堆料机是目前世界上最大的散装物料堆垛输送机械，因其自动化程度高、生产率高、能耗低以及成本低等特点，被广泛应用于码头及煤矿、冶金、火力发电和化工行业等的原料储运厂[1-2]。其工作原理是：物料通过输送带经尾车卸到堆料机悬臂带式输送机上，之后物料输送至悬臂头部溜槽一端，然后卸至料场[3]。某煤炭码头 S5 堆料机额定生产能力为5 400 t/h，悬臂长度为 28．4 m，悬臂俯仰角度范围为-13°～ 14°，旋转架旋转角度范围为 -135°～ 135°。2017 年 3 月 20 日，该堆料机在生产过程中发生了倾翻事故，倾翻时悬臂俯仰角度为 8°，悬臂和行走轨道之间夹角为 123°。倾翻造成一侧行走机构车轮完全脱离轨道，行走机构连接杆严重扭曲，支腿也发生一定程度的变形。由于悬臂前端支撑在已经堆好的煤堆上，才没有造成更严重的整机倾倒事故。

理论上产生倾翻的原因是倾翻力矩过大，超出了设备许用值[4]。现场人员对该堆料机进行了仔细的检查，发现悬臂前端溜槽处并未积料，俯仰液压缸也未出现异常，可以初步判断倾翻原因是悬臂输送带上均布载荷过大，即产量过大所致。由此可知，要解决堆料机倾翻问题，首先要进行悬臂上临界载荷的分析。临界载荷即为某一俯仰角和旋转角组合工况下悬臂上的最大均布载荷，当悬臂上的均布载荷超过临界载荷时，堆料机将发生倾翻。其次，要对堆料机进行强度分析，保证在临界载荷时各关键部件的强度满足设计要求。对堆料机进行临界载荷和强度分析可以实时指导生产，防止堆料机由于产量过高或操作不当发生倾翻，同时又最大限度发挥堆料机的生产能力。

1 临界载荷确定与分析

临界载荷分析的总体思路是：对堆料机进行整体有限元建模，在 4 处行走机构铰接点处施加约束条件，分别对不同的俯仰角度和旋转角度的组合工况进行分析。当某工况下约束点处的竖直方向支反力为零时，对应的悬臂上均布载荷即为该工况下的临界载荷，所有工况中的最小临界载荷即为极限临界载荷，只有悬臂上的均布载荷小于极限临界载荷，才能确保堆料机不发生倾翻。

1.1 约束条件

(1) 模型中行走机构不参与几何建模，仅考虑其重量，平衡梁和支腿铰接处用一维刚性单元连接。由于平衡梁一侧连接尾车，故平衡梁和行走机构连接位置的节点采用固定约束，而支腿和行走机构连接位置的节点仅约束其竖直方向的自由度即可。

(2) 由于悬臂和后梁销轴在铰接处可以相对旋转，故该连接处设置耦合自由度约束，放开销轴旋转自由度。

(3) 溜槽集中载荷 堆料机悬臂前端的溜槽质量约为 5 t，产生的集中载荷约为 49 050 N。

这以后，曼尼托巴、阿尔伯塔和卑诗省均有学生家长分别向本省教育厅请愿，要求恢复数学基础知识和技能的教学.[5]

1.2 载荷条件

由表2可知，反应时间短，铁和硅含量指标明显偏高，随着反应时间的延长，铁和硅含量的急速下降，到2.5h以后，铁和硅含量变化趋于稳定。考虑工作时间效率，最佳反应时间为2.5h。

 

表1 各部件的等效密度Tab. 1 Equivalent density of various components

  

名称悬臂后梁架后梁配重架配重旋转架旋转装置支腿、平衡梁和行走机构模型质量/kg 11 384 4 578 23 758 10 033 319 560 10 815 10 255 33 852实际质量/kg 16 963 5 540 36 263 9 616 97 700 14 874 15 000 61 010等效密度/(kg·m-3)11 697 9 499 11 982 7 524 2 400 10 796 11 482 14 148

(2) 悬臂前端皮带轮集中载荷 前端输送带托辊质量约为 0．21 t，产生的集中载荷约为 20 900 N。

(3) 后梁和旋转架销轴连接处同样设置耦合自由度约束，放开旋转自由度。

(4) 悬臂输送带上不同的均布载荷 根据悬臂俯仰角和旋转装置旋转角组合出一系列工况，每种确定的俯仰角和旋转角组合工况，又分为悬臂输送带上均布载荷为 10 和 20 t 两种工况，则均布重力载荷分别为 98 100 和 196 200 N。

悬臂俯仰角度为 8°、悬臂和行走轨道之间夹角为 123°时堆料机的载荷约束如图1所示。

保持悬臂俯仰角度 8°不变，分别对悬臂和行走轨道之间夹角为 113°和 133°(即 123°的±10°) 的工况进行分析，得到两种工况下悬臂输送带上的临界载荷分别为 18．21 和 19．33 t。临界载荷越小，表明越容易发生倾翻，因此 123°～ 133°不是危险角度的变化方向。接着，对悬臂和行走轨道之间夹角为 103°的工况进行分析，得到该工况下临界载荷为 18．92 t。可见，角度从 113°～ 103°变化时，临界载荷是增大的。最后，取悬臂和行走轨道之间夹角为 118°的工况进行分析，得到该工况下的临界载荷为 18．17 t，该值为一系列临界载荷的最小值，说明 118°是上述所有工况中最危险的工况，此时悬臂输送带上允许的均布载荷最小，为 18．17 t。

  

图1 堆料机的载荷约束Fig. 1 Loads and constraints of stacker

1.3 结果分析

如前所述，堆料机临界载荷分析主要涉及约束位置的支反力分析。堆料机倾翻时悬臂俯仰角度为8°，悬臂和行走轨道之间夹角为 123°，分别对悬臂输送带上均布载荷为 10 和 20 t 的工况进行分析，即重力均布载荷分别施加 98 100 和 196 200 N。

(1) 重力载荷 由于简化后模型质量和实际质量存在差异，因此采用等效密度的方法保证实际质量，施加重力时仅考虑重力加速度即可，取其值为 9．81 m/s2。各部件等效密度如表1 所列。

图2所示为悬臂输送带上均布载荷为 10 t 时各支撑位置在竖直方向即 z 向的支反力，分别为 1 103 600、720 160、715 870 和 239 460 N。其中支反力最小的支撑处即为容易发生倾翻的支撑，该支撑处支反力为239 460 N。

  

图2 悬臂输送带上均布载荷为10 t 时的 z 向支反力Fig. 2 Supporting force along direction z while uniform load on conveyance belt of cantilever being 10 t

图3所示为悬臂输送带上均布载荷为 20 t 时各支撑位置的 z 向支反力，分别为 1 295 500、815 780、813 560 和 -47 596 N。其中支撑处支反力为负值表明已经发生了倾翻现象，因为实际中该处 z 向自由度是不受约束的，由此可知，当悬臂输送带上均布载荷为20 t 时，堆料机会发生倾翻现象。

  

图3 悬臂输送带上均布载荷为 20 t 时的 z 向支反力Fig. 3 Supporting force along direction z while uniform load on conveyance belt of cantilever being 20 t

图6所示为后梁架等效应力分布云图，最大应力为 189．1 MPa，位于后梁架下部和后梁连接处。该处板厚 25 mm，其许用应力为 217 MPa，满足强度要求。

目前，我国的丙烯原料一般是经过催化裂化、石脑油裂解及甲醇制烯烃工艺制备得到，其中催化裂化、石脑油裂解仍是我国原料丙烯非常重要的来源。虽然以炼厂丙烯为原料时，气体分离精馏装置可使乙烷、乙烯、丙烷、炔烃和二烯烃等杂质含量符合高效催化剂聚合时的要求，但其存在的微量杂质，尤其是微量氯（主要是氯化氢），对丙烯聚合催化剂和羰基合成法制丁辛醇系列催化剂的活性产生巨大的危害，严重时将致使催化剂完全失活，从而导致整个装置停产，造成重大的经济损失。因此，在工业运行中，如何脱除痕量氯至其物质的量分数在0.000 02%以下来获取符合聚合级丙烯及羰基合成法制丁辛醇要求的丙烯原料成为丙烯净化的重点和关键。

图4所示为均布载荷为 18．34 t 时临界倾翻支撑处的 z 向支反力，可以看到该支撑处支反力为 0．625 N，已经非常接近 0，即处于临界倾翻状态。因此，悬臂俯仰角度为 8°、悬臂和行走轨道之间夹角为 123°时，悬臂输送带上允许的最大均布载荷为 18．34 t。

  

图4 悬臂输送带上均布载荷为18.34 t 时的 z 向支反力Fig. 4 Supporting force along direction z while uniform load on conveyance belt of cantilever being 18.34 t

德国从1972年开始倡导垃圾分类，经过了10 a的摸索期，1982年前后才算正式开始，1990年能规范化运作，从2010年至今一直保持世界领先水平，这与他们持续不断的努力实践有很大关系，其经验也能给我国开展垃圾分类提供很多启示。

之后对悬臂俯仰角分别为 0°、14°和 -8°的工况也进行了同样的分析，得到各工况下悬臂输送带上的临界载荷，如表2所列。

 

表2 各工况下悬臂输送带上的临界载荷Tab. 2 Critical load on conveyance belt of cantilever in various operation modes

  

悬臂俯仰角度/(°)悬臂和行走轨道之间夹角/(°)8 0 14-8 123 113 133 103 118 123 118 113 123 118 113 123 118 113临界载荷/t 18．34 18．21 19．33 18．92 18．17 18．15 17．99 18．04 18．77 18．60 18．63 18．73 18．56 18．61

从表2可以看出，在所有 14 种工况中，当悬臂俯仰角度为 0°(悬臂水平)、悬臂和行走轨道之间夹角为 118°时，极限临界载荷为 17．99 t。该工况是最危险的工况，即悬臂输送带上允许的均布载荷最小。此外，当固定悬臂俯仰角度不变，悬臂和行走轨道之间夹角为 118°时，临界载荷达到最小，说明无论悬臂俯仰角如何变化，悬臂和行走轨道之间夹角118°附近都是相对危险的角度，容易引起堆料机的倾翻。

2 极限临界载荷工况强度分析

由于极限临界载荷最小，因此只需在该工况条件下对堆料机关键部件进行强度分析即可。此时悬臂水平，悬臂和行走轨道之间夹角为 118°，均布载荷为17．99 t，计算时取 18 t。

总之，从已知定性分析结论:蓝色越浅，越接近黄色，代表任务越稀疏，该区域离中心城市越远，则价格越高；从定量分析结论:任务与其所属区域中心点的距离Ri变化最大，说明距离对定价的影响是最大的。从两者分析几乎相同的结果可知距离的确是对价格影响最大的因素。从纯理论上分析也应该如此，在经济发达的繁华地区，会员数众多，即使任务也相对较多，但依然不能减少竞争的压力。在偏远的郊区，任务数就很少了，而且距离较远。每个会员都会首先从自身利益考虑，若不是有利于自身，谁也不想去偏远的地区做任务。所以升高偏远地区的任务价格，就成了鞭策会员去完成任务的内在驱动力。

图5所示为悬臂等效应力云图，最大应力为168．3 MPa，位于拉杆连接的前端。该处板厚 10 mm，材料 Q345B 的许用应力为 230 MPa，满足强度要求。

对上述 10 和 20 t 均布载荷进行线性差值，即可求出倾翻的临界载荷，即 z 向支反力为零时悬臂输送带上的均布载荷，此时临界载荷约为 18．34 t。

钱多多说你我什么关系？写什么鸡巴借条！这个事情我有责任，不该让你喝那么多酒。那小徐也真不是个东西，明知你喝醉了，没把你送到家门口就开溜，哪有这么办事的！这钱你只管拿去，就当兄弟我请你逛了回窑子，我埋单！

  

图5 悬臂等效应力云图Fig. 5 Distribution contours of equivalent stress of cantilever

  

图6 后梁架等效应力云图Fig. 6 Distribution contours of equivalent stress of rear beam frame

  

图7 后梁和配重等效应力云图Fig. 7 Distribution contours of equivalent stress of rear beam and mass balance

图7所示为后梁和配重等效应力云图，最大应力为 213．8 MPa，位于后梁和后梁架连接的下部。该处板厚 14 mm，其许用应力为 230 MPa，满足强度要求。

步骤3 将所有训练样本集XTrain(i)(i=1,2,3)分别向各自所对应标准样本集Wi(i=1,2,3)进行投影,得到每一副图像对应的系数向量,这些向量共同形成降维后的样本集HTrain(i)(i=1,2,3).

图8所示为旋转架等效应力云图，最大应力为211．8 MPa，位于后部连接液压缸位置。该处板厚 22 mm，其许用应力为 217 MPa，满足强度要求。

由上述分析结果可知，当悬臂输送带上均布载荷为 18 t 时，各关键部件均可满足强度要求，但各部件的最大应力已经接近材料的许用应力，为了避免疲劳断裂，建议控制均布载荷在 13 t 以下，以保证一定的安全系数。

  

图8 旋转架等效应力云图Fig. 8 Distribution contours of equivalent stress of slewing frame

3 结论

笔者基于有限元法，对发生倾翻事故的某煤炭码头 S5 堆料机进行建模分析，得到以下结论：

(1) 当悬臂水平、悬臂和行走轨道之间夹角为118°时，极限临界载荷为 17．99 t，该工况是最容易发生倾翻的工况；

钩藤是一种有效的血管软化剂和天然植物降压药，不仅在中药制剂生产上广泛应用，并大量出口到日本、韩国等国家。目前，有56种中药，200多个厂家以钩藤为原料生产药品，市场药用年消耗量达3 600吨以上；日本饮料市场需求在250吨左右。因此，种植钩藤具有较好的市场前景。

(2) 当固定悬臂俯仰角度不变时，悬臂和行走轨道之间夹角 118°附近是相对危险的角度，容易引起堆料机的倾翻；

(3) 各关键部件在极限临界载荷工况下均满足强度要求，但由于最大应力接近材料许用应力，为了保证一定安全系数，建议悬臂输送带上均布载荷控制在13 t 以下。

参 考 文 献

[1]朱 明．DBK2000．43 型堆料机门座架及行走机构静力学分析[J]．机械工程师，2015(11)：131-132．

[2]董 春，杨 凯．堆料机多种堆料模式的半自动化实现 [J]．起重运输机械，2016(5)：36-38．

[3]邵翠荣，牛军燕．基于 ANSYS 的悬臂堆料机行走机构选型设计及优化 [J]．机械工程师，2015(10)：123-124．

[4]王 辉，刘冬梅，刘 洋．堆料机倾翻后的现场修复 [J]．科技创新与应用，2015(9)：40． □