Advanced Materials Research Vols. 690-693 (2013) pp 1933-1939

Online available since 2013/May/14 at www.scientific.net

copy; (2013) Trans Tech Publications, Switzerland doi:10.4028/www.scientific.net/AMR.690-693.1933

FEM Based Statics Analysis of the main steel structure of Bucket Wheel Stacker-Reclaimer

Shang Peng¹, ZhouWei¹, Li Chun-xia¹ and Guan Yuming^1,a

¹ School of Mechanical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China

^ahuiyipaper@163.com

Keywords: Bucket Wheel Stacker-Reclaimer; FEA; Statics Analysis

Abstract. Bucket wheel stacker-reclaimer is kind of a typical multi-rigid-body system. Its main steel structure consists of bucket wheel, forearm frame, column tower, balance frame and pull rod, etc. All components connected with each other basically by welding. And the integral structure can realize whole luffing motion and turning motion. Reclaiming arm, central bracket and pitch steel structure of counterweight arm are the structure of its core. This paper use ANSYS to create the simplified finite element model of the steel structure and analyze the distribution of loads in all types of conditions. Loading solving, then cloud picture of displacement and that of stress of the overall luffing mechanism was concluded, so as to check the carrying capacity and strength of the structure.

Introduction

After decades of development, the level of Bucket wheel stacker-reclaimer has improved greatly in China. But compared with developed countries, there are still significant gaps in production capacity and reliability. As a continuous and efficient machinery of handling and transporting bulk materials, Bucket wheel stacker-reclaimer has been wildly applied to ports, power plants, steel mills, mines and other industries ^[1]. Therefore, it has become a necessary pursuit for us designing a Bucket wheel stacker-reclaimer with efficient, reliable, and excellent control performance as well as high adaptability to a variety of industrial environments.

The luffing mechanism of Bucket wheel stacker-reclaimer is an important part of implementing the whole luffing motion and turning motion. Which is the main part of the machine consisting of the structure of the bucket wheel, forearm frame, column tower, equalizing frame and pull rod, etc. The main force in normal working condition include the deadweight of structural parts, matching equipment weight, material load of the conveyor belt, the bucket load, the weight of adhesive material of the bucket wheel, tension of the leather belt, etc. Using the finite element method analysis of the design to obtain reliable results, and designers can optimize and analyze the design ^[2]. In this paper, using ANSYS finite element method solves stress strain of the main steel structure in various conditions, which not only verified the structure carrying capacity, but also accurately understood and grasp the equipment performance and operational capabilities.

Portal and bridge scraper reclaimers

Portal and bridge reclaimers form part, the largest part, of a whole range of scraper chain reclaimers. This range includes portal, bridge, cantilever and circular reclaimers, and a wide range of special configurations for longitudinal and circular stockpiles.

To simplify this presentation the description and illustrations will concentrate on the most common arrangement, that of longitudinal stockpiles.

Both portal and bridge reclaimers are scraper reclaimers. They reclaim previously stacked material from a stockpile using scraper blades mounted onto two parallel strands of chain.

The chain is mounted on a boom, and runs at right angles to the stockpile apex. The chain is driven at the discharge end, pulling the material off the stockpile with the scraper blades along its bottom strand. The reclaimed material is then discharged onto a conveyor.

The boom must be carried by the reclaimer along the length stockpile. To enable this, a rail is provided usually at ground level on either side of the stockpile, running parallel to the stockpile apex. The reclaimer structure, carrying the boom, is mounted onto the rails by wheels located in end carriages. Some of these wheels also drive the reclaimer along the rails.

To power the various drives mounted on the reclaimer, and to provide a control system, power and control cables are necessary. Cable reels are often used to connect the machine to the fixed power and control points on the stockpile.

The selection of either a portal or bridge machine is usually decided by the amount of blending required in the reclaimed product.

Portal scraper reclaimers

Where reclaiming can be accepted from the side face of the stockpile, a portal reclaimer is usually the most economic solution.

A portal reclaimer is named after the shape of the reclaimer body connecting the two end carriages. This structure is usually similar in shape to an inverted ' V ' or portalised frame.

The portal reclaimer is usually selected when blending is not a major requirement and material segregation is not critical, or where the stacking method provides a sufficient standard of blending. Its major advantage is being able to reclaim from any stockpile in any sequence.

Main components

End carriages: located on a rail on either side of the stockpile, containing a mixture of driven and undriven wheels.

The drives are often variable speed. It is usual to have two or more driven wheels per reclaimer.

Portal structure: a frame in the shape of an inverted ' V ' spans from one end carriage to

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基于有限元分析的斗轮堆取料机主钢结构静力学分析

摘要

斗轮式堆取料机是一种典型的多刚体系统。其主要钢结构由斗轮，前臂架，立柱塔，平衡架和拉杆等组成。它的所有组件基本上由焊接方式相连。取料机的完整结构可以实现整体变幅运动和转向运动。其配重臂的取料臂，中央支架和变距钢结构是它的核心结构。本文使用ANSYS创建钢结构的简化有限元模型，并分析各种类型条件下的载荷分布。先通过求解载荷，然后得出位移和整个变幅机构应力的有限元，从而检查结构的承载能力和强度。

关键词

斗轮式堆取料机，有限元分析，静力分析

收到日期：2012年9月18日;

接受日期：2013年4月16日

主题：先进材料研究

主题编辑：XiaoZhiHu

引言

经过几十年的发展，中国斗轮式堆取料机的水平有了很大提高。但是与发达国家相比，生产能力和可靠性仍然存在巨大差距。斗轮式堆取料机作为一种连续高效的散装物料运输和机械设备，已广泛应用于港口，发电厂，钢铁厂，矿山和其他行业[1]。因此，设计一种高效，可靠，优异控制性能以及对各种工业环境的高度适应性的斗轮式堆取料机已成为我们的必要需求。
斗轮堆取料机的变幅机构是实现整个变幅运动和转向运动的重要组成部分。机器的主要部分由斗轮，前臂框架，立柱塔，平衡架和拉杆等结构组成。其正常工作条件下的主要受力包括结构部件的自重力，配套设备的重力，材料传送带的负载，铲斗的负载，铲斗轮的粘合材料的重力，皮带的张力等。通过有限元分析法获得可靠的结果，设计人员可以对设计进行优化和分析[2]。本文采用ANSYS有限元方法求解了各种条件下主钢结构的应力应变，不仅验证了结构的承载能力，而且还准确地认知和掌握了设备的性能和运行能力。

河北工业大学机械工程学院，天津，中国

通讯作者:管玉明,河北工业大学机械工程学院,天津市北辰区西平道5340号,300130
电子邮箱:huiyipaper@163.com

门式与桥式刮板取料机

门式刮板取料机和桥式刮板取料机均可以根据场地和工艺要求设计成长形和圆形刮板取料机。门式和桥式取料机均为刮板取料机，它们通过栓接到两条平行链条上的刮板将堆积好的物料取走。门式刮板取料机是把链条安装到取料悬臂上，链条通过驱动链轮组和张紧链轮组形成一个封闭的环，刮板随着链条沿闭环做往复运动。取料臂可以通过卷扬机来改变取料角度。调整取料臂到适合料堆的角度，取料臂沿着长形料堆行走，刮板即可将物料从料堆的顶部推到料堆底部的卸料漏斗里，在漏斗下方布置胶带机可将物料运走。桥式刮板取料机是把链条安装到桥梁下面，也是通过驱动链轮组和张紧链轮组形成一个封闭的环，刮板随着链条沿着闭环做往复运动。桥梁两个侧面安装有料耙，料耙松动物料，物料顺着料堆截面滑落到桥梁下面的刮板中间，这样物料就可以被刮板运输到胶带机上，完成整个取料过程。取料机的供电和控制系统通过安装在设备上的电缆卷盘实现固定供电点和移动设备之间的电力传输。在何种情况下使用门式刮板取料机和桥式刮板取料机需根据工艺设计的要求而定。如果需要物料混合均化效率高，就选择桥式刮板取料机；如果对物料的均化效果要求比较低，则可选择门式刮板取料机。

1. 门式刮板取料机

门式刮板取料机由于连接两个行走端梁的钢结构像一个“门”字，所以此种取料机被称为门式刮板取料机。门式刮板取料机只能从料堆的侧面取料。在以下两种情况下可以选择门式刮板取料机：一种是对物料的混合均化效果要求不高，另外一种是能满足物料混合均化要求的堆料方式。门式刮板取料机的最大优点是可以以任何顺序选取多个不同的料堆。

（1）门式刮板取料机的主要组成部件

行走端梁：位于料堆两侧的平行轨道上，端梁上都安装有驱动车轮组和从动车轮组，端梁的行走速度可以通过变频器调节。根据取料机的跨度和取料能力的大小可以在一个端梁上安装一个或者多个驱动单元。

门架：连接两个行走端梁的钢结构，连接端梁的其中一端采用固定连接，另一端采用铰链接。

取料臂：一端通过钢丝绳和滑轮组系统固接在门架上，另一端铰接在行走端梁上。取料臂上安装有两

条平行的链条，链条上以相同的间隔安装刮板，取料臂上安装有链条轨道和刮板导轮轨道，取料臂头部安装有一组张紧链轮组，尾部安装有驱动链轮组和卸料漏斗。

取料臂旋转轴：位于卸料端靠近料堆底部，取料臂可以通过此旋转轴改变角度，便于从料堆侧面取

料。

卷扬机：固定在门架上，通过钢丝绳和滑轮组系统使取料臂可以围绕旋转轴上下俯仰，吊点靠近取料

臂头部。

刮板链条驱动：安装在取料臂卸料端的驱动链轮组的驱动轴上，通常此驱动装置只有一个恒定的速度。

电缆卷盘：取料机的动力供电和中控控制是通过在轨道附近的一个固定的电缆坑来实现的，电缆卷盘安装在固定端梁上，当取料机移动时电缆可以通过电缆卷盘收放电缆来实现取料机的供电和中控控制。

（2）门式刮板取料机的取料方法

先将取料臂上仰到最高位置，取料机即可快速沿轨道行走到需要的料堆端部。降低取料臂到预先设置的刮板取料深度时，刮板臂会自动停止下降。按“自动取料”按钮，这时刮板系统先运行，取料机会沿着轨道行走，刮板将物料从料堆侧面运输到出料胶带机上。取料量的大小可以通过调整端梁行走速度和刮板的取料深度来调节。取料能力比较大的门式取料机可以在门架两侧安装两个平行的取料臂来增加取料量。大跨距的门式取料机的取料臂中间可以用铰接的方式连接，分为主取料臂和副取料臂。主取料臂是把物料从侧面运输到卸料胶带机上，副取料臂是把物料运送给主取料臂。

1. 桥式刮板取料机

由于取料机的主体构件横跨整个料场并且连接两个料场两侧的两个行走端梁，同时又平行于取料面，像一座桥梁横跨料场，所以此类取料机被命名为桥式刮板取料机。桥式刮板取料机只能从料堆的断面取料。在门式刮板取料机不能满足物料的混合均化要求时，就要选择桥式刮板取料机。桥式刮板取料机是从料堆的断面取料，其缺点是只能在两个相邻的料堆之间进行取料，不能跨越料堆。

（1）桥式刮板取料机的主要组成部件

行走端梁：位于料堆两侧的平行轨道上，端梁上都安装有驱动车轮组和从动车轮组。端梁的行走速度有两种：快速和慢速。当桥式刮板取料机离料堆有一定距离时，取料机必须快速靠近料堆，这时使用快速模式；在取料时使用慢速模式，在慢速模式下可以通过改变取料速度来调节取料量。根据取料机的跨度和取料能力的大小，可以在其中一个端梁上安装一个或者多个驱动单元。

桥梁：横跨料场的桥梁两端连接行走端梁，桥梁上、下面均要安装一些其他主要部件。

刮板系统：桥梁下面安装吊架、链条导槽、刮板导轨和两条平行的链条，链条上以相同的间隔安装刮板，链条导槽的一端安装一组张紧链轮组，另一端安装驱动链轮组和卸料漏斗。刮板系统位于桥梁的下面，不能通过提升改变角度，因而桥式刮板取料机只能从料堆的断面取料。

刮板链条驱动：安装在桥梁下面卸料端的驱动链轮组的驱动轴上，通常此驱动装置只有一个恒定的速度。

料耙：安装在桥梁侧面的一个刚性框架，框架底部安装有耙齿，被命名为料耙。调整料耙和水平面的角度略大于物料休止角度，料耙沿桥梁做往复运动，这样料耙就可以扫过整个料堆端面。被松动的物料在重力的作用下流入桥梁下面的刮板间隙，刮板在链条的带动下把物料输送到出料胶带机上。如果取料机需要两个方向取料，可在桥梁的两侧分别安装一个料耙。

电缆卷盘：取料机的动力供电和中控控制是通过在轨道附近的一个固定的电缆坑来实现的，电缆卷盘安装在固定端梁上，当取料机移动时电缆可以通过电缆卷盘收放电缆来实现取料机的供电和中控控制。

（2）桥式刮板取料机的取料方法

首先把取料机用快速模式运行到料堆端部，直到料耙耙齿接触到料堆端面。按“自动取料”按钮，刮板系统开始运行，接着料耙开始运行。通过调整端梁的运行速度来控制取料量的大小，桥式刮板取料机适用于“人”字形堆积料堆。料堆的断面经过料耙的混合后，即可得到均化效果较高的混匀物料。需要注意的是，取料机在料堆的端部时，对取料量和混匀效果不利。

桥式刮板取料机主体结构设计及参数

1. 斗轮外径的确定

斗轮的外径取决于最大回收能力和材料密度，通常由最大的回收能力决定。他们的关系如下：

D--斗轮直径，m；
Q--最大回收能力，t/h；

rho;--材料密度t/m3，范围从2.4t/m3到2.9t/m3;

K--直径系数，K=0.4--0.6。

1. 铲斗臂架的回转角度

斗轮式堆取料机斗臂架的回转角度是指悬臂的沿悬臂方向中心线与水平传送带中地面输送机输送方向的中心线所成的角度。斗轮堆取料机的工作角度范围取决于其自身的形状和材料的布置。一般来说，铲斗臂架的回转角度为120度。

3）铲斗臂架的回转半径
斗轮堆取料机的回转半径取决于斗轮是否可以在底部回收物料。铲斗臂架的回转半径为47m。

4）铲斗臂架的摆动速度
斗轮堆取料机的斗臂架在斗轮的中心点的摆动速度为5m/min。

5）斗臂架的摆角

铲斗臂架的摆角是指动臂在垂直平面上的角度变化。摆角，由水平地面和动臂形成的角度上升的最高位置（称为正角）或下降的最低位置（称为负角）。确定悬臂角度输送机的工作范围时，优先考虑的是悬臂式皮带输送机能否正常工作。这意味着材料不会在角度的极限位置滑动。仰角和俯角分别取为8度和12度。

6）主体尺寸
变幅机构主要部分的尺寸如图1和表1所示。

图1变幅机构图

表1组件的主要尺寸

名称	尺寸[mm]	数量	材料
前架	32times;250times;37928	2	Q345
中架	24times;150times;23070	2	Q345
后杆	60times;400times;24080	2	Q345
前臂架	4500times;51600	1	Q345
均衡框	4500times;28022	1	Q345
柱塔	4500times;18069	1	Q345

有限元分析与检验

1.有限元模型的建立

首先，使用ANSYS建模[3]建立图2所示的三维斗轮堆取料机变幅机构的简化有限元模型。该模型包含八种截面信息，主要由梁单元和连杆单元组成。单元和节点的编码分别是1237和2458[4]。结构在满足计算精度的前提下，也同时保证了更好的计算速度。

图2斗轮堆取料机的变幅机构FEA模型

2.负载状态
在正

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