭力臂。进一步计算得到A和B点在工作时候的垂向受力结果GA工作1,GB工作1(符号表示受力方向反向)。
1.2 水平载荷
1）水平方向(挖掘力-沿斗轮机臂架方向)：
由驱动轴输出额定扭矩除以斗轮半径得到驱动轴输出力，扣除提升物料部分，得到斗轮挖掘力，其方向沿斗轮机前臂架方向F额定挖掘力，根据力的平衡方程，计算得到A点和B点的沿斗轮机臂架方向的水平力FA工作和FB工作。
2）水平方向(侧向挖掘力-垂直斗轮机臂架)：
斗轮机侧向挖掘力N侧向力为切向挖掘力的0.3倍[1]，根据力的平衡原理，得到A和B点的水平支反力NA工作和NB工作以及垂向支反力GA工作2和GB工作2。
1.3 力的合成
根据上文，计算得到的A点，B点的水平和垂向力，进行力的合成。根据斗轮轴与水平面的倾斜角度，可以计算得到A点和B点的轴承处的轴向力和径向力。
2 斗轮驱动支座的有限元分析
在斗轮机设计中，斗轮驱动轴承座起着支撑斗轮轴的作用，由于斗轮轴传递力较复杂，根据上文计算得到的A点和B点处的轴承座支反力，有必要对轴承座进行强度分析。笔者通过三维软件AutoCAD建模，将其导入到ANSYS workbench中，进行结构静强度计算。
2.1 ANSYS workbench简介
ANSYS是一种高效通用的有限元分析软件，它融结构，流体，电磁场，声场和热场分析为一体，应用于各个行业，具有强大的建模能力，求解能力，非线性分析能力，后处理能力，多场耦合能力及二次开发能力，可进行静力分析，特征屈曲分析，模态分析，谐响应分析，谱分析，显式功能分析等，可以高效的应用于工程分析中[2]。Workbench作为ANSYS公司于2002年开发的新一代产品研发平台，不但继承了ANSYS经典平台在有限元仿真分析上的所有功能，而且提供了与许多主流CAD三维软件数据交流的接口，真正实现了集产品设计，仿真和优化功能于一体。Ansys workbench mechanical 模块利用ANSYS的求解器进行结构和热分析，网格划分也包含在mechanical应用中。ANSYS workbench mechanical的分析类型包括：结构(静态和瞬态)，线性和非线性结构分析，动态能力，模态，谐波，随机振动，柔体和刚性动力学，热传递(稳态和瞬态)，求解温度场和热流磁场，形状优化，该模块包含四种类型载荷：惯性载荷，结构载荷，结构支撑和热载荷。具体说，可以实现简便加载，可以在面上直接加载力矩，轴承载荷，约束方便，可以对结构加圆柱面约束，简支约束，能实现自动划分网格[3]。本文分析轴承座，采用的方法是，在CAD中进行三维实体建模，导入workbench，进行加载分析。图2为CAD中导入的三维模型，mesh后的结果：
图3所示，为斗轮驱动轴承座的有限元模型图及加载和约束方式。
轴承座通过螺栓，连接到斗轮机前臂架上。斗轮机工作时候，斗轮驱动轴穿过斗轮轴承，将扭矩从驱动电机传递到斗轮上，完成挖掘动作，同时，侧向挖掘力传递到斗轮轴的支座上。斗轮轴承座承受径向和轴向载荷，在上一章节中，对于轴承座支点的受力已经进行了详细的介绍。将力的计算结果，施加到模型中，轴向力为force，沿着Z向；径向力为remote force，沿着Y向。
在有限元模型中施加约束：在轴承座的8个螺栓位置，施加水平约束，在轴承座底部施加垂向约束。然后在有限元软件ansys_workbench中进行求解计算。
图4为workbench中后处理里的强度分析结果。有限元应力分布结果显示：斗轮机工作时候，轴承座大部分区域为蓝色，即处在低应力区，在轴承座的圆套与地板两侧联系板，应力较其他部位稍大，是因为这里做了板的减薄处理，同时在板中心开了两个圆孔。从计算结构上分析，轴承座在斗轮机正常挖掘工况下，满足强度要求。轴承座只是起支撑驱动轴的作用，驱动轴旋转并传递扭矩，所以轴承座受到的载荷基本恒定，因此没有疲劳问题，只进行强度计算即可。即，此轴承座满足设计要求。
3 结论
（1）斗轮机工作时候，驱动电机通过驱动轴带动斗轮完成挖掘动作，斗轮承受挖掘力和侧向挖掘力，通过驱动轴传递到轴承座上。计算轴承座处的受力要考虑自重，挖掘力，侧向挖掘力对斗轮轴的影响。
（2）计算各项载荷在轴承座处的反力，并进行力的合成，并根据驱动轴与水平面夹角，转化为轴承座的轴向力和径向力。
（3）通过轴的受力分析，得到轴承座的受力结果，在有限元软件中，建立轴承座的模型，施加力和约束并求解，得到轴承座分析结果。
（４）通过手算，得到斗轮驱动系统各部分的受力情况，并施加到有限元模型中，计算轴承座，完成斗轮驱动系统的受力分析。
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参考文献
［１］Australian Standard．Mobile equipment for continuous handling of bulk materials Part 1 General requirements for design of steel structures[Z]．AS4324.1-1995:13.
［２］刘力,李明万,贾粮棉.基于ANSYS的有限元分析在工程中的应用[J].黄石理工学院学报,2007,10:32.
［３］须劲松.基于ANSYS workbench的从动轴设计[J].南通纺织职业技术学院学报:综合版,2011,09:07-08.
［责任编辑：汤静］