帶式輸送機(jī)不銹鋼機(jī)架結(jié)構(gòu)有限元分析

李明雷，張德岳，謝振華，劉亞楠

(1.大連鹽化集團(tuán)有限公司，遼寧大連 116309；2.中鹽工程技術(shù)研究院有限公司，天津 300450)

1 前言

帶式輸送機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、能耗低、工作阻力小、貨載的破碎性小、耗電量低、管理維護(hù)方便等許多優(yōu)點(diǎn)，在潮濕、塵土等惡劣環(huán)境下實(shí)現(xiàn)連續(xù)傳送，在國內(nèi)各行業(yè)應(yīng)用廣泛[1]?？紤]制造成本、機(jī)械強(qiáng)度等因素，帶式輸送機(jī)的機(jī)架一般選用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，已經(jīng)積累了很多經(jīng)驗(yàn)。

大連鹽化集團(tuán)有限公司(以下簡稱“公司”)現(xiàn)設(shè)計(jì)一臺(tái)帶式輸送機(jī)裝卸原鹽，由于原鹽具有強(qiáng)烈的腐蝕性，因而選用304不銹鋼制造輸送機(jī)機(jī)架。在傳統(tǒng)的機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算中，一般根據(jù)材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核。這種設(shè)計(jì)方法只能對(duì)危險(xiǎn)截面計(jì)算校核，計(jì)算精度受到限制[2]。

文章采用有限元方法計(jì)算機(jī)架的受力和變形情況。先在SolidWorks平臺(tái)建立機(jī)架三維模型，然后分析受力條件后施加載荷，其次劃分網(wǎng)格，最后計(jì)算機(jī)架受力情況。計(jì)算后得到機(jī)架應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖，分析受力和變形規(guī)律，為機(jī)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2 機(jī)架三維模型建立

公司設(shè)計(jì)的輸送機(jī)長度30 m，寬度1 m，輥筒電機(jī)功率18.5 kW，輸送量1 000 t/h，帶速3 m/s。輸送機(jī)下部焊接固定在旋轉(zhuǎn)盤上，屬于完全固定結(jié)構(gòu)。根據(jù)設(shè)計(jì)選型手冊[3]，輸送機(jī)機(jī)架主梁用75×8的角鋼等邊角鋼，連接筋用63×8等邊角鋼，下支撐用18A槽鋼，然后用連接板焊接而成。用三維建模軟件SolidWorks建立三維實(shí)體模型，如圖1所示。

圖1 機(jī)架三維模型Fig.1 Three-dimensional model of the transmisson frame

3 機(jī)架載荷分析與計(jì)算

機(jī)架所有材料使用304不銹鋼，材料特性為彈性模量Ex=1.9×106MPa，泊松比μ=0.305，許用應(yīng)力[σ]=135 MPa，密度ρ=7.85×103kg/m3。在機(jī)架上輸送鹽重量為3 t，假設(shè)均勻分布在機(jī)架長度上，動(dòng)載荷為F=100 N/m。計(jì)算中考慮機(jī)架自重，取重力加速度G=9.81 m/s2。

機(jī)架傾斜放置，中間支撐焊接在轉(zhuǎn)盤上，一端帶滑輪與地面接觸，另一端懸臂在空中。機(jī)架的中間支撐焊接在旋轉(zhuǎn)盤，3個(gè)方向的位移自由度都被約束。機(jī)架一端與地面接觸，可以滑動(dòng)，只有Y方向的自由度被約束。機(jī)架另一端沒有支撐，是懸臂梁結(jié)構(gòu)。機(jī)架受力和固定情況如圖2所示。

圖2 機(jī)架的受力分析Fig.2 The force analysis of transmisson frame

SolidWorks Simulation是一個(gè)與SolidWorks完全集成的設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)，提供了單一屏幕解決方案來進(jìn)行應(yīng)力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析和優(yōu)化分析。SolidWorks Simulation憑借著快速解算器的強(qiáng)有力支持，可讓設(shè)計(jì)員能夠使用個(gè)人計(jì)算機(jī)快速解決大型問題。SolidWorks Simulation為了體現(xiàn)設(shè)計(jì)仿真一體化的解決方案，在無縫集成界面做了創(chuàng)造性的改變，將仿真界面，仿真流程無縫融入到SolidWorks的設(shè)計(jì)過程中。SolidWorks Simulation可以直接使用SolidWorks建立的三維模型。它網(wǎng)格化會(huì)創(chuàng)建 3D 四面實(shí)體單元、2D 三角形殼體單元及1D橫梁單元，前處理和后處理比其他CAE軟件方便簡單。三維模型建成后，SolidWorks Simulation可根據(jù)零件情況自動(dòng)選擇單元模型并劃分網(wǎng)。單元格越小，劃分的越精細(xì)，單元數(shù)也會(huì)越多，計(jì)算量也就越大，計(jì)算所需時(shí)間越長。選用其默認(rèn)的網(wǎng)格劃分精度可以滿足一般的設(shè)計(jì)要求。網(wǎng)格由一種類型單元組成，除非指定了混合網(wǎng)格類型[4]。計(jì)算中自動(dòng)選擇適合衍架結(jié)構(gòu)的193橫梁單元，單元最小51.31mm。計(jì)算模型選擇靜應(yīng)力分析，不需要局部細(xì)化網(wǎng)格。以上設(shè)置完成后，運(yùn)行此算例。

4 計(jì)算結(jié)果分析

在SolidWorks Simulation有Direct Sparse解算器、FFEPlus(迭代)兩個(gè)計(jì)算器，對(duì)于一般計(jì)算自動(dòng)選擇Direct Sparse解算器。Direct Sparse解算器使用精確的數(shù)字方法求解方程式，可用于靜態(tài)、熱力、頻率、線性動(dòng)態(tài)和非線性算例，計(jì)算機(jī)可用內(nèi)存足夠多時(shí)速度較快。計(jì)算后，得到等效應(yīng)力分布圖如圖3所示，位移云圖如圖4所示。

圖3 等效應(yīng)力云圖Fig.3 The nephogram of equivalent stress

圖4 位移云圖Fig.4 The nephogram of displacement

從圖3等效應(yīng)力云圖可以看出，最大應(yīng)力出現(xiàn)在帶式輸送機(jī)懸臂段的根部，且最大應(yīng)力達(dá)到108 MPa。帶式輸送機(jī)另一端由于接觸地面，其根部最大應(yīng)力較小為93 MPa。因此在制造過程中，要嚴(yán)格控制懸臂段根部焊接質(zhì)量，避免微孔、裂紋和虛焊等缺陷，防止在以后使用中產(chǎn)生疲勞斷裂。設(shè)計(jì)人員可將傾斜支撐段適當(dāng)加長，稍微向外延伸，減小根部應(yīng)力集中。機(jī)架使用304不銹鋼焊制，其屈服強(qiáng)度為[σs]=205 MPa，最大應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力，安全系數(shù)1.52，符合設(shè)計(jì)要求。

從圖4位移云圖可以看出，最大位移出現(xiàn)在帶式輸送機(jī)懸臂段的頭部，且最大位移達(dá)到43.5 mm。根據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)[5]，懸臂機(jī)架最大變形量Dmax=L/300，其中L是懸臂長度二倍，計(jì)算得最大允許變形量[δ]=100 mm。因此，比較后可知，輸送機(jī)機(jī)架不會(huì)失穩(wěn)。但是，設(shè)計(jì)中選用輸送帶長度時(shí)，需要考慮機(jī)架較大的變形量，安裝輸送帶脹緊裝置。

5 結(jié)論

用SolidWorks建立帶式輸送機(jī)機(jī)架三維模型，然后用SolidWorks的有限元分析插件SolidWorksSimulation進(jìn)行靜力學(xué)分析，進(jìn)而從理論上得到機(jī)架在工作狀態(tài)下的應(yīng)變、位移等情況。設(shè)計(jì)者可直接觀察機(jī)架三維等效應(yīng)力云圖和位移云圖，得到受力的危險(xiǎn)位置，從而優(yōu)化機(jī)架結(jié)構(gòu)。為帶式輸送機(jī)機(jī)架是設(shè)計(jì)提供了參考。