礦用橋式皮帶轉載機中間架結構的優(yōu)選分析

曹琳卿 陳光寧 程秀杰

(山東能源機械集團，山東 271222)

礦用皮帶轉載機是懸臂式掘進機不可或缺的配套設備，其主要用途是將掘進機裝運機構運出的物料輸送到后部配套運輸設備上，從而保證原煤運輸的連續(xù)性，提高采掘工作面的生產效率［1］。根據掘進機用戶使用條件的不同，轉載機可采用橋式或懸臂式結構。傳統的橋式皮帶轉載機由于機身結構不合理出現塌腰變形與扭曲變形，是困擾大載荷橋式轉載機發(fā)展的兩大技術難題［2］。而帶式轉載機中間架作為主要的承載單元，其設計的目的是在保證運量和跨距的前提下盡量減少其重量［3］。本文以山東能源機械集團生產的EZX100/40/18.5D(A)型帶式轉載機的技術參數作為參考，利用有限元分析軟件對其中間架的兩種結構形式、四種截面布置方案及多規(guī)格尺寸進行了優(yōu)選分析，探討機身結構缺陷問題的合理解決方案。

1 帶式轉載機總體結構及工作原理

EZX100/40/18.5D(A)型帶式轉載機是為山特維克MH620掘進機設計的專用配套轉載運輸設備。轉載機與礦車配套使用，其衍生系列產品可與礦用順槽帶式輸送機、刮板輸送機及其他運輸設備配套使用。該型號帶式轉載機受料端連接在掘進機機架尾部，卸料端通過行走小車騎在礦車導軌上，整機呈橋形隨掘進機移動?？傮w結構如圖1 所示。其主要由行走小車、機頭架(含驅動裝置)、中間架和機尾架(含受料部)等部分組成。

根據巷道掘進工藝配套要求，共布置了4 個標準中間架和1 個特殊中間架，通過聯接板和銷軸連接。中間架可以采用矩形鋼管焊接而成的桁架結構或矩形鋼管、加強護板等焊接而成的護板結構，如圖2 所示。

圖1 掘進機配套轉載運輸設備結構示意圖Figure 1 Structure drawing of matchable conveyer for heading machine

圖2 中間架三維模型Figure 2 Three dimensional model of middle framework

2 建立中間架有限元模型

2.1 單元的選擇

根據帶式轉載機中間架的結構特點和工作時的受力情況，建模時選用梁單元BEAM188 和殼單元SHELL63，通過共用節(jié)點方式實現了梁殼單元的連接。

BEAMl88 單元是一種基于Timoshenko 梁理論的三維線性有限應變梁單元，這種單元支持剪切變形效應，適合分析一定厚度的各種梁結構，并且支持線性、大扭轉或大應變的非線性分析。在坐標系統中，BEAM l88 單元(見圖3)由節(jié)點I 和J 定義，一般以節(jié)點K 定義單元橫截面的方向，通過指定截面的ID 號在梁單元的網格劃分過程中將截面和梁單元聯系起來。其單元載荷和節(jié)點載荷包括慣性力、體力、分布力和集中力。集中力施加在單元的X 軸上(單元的X 軸由這些節(jié)點定義)。如果單元的X 軸和質心軸不共線，加載的軸向力將會引起彎曲。如果橫截面的剪切中心和質心不是同一點，加載的剪切力將導致扭矩和扭轉應變。因此，這些節(jié)點應該與所要加載集中力的點的位置一致。當采用缺省值時，ANSYS 程序將形心軸選定為梁單元橫截面的彎曲參考軸?？梢赃m當地選用SECOFFSET 命令中的OFFSETZ 和OFFSETY 分項定義橫截面參考軸的位置，BEAMl88 單元定義了有限元分析計算時橫截面彎曲參考軸的實際位置［4］。

SHELL63 殼單元(見圖4)同時具有彎曲能力和膜力，能夠同時承受平面內載荷和法向載荷。該單元每個節(jié)點具有6 個自由度:沿節(jié)點坐標系X、Y、Z 方向的平動和沿節(jié)點坐標系X、Y、Z 軸的轉動。

2.2 定義單元截面屬性

確定了單元坐標系后，即可定義單元截面的幾何屬性。橫截面定義了梁的垂直于軸向的平面幾何形狀。橫截面定義之后，ANSYS 利用九個節(jié)點的區(qū)域建立起一個數字模型，用來確定其截面特性并通過泊松方程式對扭轉行為進行求解。將截面ID 號指定給一條線作為屬性，并用這個截面ID 號確定對此線進行網格劃分生成的梁單元的橫截面。對中間架主梁的四種截面布置方式分別進行了分析，如圖5 所示。

圖3 BEAM188 單元幾何示意圖Figure 3 Geometric drawing of BEAM188 cell

圖4 SHELL63 單元幾何示意圖Figure 4 Geometric drawing of SHELL63 cell

圖5 四種截面形式Figure 5 Four kinds of sectional form

2.3 添加材料屬性

中間架材料為Q345，將其材料屬性輸入系統，得到，彈性模量E=2.1×1011，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 850 kg/m3。

2.4 建模

因中間架間采用配合間隙較小的銷軸聯板連接方式，將中間架之間的銷軸連接簡化為剛性連接后，就得出其整體應力狀態(tài)及位移狀態(tài)。桁架結構的加強筋采用與主梁相同的矩形鋼管，護板結構的加強板采用厚度為6 mm 的鋼板。對兩種結構形式分別建立有限元模型，如圖6 所示。

圖6 中間架有限元模型Figure 6 Finite element model of middle framework

3 施加約束和載荷

3.1 施加約束

EZX1000/400/18.5D(A)型帶式轉載機中間架通過銷軸聯板連接到機頭架和機尾架上，根據其工作時的實際情況，對相應節(jié)點施加約束。

3.2 施加重力載荷

通過輸入沿Y 軸正向的加速度，對中間架本體施加重力載荷。ANSYS 認為，如果模擬重力，必須使結構沿重力反向加速，也就是說，施加的重力其實是反向加速度［5］。

3.3 施加工作載荷

帶式轉載機中間架所受載荷主要包括輸送帶、物料和托輥的重力，計算選用1.5 倍的動載荷系數可以得到其動載荷受力，根據中間架的實際受力情況將所受力分別均勻施加到上托輥掛架和下托輥座相應的節(jié)點上。施加約束和載荷的中間架有限元模型如圖7 所示。

圖7 施加約束和載荷后的中間架有限元模型Figure 7 Finite element model of middle framework under constraint and loading

4 求解計算

模型經網格劃分和施加載荷后進行求解運算，得到中間架的應力和位移云圖(見圖8)。通過對云圖的分析比較，得到了最合理的截面形式。

5 優(yōu)選結果與分析

5.1 結構形式優(yōu)選

以70 mm×50 mm×5 mm 的矩形鋼管為例，對桁架結構和護板結構的四種截面布置方式分別進行了有限元分析，結果見表1。由表1 可知，所有截面方式護板結構的應力都比桁架結構的應力小得多，且護板結構整體重量為1 564 kg，桁架結構為1 482 kg，重量只相差約100 kg。相比之下，護板結構為較優(yōu)選擇。

圖8 中間架的應力及位移云圖Figure 8 Cloud charts of stress and displacement for middle framework

表1 結構形式優(yōu)選結果Table 1 Optimization results of structural form

5.2 矩形鋼管截面尺寸優(yōu)選

選取護板結構形式，再對不同矩形鋼管規(guī)格尺寸、不同截面布置方式的中間架分別進行有限元分析，計算出最大應力，最大位移及安全系數，結果見表2。

由表2 可知，在前三種規(guī)格的矩形鋼管中，第二種截面布置方式所受應力最小，而在后四種規(guī)格中，第四種截面布置方式應力最小，沒有一致的規(guī)律性。另外，在矩形鋼管截面選取時，還要考慮轉載機惡劣的工作環(huán)境，要選擇2.0以上的安全系數。綜合考慮，最終選取規(guī)格為70 mm×50 mm×5 mm 的矩形鋼管，截面布置方式采用第二種(上主梁橫置、下主梁豎置)或第四種(上下主梁全部橫置)能夠滿足強度和剛度要求，且重量最輕。

表2 護板結構優(yōu)選結果Table 2 Optimization results of protecting plate configuration

6 結論

(1)利用ANSYS 梁板單元建立了帶式轉載機中間架的有限元模型，通過對梁單元截面偏置及尺寸調整建立了多種規(guī)格矩形鋼管、四種截面布置方式的中間架三維模型，并對其分別進行了有限元分析。

(2)EZX1000/400/18.5D(A)型帶式轉載機中間架工作時主要受彎曲應力和扭轉應力，而護板結構的應力比桁架結構的應力小得多。在比較不同規(guī)格的護板結構后，第二種和第四種截面布置方式應力較小，配置最佳，可優(yōu)先選用。

(3)利用有限元分析研究結果選出了轉載機中間架最合理的結構形式、截面布置以及尺寸，減輕了中間架的重量，對整機結構進行了優(yōu)化，可為產品系列化設計提供參考。

［1］吳翠艷.EZX 型懸臂式轉載機的設計及應用［J］.煤礦機械，2009，30(7):1-2.

［2］陳紅，李成章，李秀云.橋式轉載機的開發(fā)與應用［J］.水力采煤與管道運輸，2009，(4):50-51.

［3］溫建剛.大跨距帶式轉載機中間架截面的優(yōu)選分析［J］.煤炭工程，2010，(1):105-107.

［4］齊志會，楊樹耕.ANSYS 中的有限應變梁單元和子結構技術在板梁組合結構分析中的應用［J］.中國造船，2003，44:405-412.

［5］張立新，徐長航，陳江榮，等.ANSYS3.0 基礎教程［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2004:123-135.