皮帶機(jī)布料臂架拓?fù)鋬?yōu)化的研究

高燕京

（西山煤電官地礦， 山西 太原 030022）

引言

隨著我國煤炭行業(yè)的不斷發(fā)展，煤礦開采的機(jī)械化進(jìn)程也在進(jìn)一步加速。皮帶輸送機(jī)是一種集合輸送物料、矸石和煤于一身的機(jī)械設(shè)備。皮帶輸送機(jī)[1-2]的主要構(gòu)成部件有上料系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、布料系統(tǒng)等，而布料系統(tǒng)是皮帶機(jī)運(yùn)輸?shù)闹匾画h(huán)。布料系統(tǒng)包括了變幅油缸、伸縮機(jī)構(gòu)和布料臂架等，由于布料臂架是由多節(jié)伸縮臂構(gòu)成，所以伸縮臂的強(qiáng)度及質(zhì)量對于皮帶機(jī)的工作狀態(tài)有著至關(guān)重要的作用，所以對皮帶輸送機(jī)的布料臂架進(jìn)行優(yōu)化研究是十分必要的，此前眾多學(xué)者對此進(jìn)行過研究[3-4]。本文對布料臂架進(jìn)行了分析，并通過ANASYS 數(shù)值模擬軟件對布料臂架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，有效提升了布料臂架的穩(wěn)定性。

1 拓?fù)鋬?yōu)化的介紹

布料臂架是皮帶機(jī)的重要組成部分，其設(shè)計(jì)的質(zhì)量直接關(guān)系著皮帶機(jī)的正常運(yùn)行，所以為了提升皮帶機(jī)的使用壽命同時(shí)有效提升礦山的經(jīng)濟(jì)效益，本文對布料臂架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，以此來提升皮帶機(jī)布料臂架的強(qiáng)度。

拓?fù)鋬?yōu)化是一種通過尋找材料各部位最佳載荷值及其合理的分配方案來達(dá)到材料的優(yōu)化方案，此研究方案不同于其他優(yōu)化方案，拓?fù)鋬?yōu)化只需給定設(shè)計(jì)變量參數(shù)及材料的省去比就可以完成優(yōu)化參數(shù)的設(shè)置。常用的拓?fù)鋬?yōu)化方案有密度優(yōu)化法、漸進(jìn)法和均勻法等。拓?fù)鋬?yōu)化的常見設(shè)計(jì)步驟分為如下幾步：優(yōu)化空間分析、優(yōu)化網(wǎng)格劃分、優(yōu)化參數(shù)設(shè)置、得出優(yōu)化方案和優(yōu)化方案分析。通過確定布料臂架的強(qiáng)度要求，確定其形式建立有限元模型，對其進(jìn)行簡化，簡化后的布料臂架示意圖如圖1 所示。

圖1 布料臂架優(yōu)化空間示意圖

圖1 中：Lmax為布料臂架工作最大范圍，m；L1為布料臂架的基礎(chǔ)臂長度，m；L2為布料臂架的中間臂長度，m；L3為布料臂架的前臂長度，m；H1和H2分別為臂架搭接長度，m。為了保證搭接位置不會被折斷，必須有效保證H1和H2的長度。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，需要考慮模擬的精度及電腦的工作性能，所以本文選定一定厚度的面來代替網(wǎng)格，選擇Shell93 的殼單元進(jìn)行模擬，每個(gè)單元含有8 個(gè)節(jié)點(diǎn)且每個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有6 個(gè)自由度，同時(shí)每個(gè)單元擁有塑性大及變形應(yīng)變的能力，完成網(wǎng)格劃分后對模型進(jìn)行材料參數(shù)的設(shè)定。本文選定的材料為Q390D，其彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3，材料的密度為7 800 kg/m3，材料的屈服極限為390 MPa。

圖2 去除方案單元偽密度圖

2 優(yōu)化結(jié)果的分析

首先對前臂進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，分別對材料的體積進(jìn)行去除70%、75%和80%。拓?fù)鋬?yōu)化的單元偽密度圖如圖2 所示。對前臂進(jìn)行載荷設(shè)置，在布料臂架的頭部施加載荷600 kg，在上下弦桿的部位施加均勻載荷100 kg/m。根據(jù)位置管線對頭部進(jìn)行Y方向固定約束設(shè)定，對接觸點(diǎn)施加3 個(gè)方向的約束，接觸位置設(shè)置為3 m。

如圖2 所示：偽密度較大的區(qū)域陰影越大，區(qū)域材料密度越應(yīng)當(dāng)予以保留，不能被去除，否則會對桿件的強(qiáng)度造成一定影響，圖中陰影越小，區(qū)域偽密度越低，在此區(qū)域內(nèi)可以適當(dāng)刪除一定的密度。對比三種方案的偽密度圖，發(fā)現(xiàn)在去除75%的偽密度圖與布料臂架的結(jié)構(gòu)布局形式最為契合，根據(jù)對前臂的拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)函數(shù)的收斂曲線進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著迭代次數(shù)的不斷增加柔度函數(shù)逐漸收斂，當(dāng)?shù)螖?shù)來到18 次時(shí)，此時(shí)的柔度函數(shù)完全收斂，無需再進(jìn)行下一步的迭代。前臂的目標(biāo)函數(shù)收斂曲線如圖3 所示。

圖3 前臂目標(biāo)函數(shù)的收斂曲線

通過對選用體積減少75%為約束條件進(jìn)行優(yōu)化研究，優(yōu)化結(jié)果如圖4 所示。

圖4 前臂拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果示意圖

通過對前臂拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果進(jìn)行測量發(fā)現(xiàn)，前臂的右側(cè)腹桿節(jié)長度區(qū)間為1.52～2.19 m，前臂的左側(cè)腹桿節(jié)長度區(qū)間為0.88～1.07 m。通過結(jié)合前臂的實(shí)際長度22 m，對左右兩側(cè)的節(jié)距進(jìn)行最終的選定，合理節(jié)距的最終確定值為2 m，由于前臂和中間臂的接觸位置屬于應(yīng)力的集中部位，所以為了加大接觸位置的強(qiáng)度需要對接觸位置的部位進(jìn)行一定的強(qiáng)度加強(qiáng)。同時(shí)考慮到底面位置的條紋分布較為零散且為了加大后期做工時(shí)的方便程度，特將底面的橫桿間距也確定為2 m。在左側(cè)應(yīng)力集中的區(qū)域加入部分的底面斜拉桿，得到最終的前臂拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果。

對布料臂架的中間臂進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，先對中間臂的優(yōu)化區(qū)域進(jìn)行確定，通過類似的前臂拓?fù)鋬?yōu)化經(jīng)驗(yàn)，對中間臂的上下主斜桿確定為不可優(yōu)化區(qū)域，將中間臂的兩側(cè)1.35 m 的高度范圍內(nèi)及底面寬度在1.3 m 內(nèi)的范圍設(shè)定為可優(yōu)化區(qū)，考慮到上下主弦桿的尺寸大小，設(shè)定中間桿的優(yōu)化模型為L=22 m，H=1.5 m，B=1.5 m。對中間臂進(jìn)行載荷設(shè)定，在前臂與中間臂的接觸位置施加反向支撐力9 067 kg，在上弦部位施加均勻載荷100 kg/m，重合部位的長度為4 m。對比模型進(jìn)行與前臂相似的模擬方案，模擬結(jié)果如圖5 所示。

圖5 中間臂拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果示意圖

根據(jù)中間臂的三種方案進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)中間臂在體積去除70%時(shí)的條紋最為符合實(shí)際的中間臂情況，并通過對中間臂的目標(biāo)函數(shù)曲線進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)螖?shù)來到17 次時(shí)結(jié)構(gòu)的柔度函數(shù)完成函數(shù)收斂，無法再進(jìn)行下一步迭代。從中間桿的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果可以得出中間桿的腹桿長度為1.6～2.32 m，結(jié)合中間臂長度為22 m 可以得出最佳的節(jié)距2.2 m，由于中間臂和基礎(chǔ)臂的接觸位置屬于應(yīng)力的集中部位，所以為了加大接觸位置的強(qiáng)度，需要對接觸位置的部位加入豎桿進(jìn)行強(qiáng)度加強(qiáng)。同時(shí)考慮到底面位置的條紋分布較為零散且為了加大后期做工時(shí)的方便程度，底面的橫桿間距也設(shè)定為2.2 m。在左側(cè)應(yīng)力集中的區(qū)域加入部分的底面斜拉桿，得到最終的中間臂拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果。

對布料臂架的基礎(chǔ)臂進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，基礎(chǔ)臂的長為23 m，高度為1.8 m，寬度為1.7 m，先對基礎(chǔ)臂的優(yōu)化區(qū)域進(jìn)行確定，通過類似的前臂和中間臂的拓?fù)鋬?yōu)化經(jīng)驗(yàn)，對基礎(chǔ)臂的上下四根主斜桿確定為不可優(yōu)化區(qū)域，將中間臂的兩側(cè)1.8 m 的高度范圍內(nèi)及底面寬度在1.7 m 內(nèi)的范圍設(shè)定為可優(yōu)化區(qū)，考慮到不可優(yōu)化區(qū)域的大小，設(shè)定基礎(chǔ)桿的優(yōu)化模型為L=23 m，H=2 m，B=1.9 m。對基礎(chǔ)臂進(jìn)行載荷設(shè)定，在基礎(chǔ)臂與中間臂的接觸位置施加反向支撐力38 350 kg，在上弦部位施加均勻載荷100 kg/m。對模型進(jìn)行與前臂相似的模擬方案，模擬結(jié)果如下頁圖6 所示。

通過對基礎(chǔ)臂的研究發(fā)現(xiàn)，選用體積減少75%作為約束條件時(shí)，優(yōu)化效果最佳，測出腹桿長度為2.63～3.9 m，結(jié)合中間臂長度為23 m 可以得出最佳的節(jié)距3 m，同時(shí)將底面的橫桿節(jié)距同樣設(shè)置為3 m便于后期加工，得到最終的優(yōu)化方案。

綜合最終的優(yōu)化結(jié)果對基礎(chǔ)臂、中間臂和前臂進(jìn)行結(jié)合得到了最終的60 m 大跨度皮帶輸送機(jī)的布料臂架如圖7 所示。

圖6 基礎(chǔ)臂拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果示意圖

3 結(jié)語

通過對皮帶輸送機(jī)的布料臂架進(jìn)行分析，對布料臂架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析，給出了布料臂架的優(yōu)化空間、拓?fù)鋬?yōu)化的網(wǎng)格劃分及材料選用等，對布料臂架的前臂、中間臂和基礎(chǔ)臂進(jìn)行優(yōu)化，通過得到的偽密度圖得到了前臂、中間臂及基礎(chǔ)臂的腹桿節(jié)距及底面桿件結(jié)構(gòu)形式，最終給出了布料臂架的優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖。

圖7 布料臂架的結(jié)構(gòu)示意圖