基于有限元分析帶式輸送機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)仿真分析

張 鵬

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)三元煤業(yè)公司， 山西 長(zhǎng)治 046000）

0 引言

機(jī)架作為帶式輸送機(jī)重要組成部分，其主要肩負(fù)著支撐帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒，改變輸送方向等作業(yè)，其質(zhì)量及可靠性將會(huì)直接影響到帶式輸送機(jī)的使用安全性。然而，在深入分析后發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有帶式輸送機(jī)機(jī)架存在受力分析精度較低、型號(hào)和尺寸選擇過(guò)于保守、易造成性能浪費(fèi)等情況。對(duì)此現(xiàn)狀，文中將會(huì)通過(guò)ANSYS 軟件進(jìn)行機(jī)架仿真分析，進(jìn)而根據(jù)機(jī)架變形原因提出優(yōu)化方案，解決上述問(wèn)題的同時(shí)，進(jìn)一步提高機(jī)架質(zhì)量及可靠性。

1 帶式輸送機(jī)機(jī)架的組成及種類

帶式輸送機(jī)機(jī)架主要由型鋼、槽鋼以及鋼板共同組成，常用的連接方式為焊接和栓接。根據(jù)機(jī)架在帶式輸送機(jī)上發(fā)揮的作用及線路布置差異，可將帶式輸送機(jī)機(jī)架分為頭架、傳動(dòng)滾筒支架以及尾架三種，三者分別位于帶式輸送機(jī)的首端、中端以及末端。常見的帶式輸送機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 常見的帶式輸送機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)

2 帶式輸送機(jī)機(jī)架模型構(gòu)建

本文將以常見帶式輸送機(jī)機(jī)架中受力最為復(fù)雜的角形傳動(dòng)滾筒頭架為研究對(duì)象，通過(guò)ANSYS 軟件進(jìn)行有限元仿真分析。在實(shí)際分析前，需要先構(gòu)建帶式輸送機(jī)架實(shí)體。此過(guò)程中所采用的各類參數(shù)分別為機(jī)架材料Q235 鋼，機(jī)架彈性模量210×109Pa，機(jī)架材料密度7.85 g/cm3，機(jī)架泊松比0.33。根據(jù)機(jī)架實(shí)際進(jìn)行實(shí)體模型構(gòu)建，并為降低有限元分析過(guò)程中計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算量，對(duì)機(jī)架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，此過(guò)程中采用自由網(wǎng)格劃分，共將機(jī)架劃分為128 515 個(gè)單元以及247 580 個(gè)階段，模型網(wǎng)格劃分后的帶式輸送機(jī)機(jī)架如圖2 所示。此外，因?yàn)闄C(jī)架頭架會(huì)直接固定在地面上，所以在模型分析過(guò)程中會(huì)將機(jī)架設(shè)置為固定約束，其所受到的應(yīng)力主要包括傳動(dòng)滾筒以及增面滾筒的重力和帶式輸送機(jī)輸送帶的張力。

圖2 帶式輸送機(jī)機(jī)架頭架模型網(wǎng)格劃分示意圖

3 帶式輸送機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)仿真分析

3.1 有限元分析結(jié)果

通過(guò)ANSYS 軟件對(duì)帶式輸送機(jī)機(jī)架頭架進(jìn)行有限元仿真分析后，機(jī)架頭架的有限元分析結(jié)果如下：

如圖3 所示，頭架的最大等效應(yīng)力點(diǎn)位于立桿上，最大等效應(yīng)力值為55.015 MPa；最大位移點(diǎn)同樣位于立桿上，最大位移值為0.301 86 mm，上述數(shù)值均滿足頭架強(qiáng)度要求，并且具有較大的裕度空間。此外，根據(jù)應(yīng)力- 位移云圖可以發(fā)現(xiàn)，立桿作為頭架最大應(yīng)力點(diǎn)和最大位移點(diǎn)，為保障頭架可靠性，需適當(dāng)增加其強(qiáng)度和剛度，而其他區(qū)域則可以適當(dāng)降低強(qiáng)度和剛度。

圖3 頭架的應(yīng)力- 位移云圖

3.2 頭架固有頻率及振型

薄弱模態(tài)是指頭架運(yùn)行中出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的固有頻率。通常情況下，薄弱模態(tài)為低階模態(tài)，對(duì)頭架前十階薄弱模態(tài)進(jìn)行分析后，獲取到表1 中頭架固有頻率及振型結(jié)果。

表1 頭架固有頻率及振型

將各階薄弱模態(tài)代入ANSYS 有限元分析中，再次根據(jù)上述有限元分析過(guò)程進(jìn)行分析計(jì)算，進(jìn)而獲取到以下結(jié)果：

1）第1 階振型時(shí)，機(jī)架最大變形位于立桿上，并且機(jī)架變形主要表現(xiàn)為立桿左右搖晃。

2）第2 階振型時(shí)，機(jī)架最大變形位于連接桿上，并且機(jī)架變形主要表現(xiàn)為連接桿前后搖晃。同時(shí)，機(jī)架左右兩根斜桿以擴(kuò)張收縮姿態(tài)，出現(xiàn)異向彎曲變形。

3）第3 階振型時(shí)，機(jī)架最大變形位于斜桿上，并且機(jī)架變形主要表現(xiàn)為斜桿左右搖晃。

4）第4 階振型時(shí)，機(jī)架最大變形位于連接桿上，并且機(jī)架變形主要表現(xiàn)為連接桿大幅度前后搖晃。同時(shí)，機(jī)架左右兩根斜桿以擴(kuò)張收縮姿態(tài)，出現(xiàn)輕微異向彎曲變形。

5）第5 階振型時(shí)，機(jī)架最大變形位于立桿、斜桿以及連接桿上。同時(shí)，但當(dāng)左右兩根斜桿以擴(kuò)張姿態(tài)，出現(xiàn)異向彎曲變形時(shí)，立桿則會(huì)以收縮姿態(tài)出現(xiàn)彎曲變形。反之，當(dāng)左右兩根斜桿以收縮姿態(tài)，出現(xiàn)異向彎曲變形時(shí)，立桿則會(huì)以擴(kuò)張姿態(tài)出現(xiàn)彎曲變形。

6）第6 階振型時(shí)，機(jī)架最大變形位于下連接桿上，并且機(jī)架變形主要表現(xiàn)為下連接桿以斜上角度大幅度晃動(dòng)。

7）第7 階振型時(shí)，機(jī)架最大變形位于立桿、斜桿以及上連接桿上，并且機(jī)架變形主要表現(xiàn)為立桿左右同向彎曲變形、斜桿以Y 軸為中心點(diǎn)進(jìn)行圍繞型扭轉(zhuǎn)、上連接桿以“S”型進(jìn)行持續(xù)性晃動(dòng)。

8）第8 階振型時(shí)，機(jī)架最大變形位于下橫桿、斜桿上，并且下橫桿會(huì)以收縮姿態(tài)出現(xiàn)異向彎曲變形、斜桿主要表現(xiàn)為以Y 軸為中心點(diǎn)進(jìn)行圍繞型扭轉(zhuǎn)。

9）第9 階振型時(shí)，機(jī)架最大變形位于下橫桿、斜桿、立桿上，并且下橫桿表現(xiàn)出左右同向彎曲變形、斜桿主要表現(xiàn)為以Y 軸為中心點(diǎn)進(jìn)行圍繞型扭轉(zhuǎn)、立桿表現(xiàn)為左右同向彎曲變形。

10）第10 階振型時(shí)，機(jī)架最大變形位于下橫桿上，并且機(jī)架變形主要表現(xiàn)為下橫桿以Z 軸為中心點(diǎn)進(jìn)行圍繞型扭轉(zhuǎn)。

綜上可知，帶式輸送機(jī)機(jī)架變形主要表現(xiàn)為彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形，并且不同振型會(huì)引發(fā)不同的機(jī)架部位表現(xiàn)出不同的變形情況。因此，在研究中應(yīng)重點(diǎn)分析低階振型對(duì)機(jī)架的影響。結(jié)合帶式輸送機(jī)工作實(shí)際可知，導(dǎo)致機(jī)架低階針對(duì)的根源相對(duì)較多，常見的因素如輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)因慣性和張力不均而產(chǎn)生的輸送機(jī)振動(dòng)；輸送機(jī)加載物料不均引發(fā)的輸送機(jī)振動(dòng)等。

針對(duì)相同問(wèn)題，為避免機(jī)架出現(xiàn)共振情況，應(yīng)盡可能減少振動(dòng)，可在優(yōu)化時(shí)在帶式輸送機(jī)中引入軟啟動(dòng)裝置和制動(dòng)裝置，以此來(lái)降低帶式輸送機(jī)啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)。此外，可以為機(jī)架帶設(shè)置有減震效果的基礎(chǔ)和聯(lián)軸器，保障機(jī)架穩(wěn)定性，提高機(jī)架運(yùn)行可靠性。

4 帶式輸送機(jī)機(jī)架優(yōu)化方案實(shí)踐應(yīng)用

在提出帶式輸送機(jī)機(jī)架優(yōu)化方案后，為確保優(yōu)化方案的可靠性和實(shí)用性，需將優(yōu)化方案運(yùn)用于工程實(shí)踐。具體工程實(shí)踐過(guò)程會(huì)持續(xù)6 個(gè)月，此過(guò)程中會(huì)安排專人不斷收集帶式輸送機(jī)機(jī)架變形數(shù)據(jù)，并根據(jù)所收集的數(shù)據(jù)確定帶式輸送機(jī)機(jī)架變形情況，確保機(jī)架優(yōu)化方案在實(shí)際應(yīng)用時(shí)所存在問(wèn)題的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決，避免應(yīng)用問(wèn)題引發(fā)更為嚴(yán)重的后果。不過(guò)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，帶式輸送機(jī)機(jī)架優(yōu)化方案有著較強(qiáng)的應(yīng)用穩(wěn)定性。在持續(xù)6 個(gè)月的工程實(shí)踐后發(fā)現(xiàn)，帶式輸送機(jī)各部件實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)均相對(duì)良好，并且不會(huì)對(duì)帶式輸送機(jī)正常運(yùn)行造成影響。綜合分析后，確定此優(yōu)化方案具有較強(qiáng)有效性，可有效控制帶式輸送機(jī)運(yùn)行中所產(chǎn)生的各類振動(dòng)，避免機(jī)架出現(xiàn)共振情況，保障機(jī)架穩(wěn)定性和可靠性。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)有限元分析后發(fā)現(xiàn)，帶式輸送機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變分布情況會(huì)隨著低階振型的變化而出現(xiàn)一定改變，為能夠有效應(yīng)對(duì)此問(wèn)題，不僅需要增加機(jī)架立桿的強(qiáng)度和剛度，還需要為帶式輸送機(jī)配置軟啟動(dòng)裝置和制動(dòng)裝置，降低帶式輸送機(jī)運(yùn)行中所產(chǎn)生的低階振動(dòng)，避免機(jī)架產(chǎn)生共振情況，保障機(jī)架的穩(wěn)定性和可靠性。