斗轮堆取料机（以下简称斗轮机）是散装物料搬运行业中进行堆取料作业的核心设备。广泛应用于电厂、钢厂、码头、石化等行业。国内有数十家规模较大、资质合格的斗轮机生产设计单位，他们提供的斗轮机都有各自的结构特点和风格特点。但总体来说还是差不多的。根据变桨方式的不同，斗轮机分为整体变桨斗轮机和四连杆变桨斗轮机两大类。各自的简化图如下：
四连杆斗轮机具有参与俯仰的结构和部件少、配重轻、变幅时重心变化小等优点。但同时也带来了俯仰时臂架带式输送机出现飘带的问题。 （这个模型超出了本文的讨论范围，将简单提及）
从全国乃至全球斗轮机的市场占有率和在役数量来看，整体变桨斗轮机具有压倒性的数量优势。图2所示的斗轮机是国内大多数厂家普遍采用的整体变桨斗轮机的典型机型。下面，我们就该模型的俯仰钢结构力学分析计算提出自己的算法和意见，供业界同仁和研究人员参考。让我们和别人一起讨论，启发别人，让我们共同进步！
钢结构力学分析计算的目的是解决两大矛盾，一是设备安全问题，二是机器重量的合理性和经济性，并将两者统一起来。虽然设计者可以通过增加板厚、加高截面等方法来增加结构的强度和刚度，提高安全性，但过高的安全系数不仅会浪费钢材，还会增加整机的重量，电机功率的增加将导致外部配套减速机、电气设备、液压设备相应增加，这将进一步增加斗轮机用户的运行维护成本和日常电耗。
经过充分计算的设计，可以让每一块钢板、每一公斤钢材发挥出应有的作用。在设计实践中，设计师往往是刚进入行业的新手。由于施工工期紧张、人员配备不完善、主创设计师经验和素质存在差异，设计指导不到位。设计师盲目加厚钢板，导致最终投产的钢结构图纸较差。头大耳朵重。对这样的结构进行有限元分析时，云图上会出现大片低应力应变区域（通常是蓝色区域），证明该区域的钢材没有发挥出应有的功效，是一种浪费。
许多单位的图纸，如果仔细计算，很多梁、柱、杆的应力水平要么在200兆帕以上，要么只有几十兆帕。这些斗轮机虽然也在服役，但可能存在安全隐患，面临大修改造，或者强度冗余过多，造成电力和耗材的惊人浪费。 （考虑删除它）
好的设计应该综合考虑安全性和经济性，并在两者之间找到平衡点。即在满足足够安全系数的前提下，应实现钢结构的优化设计，使各结构构件的应力水平接近。以行业常用的Q345B材料为例，其屈服极限~345MPa。对于我们的设计，合理的应力水平应为110~120MPa。这一压力水平得到了重工业中大多数专家和资深工程师的认可。根据该设计，强度安全系数>3。在强度方面，保证了足够合理的安全系数。 （考虑向后移动或呼应结论）
本文介绍了整体变桨斗轮机上部金属结构的分析计算过程。各结构构件按照应力计算、绘制内力图、主要截面强度校核、有限元校核的顺序进行。
1）配重计算。
各组分的颗粒分布如图所示：
每个质点总结如下表：
上表列出了除配重外所有部件在水平状态下的重量和力矩值。假设参与俯仰的部件的总重心在整机的旋转中心线上，则上倾时总重心向后移动（向配重方向）。俯仰时，总重心向前移动（斗轮方向）。整机旋转时，重心位于以旋转中心线为圆心的圆周上。这种受力状态有利于旋转支撑，减少倾翻力矩，提高轴承性能。生活。
G=16354x35+23000x21.21+4050x17.6+22534x13.37+1104x9.9+21077x4.5+1108 5x2.96+2240x5.84-6950x4.9-14642x9.1=17571.7/17.5=81061kg，配重为81000kg。
2）后横拉杆T3张力的计算
配重臂的结构和受力是对称的。知道了配重和配重臂自重，根据静平衡方程，很容易计算出后拉杆拉力T3=2768.8 kN
3）前横拉杆Tq和中横拉杆Tm张力的计算
前臂框架承受以下力：
带式输送机重量张紧装置Nz=88.93 kN
前臂自重为202kN，前臂承载的皮带和滚轮的重量为56.5kN，臂架上的平台栏杆和其他附件的重量为38kN。这三部分组合成均匀载荷q=(202+56.5+38)/30.635=9.678(kN/m)，沿臂架全长均匀分布，L=30.635m
斗轮装置重量G1=163.54 kN
头辊重量 Nt=16.63 kN
前臂架由后铰点、前横拉杆、中横拉杆共同约束。它是超静定梁。其约束反力的计算必须采用单位载荷法，这是本文的重点和难点。
将中拉杆拉力Tm视为超静定力，在A点沿中拉杆方向施加单位载荷X=1。X为广义力，无量纲。下面我们分别计算外载荷单独作用时的状态1（松开A处拉杆）和A处单位载荷X=1单独作用时的状态2。如下图：
1）在状态1的受力图中，列出O点上各力的静平衡方程：
假设Tq1的垂直分量为F1，F1 = Tq1 sin(24.88°)，O点垂直反力为RO1
88.93x2.35 + 163.54x29.235 + 16.63x30.635 + 0.5*9.678x30.6352 – F1x26.36=0
F1 + RO1- 88.93 - 163.54 - 16.63 - 9.678x30.635 = 0
解为F1=382.56kN，RO1=183.03kN
Tq1 的水平分量的力矩为 0，是轴向力。它不会产生弯矩，因此在此计算中被忽略。
下面是前臂梁按比例简化的受力图、剪力图、弯矩图。
2）在状态2力图中，列出O点上各力的静平衡方程：
假设Tq2的垂直分量为F2，F2 = Tq2 sin(24.88°)，O点垂直反力为RO2
1xSin(47.86°)x10.095- F2 x 26.36=0
1xSin(47.86°)-F2-RO2 = 0
解为F2=0.284，RO2=0.456
按比例绘制前臂梁的简化受力图和弯矩图，省略剪力图。
根据单位负荷法计算公式ΔP+XΔ11=0，只需用图乘法求δ11和δp即可
即可求出中间横拉杆的拉力X。
3）图乘法确定系数Δ11和Δp
下图结合了两种状态的弯矩图，方便直观地使用图乘法。
公式ΔP=Σωy0/(EI)，ω为状态1弯矩图各分区的面积
y0是状态2弯矩图上对应于其质心的纵坐标
各分区的累加和即为载荷作用下的位移ΔP。
ΔP=-（5043473x2.71+6153683x3.13+741716x0.25+0）= -33114269/EI
同理，通过状态2自乘，得Δ11=23.22x3.067+37.4x3.067=185.92/EI
代入公式 ΔP+XΔ11= 0 X=178100N=178.1 kN
根据X=1时状态2的弯矩图，画出X=178.1kN，并画出X=178.1kN时状态2的弯矩图。
状态1和状态2（X=178.1 kN）的合成弯矩图是前臂架的实际弯矩图。
计算前横拉杆拉力：
Tq = Tq1+ X 。 Tq2 = (F1+
= 788.91（千牛）
状态1表示钢结构平面图中无中间拉杆时的应力状态和弯矩分布，在最终弯矩图中用虚线表示。通过比较，我们可以清楚地看到，增加中间拉杆后钢结构柱线刚度计算，臂架中部的峰值弯矩大大降低，这意味着臂架的重量可以减轻。这样，通过增加中间拉杆，可以减少前拉杆悬挂点之后大部分臂架长度内的板厚和截面高度。
4）柱弯矩图的绘制
吊点处配重臂的水平压力等于后拉杆的水平分力，即：
Rx= T3 之后 sin(8.14) =2768.8 cos(8.14°) =2740.91(kN)
在前面的计算中，我们还计算了前横拉杆张力Tq、中横拉杆张力Tm、后横拉杆张力T3。综合起来，我们可以画出下面的简化的柱受力图和弯矩图（限于文章长度，无需计算，图法详细说明）。
5）有限元与手工计算相互验证，ANSYS输出柱弯矩图、前臂弯矩图、命令流程
斗轮机主体钢结构各杆、梁、柱的应力计算可通过有限元软件进行验证。以前臂为例，我们将以下命令流程导入ANSYS14软件中：
在命令行中输入，ANSYS14软件中输出的有限元弯矩图如图所示。
对比图12，两幅弯矩图的形状与最大误差完全一致。有限元解本身就是一种近似计算。它采用近似模型代替实际模型，因此有限元计算结果与理论计算存在一定差异。错误是可以接受的。
通过有限元分析计算验证，证明手工计算结果可靠、正确，能够满足指导设计实践的需要。
6）弯矩图的运用和设计优化。
以上已经完成了各构件的应力计算和弯矩图，钢结构分析计算的技术问题已经完成了95%。剩下的只是通过乘除运算对梁、柱的关键截面进行验证和优化，优化和减重的问题就迎刃而解了，水到渠成。
1 前臂架为双工字钢对称结构。最大弯矩出现在前横拉杆挂点处，Mmax=630100000N.mm。
首先确定吊点后梁截面的截面参数，然后在此基础上钢结构柱线刚度计算，通过适当加厚钢板和加高截面，最终确定吊点前的截面参数。
前臂架横梁截面参数对比
来源
横梁高度H (mm)
覆盖层厚度T（毫米）
盖板宽度B（毫米）
腹板厚度S(mm)
弯曲模量W(mm4)
弯曲正应力 σ (Mpa)
安全系数
原计划
首席设计师精选过往参考案例
1000
16
350
10
6.93E+06
45.4
6.61
优化方案
钢结构分析计算
850
14
350
10
5.12E+06
61.56
4.87
考虑到设计起源和习惯、设备动载荷、焊接残余应力等不确定因素，虽然优化后安全系数仍然很高，但本设计保留了进一步优化的空间，以换取足够的安全系数。
2、立柱为双变截面工字梁对称结构。立柱形状与弯矩图一致，符合等强度设计原则。最大弯矩出现在A点，Mmax=1.3155e9N.mm。该设计优化了立柱的截面参数。表1和表2分别为A段和B段优化前后的对比。
A塔段优化前后参数对比
来源
横梁高度H (mm)
覆盖层厚度T（毫米）
盖板宽度B（毫米）
腹板厚度S(mm)
弯曲模量W(mm3)
截面弯矩（N.mm）
弯曲正应力 σ (Mpa)
安全系数
原计划
首席设计师精选过往参考案例
2700
40
350
16
8.07E+07
6.58E+09
81.55
3.68
优化方案
钢结构分析计算
2500
35
350
16
6.63E+07
6.58E+09
99.14
3.03
塔B段优化前后参数对比
来源
横梁高度H (mm)
覆盖层厚度T（毫米）
盖板宽度B（毫米）
腹板厚度S(mm)
弯曲模量W(mm3)
截面弯矩（N.mm）
弯曲正应力 σ (Mpa)
安全系数
原计划
首席设计师精选过往参考案例
2215
40
350
16
6.30E+07
4.60E+09
72.98
4.11
优化方案
钢结构分析计算
2015年
30
350
16
4.51E+07
4.60E+09
101.93
2.94
(7)各拉杆、各销轴的标定和优化。
