尹麒麟

（三峽大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，湖北 宜昌443002）

混凝土梭式皮帶布料機布料覆蓋面積廣，結(jié)構(gòu)龐大，連續(xù)工作時間久，載荷情況復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣，是水利水電行業(yè)施工中常用的大型非標特種工程設(shè)備［1-2］。它由立柱、回轉(zhuǎn)支承系統(tǒng)、基本框架、布料臂等構(gòu)成，可通過伸縮桁架在基本框架中的穿行，來調(diào)節(jié)布料半徑［3］。布料機立柱等鋼桁架的結(jié)構(gòu)強度和剛度對布料機的安全和可靠性有著決定性作用［4］。但目前很少有對布料機進行分析研究，且其結(jié)構(gòu)龐大、建造成本高，做實驗不太現(xiàn)實，所以現(xiàn)在布料機的結(jié)構(gòu)及材料選取，仍靠經(jīng)驗來設(shè)計和估算，存在較大的安全隱患、材料浪費和成本偏高等問題。因此，對布料機在極限工況下進行力學(xué)分析，從而改善其受力狀況、選取合適的材料是布料機安全設(shè)計中極為重要的一環(huán)。

烏東德大壩供料所用的混凝土梭式皮帶布料機，要求能在8級大風(fēng)中正常工作、12級颶風(fēng)非工作狀態(tài)下不被破壞，以往靠經(jīng)驗設(shè)計的布料機，其選取的材料往往會過大，成本較高，有必要對布料機進行有限元仿真分析，以驗算其結(jié)構(gòu)強度和剛度是否滿足施工要求，從而選取合適的型材。文中運用ANSYS有限元分析軟件對烏東德大壩供料所用混凝土梭式皮帶布料機進行仿真分析，并根據(jù)結(jié)果提出修改，對布料機的設(shè)計、選材有一定指導(dǎo)作用。

1 有限元模型建立

烏東德大壩底部離地面103m，混泥土需要經(jīng)過料斗、2個緩降立柱、3個轉(zhuǎn)料皮帶機和上料皮帶機才能到達布料機上，如圖1。

圖1 烏東德大壩布料某工況示意圖

上料皮帶機跨度40m，一段與緩降立柱相連，一段在布料機上，其對布料機的安全穩(wěn)定性和可靠性有較大影響，在分析計算時，上料皮帶也需要建立模型。

在大風(fēng)力作用下，布料機有兩種情況最為危險：①當(dāng)上料皮帶機和布料臂共線即同一平面，且風(fēng)正對該平面吹來，此時迎風(fēng)面積最大，布料機較為危險；②當(dāng)上料皮帶機和布料臂所在平面垂直，風(fēng)正對上料皮帶機所在平面吹來，且方向從布料臂的尾端吹向頭部，此時在上料皮帶機和立柱的風(fēng)載與布料臂對立柱彎矩的共同作用下，布料機也較為危險。

利用ANSYS有限元軟件對上述兩種極限工況進行仿真分析。因ANSYS經(jīng)典界面的前處理操作復(fù)雜，出現(xiàn)錯誤后無法后撤，修改困難，所以使用APDL［5］建立布料機參數(shù)化模型，用命令流編寫，方便快捷、易修改，可節(jié)省大量時間。

上料皮帶機和布料機結(jié)構(gòu)龐大、復(fù)雜，所以在建模時，對其進行了簡化。與布料機穩(wěn)定性和可靠性基本無關(guān)的構(gòu)件換算成載荷加載在桁架上，同時不考慮桁架的小孔和焊縫［6-7］。而回轉(zhuǎn)支承與其他結(jié)構(gòu)相比，剛度強度較大，因此也將其簡化，與其他結(jié)構(gòu)件固結(jié)。圖2（a）為上料皮帶機和布料臂共線狀態(tài)，圖2（b）為上料皮帶機和布料臂垂直狀態(tài)。

圖2 上料皮帶機和布料臂相對位置

2 載荷計算及施加

上料皮帶機、布料臂和基本框架的桁架結(jié)構(gòu)自重在建模時通過截面特性輸入，未建模的部分則轉(zhuǎn)換成載荷?？紤]到物料在開始運送和減速制動時對金屬結(jié)構(gòu)的振動影響，除風(fēng)載外布料臂和基本框架的所有載荷均要乘以起升沖擊系1.1［8］，而風(fēng)載荷則根據(jù)《起重機設(shè)計手冊》［9］計算，其公式為：

式中 C為風(fēng)力系數(shù)；Kh為風(fēng)力高度變化系數(shù)；q為風(fēng)壓；A為垂直于風(fēng)向的迎風(fēng)面積。

經(jīng)計算得未改進前布料機和上料皮帶機各部分的載荷，如表1，表2。8級風(fēng)按20.7m/s計算，12級風(fēng)按36.9m/s計算。

表1 集中載荷 單位：N

表2 線載荷 單位：N/m

3 有限元分析及改進

根據(jù)實際施工情況，對立柱底部的關(guān)鍵點及上料皮帶機與緩降立柱相連的關(guān)鍵點實施全約束，將表1載荷添加到對應(yīng)位置上，求解得兩種較危險情況分別在8級風(fēng)和12級風(fēng)狀況下布料機最大應(yīng)力、應(yīng)變及各部分的最大應(yīng)力數(shù)值，如表3。在兩種風(fēng)載工況下，上料皮帶機與布料臂共線狀態(tài)下布料機的最大應(yīng)力均發(fā)生在布料臂和基本框架相接觸的滑輪處；垂直狀態(tài)下布料機的最大應(yīng)力均發(fā)生在上料皮帶機和回轉(zhuǎn)支承的連接處。由于滑輪和回轉(zhuǎn)支承模型的簡化和ANSYS單元的局限性，這兩個地方存在應(yīng)力集中，不是真實應(yīng)力，不應(yīng)作為參考依據(jù)。

表3 應(yīng)力應(yīng)變

去掉集中應(yīng)力，在布料機的4種狀況下，布料臂應(yīng)力較大部分均發(fā)生在與基本框架接觸的滑輪附近的上、下弦桿處，其余部分應(yīng)力較?。换究蚣軕?yīng)力較大部分均發(fā)生在與回轉(zhuǎn)支承連接附近的上、下弦桿處，其余部分應(yīng)力較小；立柱應(yīng)力較大部分均發(fā)生在立柱底部的主桿上，其余部分應(yīng)力較小。圖3、圖4分別為上料皮帶機與布料臂垂直狀態(tài)的12級風(fēng)載應(yīng)力、應(yīng)變圖。

圖3 應(yīng)力云圖

圖4 應(yīng)變云圖

從以往ANSYS有限元分析設(shè)計的大型鋼桁架的應(yīng)用經(jīng)驗來看，在環(huán)境較為惡劣的情況下工作，為保證安全，材料為Q235鋼的大型桁架機械，在去掉集中應(yīng)力后，最大應(yīng)力應(yīng)在120MPa以下，大范圍應(yīng)力應(yīng)在100MPa以下。根據(jù)ANSYS軟件分析情況來看，烏東德大壩所用的布料機材料強度有盈余，可通過減小布料臂和基本框架除上、下弦桿以外的桿件及立柱所有桿件的尺寸來降低總成本。具體改進方案如表4，與改進前相比，改進后布料臂重量減輕了10.25%，基本框架的重量減輕了39.36%，立柱重量減輕了29.07%。改進后，由于型材尺寸變小，立柱、布料臂和基本框架的迎風(fēng)面積減少，因此風(fēng)載也減小，其他載荷與上料皮帶機的載荷則不變。表4為改進后布料機的應(yīng)力、應(yīng)變。

表4 改進方案

從表4可以看出與改進前相比，因材料截面尺寸減小，布料機在各工況下的整體應(yīng)變都增大了。而應(yīng)力除立柱的有較大變化外，其他變化較小，且均在安全值以內(nèi)。改進后的布料機各部分應(yīng)力、應(yīng)變的分布情況與改進前相似，但各部分的材料選用更為合理，其結(jié)構(gòu)強度利用的更為充分。

4 帶預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析

從表5可知，當(dāng)布料機在12級風(fēng)垂直工況下時，整體機構(gòu)最為危險。因此對該工況下的布料機采用Block Lanczos法進行帶預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析。根據(jù)經(jīng)典振動理論，對于布料機這種多自由度的機械系統(tǒng)，低階固有頻率比高階固有頻率影響更大［10］。圖5為第6階模態(tài)振型圖，表6為布料機在12級風(fēng)垂直工況下前6階模態(tài)固有頻率和振型描述。

表5 改進后布料機應(yīng)力應(yīng)變

表6 固有頻率及振型

圖5 第6階模態(tài)振型

從圖5、表5中可知，布料機12級風(fēng)垂直工況下工作時，前6階固有頻率在0.8～5.1Hz的范圍內(nèi)，為不引起布料機系統(tǒng)的共振，保證人員及財產(chǎn)安全，因避免外界或驅(qū)動滾筒所引起的振動頻率在該范圍內(nèi)。

5 結(jié)語

（1）基于ANSYS 有限元軟件，運用APDL 參數(shù)化設(shè)計方法編寫了梭式布料機的計算程序，得到了布料機在大風(fēng)力工況下的應(yīng)力、應(yīng)變分布和前6階模態(tài)固有頻率，并對布料機主要結(jié)構(gòu)進行了改進，使各部分材料利用更為合理。

（2）為方便施工方材料采購和布料機加工，本文統(tǒng)一了布料臂上下斜桿、縱向桿和兩側(cè)的斜桿、豎桿的型號尺寸；統(tǒng)一了基本框架上下斜桿、縱向桿和兩側(cè)的斜桿、豎桿的型號尺寸；統(tǒng)一了立柱斜桿和橫桿的型號尺寸。根據(jù)ANSYS分析，布料臂和基本框架的上下斜桿、縱向桿與兩側(cè)豎桿及立柱橫桿的強度存在一定盈余，在滿足使用要求的同時為降低成本，可以適當(dāng)減少其截面尺寸和壁厚。