DTIIA 型礦用帶式輸送機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)強度的分析及計算程序的設(shè)計

徐 莽

（同煤集團(tuán)永定莊煤業(yè)公司質(zhì)運科， 山西 大同 037024）

引言

隨著國家綜合國力的不斷提升，對煤礦資源的需求量也呈逐漸增長趨勢。帶式輸送機(jī)作為煤礦開采中的關(guān)鍵設(shè)備，保障其設(shè)備具有較高作業(yè)效率及作業(yè)安全成為當(dāng)前煤礦企業(yè)的重點任務(wù)[1]。然而，由于井下環(huán)境的復(fù)雜性及惡劣性，導(dǎo)致帶式輸送機(jī)在運行過程中極容易出現(xiàn)各類故障問題，包括皮帶磨損嚴(yán)重、皮帶斷裂、電機(jī)短路等故障問題，特別是機(jī)架作為整個帶式輸送機(jī)上的關(guān)鍵部件，在其使用中極容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形或結(jié)構(gòu)開裂現(xiàn)象，這對帶式輸送機(jī)的作業(yè)安全及工作效率造成了嚴(yán)重影響[2]。結(jié)合帶式輸送機(jī)的實際作業(yè)環(huán)境，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計顯得十分必要，而保障機(jī)架的整體結(jié)構(gòu)性能是其關(guān)鍵。由此，以DTIIA 型礦用帶式輸送機(jī)中機(jī)架為分析對象，通過建立機(jī)架的仿真模型，開展了機(jī)架的結(jié)構(gòu)強度分析，并提出了機(jī)架的結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施及建立了機(jī)架的受力情況計算程序，這對保證機(jī)架的結(jié)構(gòu)強度及設(shè)計高效性具有重要意義。

1 機(jī)架模型的建立

1.1 三維模型的建立

根據(jù)DTIIA 型礦用帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)特點，為進(jìn)一步對其設(shè)備中的機(jī)架性能進(jìn)行分析研究，采用SOLIDWORKS 軟件，對機(jī)架進(jìn)行了三維模型建立。在該軟件中，主要對機(jī)構(gòu)的立柱、斜支撐、橫向拉桿等零件進(jìn)行模型建立，由于該些零件主要由槽鋼、H型鋼組成，為提高后期機(jī)架的網(wǎng)格質(zhì)量及仿真精度，對型材上的過渡圓角及倒角進(jìn)行了模型簡化，并對機(jī)架上用于連接的圓孔進(jìn)行了省略，由此，完成了機(jī)架的三維模型。

1.2 仿真模型的建立

將建立的機(jī)架三維模型導(dǎo)入至ABAQUS 軟件中，對其進(jìn)行仿真模型。由于機(jī)架主要由各類型材料焊接而成，在實際使用中采用的是Q235 材料[5]，故在軟件中對其進(jìn)行了Q235 材料設(shè)置，該材料的主要性能參數(shù)如表1 所示。同時，根據(jù)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點，對其進(jìn)行了4 面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設(shè)置在10～15 mm 范圍內(nèi)，可根據(jù)各零件的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行設(shè)置，最終網(wǎng)格單元數(shù)量為125 074 個。另外由于機(jī)架主要為焊接結(jié)構(gòu)，為提高仿真結(jié)果的精度，對機(jī)架中的焊縫進(jìn)行省略，將各零件之間進(jìn)行剛性連接。由于機(jī)架被直接安裝在地面上，故對機(jī)架底部的4 個支撐座進(jìn)行了固定約束，并在機(jī)架立柱上添加向下的重力。由此，完成了帶式輸送機(jī)機(jī)架的仿真模型，如圖1所示。

表1 機(jī)架Q235 材料主要性能參數(shù)

圖1 機(jī)架網(wǎng)格劃分圖

2 機(jī)架結(jié)構(gòu)強度的分析

圖2 機(jī)架應(yīng)力變化圖（單位：Pa）

圖3 機(jī)架結(jié)構(gòu)位移變化圖（單位：m）

結(jié)合建立的帶式輸送機(jī)機(jī)架仿真模型，對其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)性能的仿真分析研究，得到其結(jié)構(gòu)應(yīng)力及位移變形仿真結(jié)果，如下頁圖2、圖3 所示。由圖2 可知，機(jī)架的整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，在機(jī)架的下部位及底座上均出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，以立柱上的應(yīng)力值最大；而沿立柱上端方向，應(yīng)力值呈逐漸減小的變化趨勢。同時，由圖3 可知，機(jī)架整體結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了不同程度的結(jié)構(gòu)位移變化，其中，立柱中部及斜支撐上的位移變形相對較大，而立柱頂部及底座上的應(yīng)力值則相對較小。由此可知，機(jī)架在使用過程中，其立柱是整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位，在長時間使用中，極容易導(dǎo)致立柱出現(xiàn)率先結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象，對帶式輸送機(jī)的作業(yè)安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。

綜上分析，在后期機(jī)架設(shè)計及使用過程中，可考慮選用更大規(guī)格的立柱型號，或在現(xiàn)有立柱基礎(chǔ)上增加加強筋、支撐板等結(jié)構(gòu)，以此來增加立柱及機(jī)架的強度和剛度。同時，在機(jī)架立柱的較大應(yīng)力集中部位周邊開設(shè)較小直徑的圓孔，可有效將集中的應(yīng)力進(jìn)行快速轉(zhuǎn)移和緩解，以此提高機(jī)架的結(jié)構(gòu)強度；另外，在使用中需加強對機(jī)架使用情況的定期跟蹤，針對出現(xiàn)故障問題時，需及時采取相應(yīng)的維護(hù)保護(hù)措施，保證機(jī)架的作業(yè)安全。

3 機(jī)架受力計算程序的設(shè)計

結(jié)合前文對機(jī)架的仿真結(jié)果分析可知，在機(jī)架設(shè)計過程中，不同規(guī)格、不同型號的帶式輸送機(jī)需根據(jù)現(xiàn)場實際使用情況進(jìn)行設(shè)計，而更加高效、快速地完成對機(jī)架受力情況的分析計算，成為保證帶式輸送機(jī)安全作業(yè)的關(guān)鍵[6]。由此，采用了ANSYS 軟件中的APDL 語言，結(jié)合VB 中的語言界面，編寫了一套用于機(jī)架受力計算的程序，其計算程序主業(yè)圖如圖4 所示。由圖可知，該機(jī)架計算程序中包括了機(jī)架類型選擇、帶式輸送機(jī)基本參數(shù)輸入，可快速將機(jī)架上各桿的受力情況、鋼材型號推薦、地腳螺栓受力情況進(jìn)行結(jié)果輸出，同時對機(jī)架進(jìn)行有限元仿真分析。其中，基本參數(shù)輸入包括了帶式輸送機(jī)的皮帶寬度、輸送機(jī)型號、皮帶速度、輸送機(jī)張力等，完成參數(shù)輸入后，點擊保存，開始對機(jī)架受力情況進(jìn)行分析。該計算程序的設(shè)計，大大縮短機(jī)架的設(shè)計周期，有效保證了機(jī)架的結(jié)構(gòu)強度及剛度。

圖4 機(jī)架受力情況計算界面圖

4 結(jié)論

根據(jù)機(jī)架不同作業(yè)環(huán)境的特點，不斷采用更加先進(jìn)的計算技術(shù)、仿真技術(shù)對機(jī)架進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能分析，是當(dāng)前保障帶式輸送機(jī)作業(yè)安全的關(guān)鍵。因此，結(jié)合DTIIA 型礦用帶式輸送機(jī)機(jī)架的結(jié)構(gòu)性能特點，通過建立機(jī)架的仿真模型，找到在使用中極容易率先出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象的整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位，由此提出機(jī)架結(jié)構(gòu)強度的改進(jìn)措施和編寫機(jī)架受力計算的程序，以提高機(jī)架的結(jié)構(gòu)性能、保障所設(shè)計的機(jī)架具有更高安全性。