曹琳卿 陳光寧 程秀杰

(山東能源機(jī)械集團(tuán)，山東 271222)

礦用皮帶轉(zhuǎn)載機(jī)是懸臂式掘進(jìn)機(jī)不可或缺的配套設(shè)備，其主要用途是將掘進(jìn)機(jī)裝運(yùn)機(jī)構(gòu)運(yùn)出的物料輸送到后部配套運(yùn)輸設(shè)備上，從而保證原煤運(yùn)輸?shù)倪B續(xù)性，提高采掘工作面的生產(chǎn)效率［1］。根據(jù)掘進(jìn)機(jī)用戶使用條件的不同，轉(zhuǎn)載機(jī)可采用橋式或懸臂式結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的橋式皮帶轉(zhuǎn)載機(jī)由于機(jī)身結(jié)構(gòu)不合理出現(xiàn)塌腰變形與扭曲變形，是困擾大載荷橋式轉(zhuǎn)載機(jī)發(fā)展的兩大技術(shù)難題［2］。而帶式轉(zhuǎn)載機(jī)中間架作為主要的承載單元，其設(shè)計(jì)的目的是在保證運(yùn)量和跨距的前提下盡量減少其重量［3］。本文以山東能源機(jī)械集團(tuán)生產(chǎn)的EZX100/40/18.5D(A)型帶式轉(zhuǎn)載機(jī)的技術(shù)參數(shù)作為參考，利用有限元分析軟件對(duì)其中間架的兩種結(jié)構(gòu)形式、四種截面布置方案及多規(guī)格尺寸進(jìn)行了優(yōu)選分析，探討機(jī)身結(jié)構(gòu)缺陷問題的合理解決方案。

1 帶式轉(zhuǎn)載機(jī)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

EZX100/40/18.5D(A)型帶式轉(zhuǎn)載機(jī)是為山特維克MH620掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)的專用配套轉(zhuǎn)載運(yùn)輸設(shè)備。轉(zhuǎn)載機(jī)與礦車配套使用，其衍生系列產(chǎn)品可與礦用順槽帶式輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)及其他運(yùn)輸設(shè)備配套使用。該型號(hào)帶式轉(zhuǎn)載機(jī)受料端連接在掘進(jìn)機(jī)機(jī)架尾部，卸料端通過行走小車騎在礦車導(dǎo)軌上，整機(jī)呈橋形隨掘進(jìn)機(jī)移動(dòng)?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其主要由行走小車、機(jī)頭架(含驅(qū)動(dòng)裝置)、中間架和機(jī)尾架(含受料部)等部分組成。

根據(jù)巷道掘進(jìn)工藝配套要求，共布置了4 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中間架和1 個(gè)特殊中間架，通過聯(lián)接板和銷軸連接。中間架可以采用矩形鋼管焊接而成的桁架結(jié)構(gòu)或矩形鋼管、加強(qiáng)護(hù)板等焊接而成的護(hù)板結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。

圖1 掘進(jìn)機(jī)配套轉(zhuǎn)載運(yùn)輸設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Structure drawing of matchable conveyer for heading machine

圖2 中間架三維模型Figure 2 Three dimensional model of middle framework

2 建立中間架有限元模型

2.1 單元的選擇

根據(jù)帶式轉(zhuǎn)載機(jī)中間架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作時(shí)的受力情況，建模時(shí)選用梁?jiǎn)卧狟EAM188 和殼單元SHELL63，通過共用節(jié)點(diǎn)方式實(shí)現(xiàn)了梁殼單元的連接。

BEAMl88 單元是一種基于Timoshenko 梁理論的三維線性有限應(yīng)變梁?jiǎn)卧@種單元支持剪切變形效應(yīng)，適合分析一定厚度的各種梁結(jié)構(gòu)，并且支持線性、大扭轉(zhuǎn)或大應(yīng)變的非線性分析。在坐標(biāo)系統(tǒng)中，BEAM l88 單元(見圖3)由節(jié)點(diǎn)I 和J 定義，一般以節(jié)點(diǎn)K 定義單元橫截面的方向，通過指定截面的ID 號(hào)在梁?jiǎn)卧木W(wǎng)格劃分過程中將截面和梁?jiǎn)卧?lián)系起來。其單元載荷和節(jié)點(diǎn)載荷包括慣性力、體力、分布力和集中力。集中力施加在單元的X 軸上(單元的X 軸由這些節(jié)點(diǎn)定義)。如果單元的X 軸和質(zhì)心軸不共線，加載的軸向力將會(huì)引起彎曲。如果橫截面的剪切中心和質(zhì)心不是同一點(diǎn)，加載的剪切力將導(dǎo)致扭矩和扭轉(zhuǎn)應(yīng)變。因此，這些節(jié)點(diǎn)應(yīng)該與所要加載集中力的點(diǎn)的位置一致。當(dāng)采用缺省值時(shí)，ANSYS 程序?qū)⑿涡妮S選定為梁?jiǎn)卧獧M截面的彎曲參考軸?？梢赃m當(dāng)?shù)剡x用SECOFFSET 命令中的OFFSETZ 和OFFSETY 分項(xiàng)定義橫截面參考軸的位置，BEAMl88 單元定義了有限元分析計(jì)算時(shí)橫截面彎曲參考軸的實(shí)際位置［4］。

SHELL63 殼單元(見圖4)同時(shí)具有彎曲能力和膜力，能夠同時(shí)承受平面內(nèi)載荷和法向載荷。該單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有6 個(gè)自由度:沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系X、Y、Z 方向的平動(dòng)和沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系X、Y、Z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.2 定義單元截面屬性

確定了單元坐標(biāo)系后，即可定義單元截面的幾何屬性。橫截面定義了梁的垂直于軸向的平面幾何形狀。橫截面定義之后，ANSYS 利用九個(gè)節(jié)點(diǎn)的區(qū)域建立起一個(gè)數(shù)字模型，用來確定其截面特性并通過泊松方程式對(duì)扭轉(zhuǎn)行為進(jìn)行求解。將截面ID 號(hào)指定給一條線作為屬性，并用這個(gè)截面ID 號(hào)確定對(duì)此線進(jìn)行網(wǎng)格劃分生成的梁?jiǎn)卧臋M截面。對(duì)中間架主梁的四種截面布置方式分別進(jìn)行了分析，如圖5 所示。

圖3 BEAM188 單元幾何示意圖Figure 3 Geometric drawing of BEAM188 cell

圖4 SHELL63 單元幾何示意圖Figure 4 Geometric drawing of SHELL63 cell

圖5 四種截面形式Figure 5 Four kinds of sectional form

2.3 添加材料屬性

中間架材料為Q345，將其材料屬性輸入系統(tǒng)，得到，彈性模量E=2.1×1011，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 850 kg/m3。

2.4 建模

因中間架間采用配合間隙較小的銷軸聯(lián)板連接方式，將中間架之間的銷軸連接簡(jiǎn)化為剛性連接后，就得出其整體應(yīng)力狀態(tài)及位移狀態(tài)。桁架結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)筋采用與主梁相同的矩形鋼管，護(hù)板結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)板采用厚度為6 mm 的鋼板。對(duì)兩種結(jié)構(gòu)形式分別建立有限元模型，如圖6 所示。

圖6 中間架有限元模型Figure 6 Finite element model of middle framework

3 施加約束和載荷

3.1 施加約束

EZX1000/400/18.5D(A)型帶式轉(zhuǎn)載機(jī)中間架通過銷軸聯(lián)板連接到機(jī)頭架和機(jī)尾架上，根據(jù)其工作時(shí)的實(shí)際情況，對(duì)相應(yīng)節(jié)點(diǎn)施加約束。

3.2 施加重力載荷

通過輸入沿Y 軸正向的加速度，對(duì)中間架本體施加重力載荷。ANSYS 認(rèn)為，如果模擬重力，必須使結(jié)構(gòu)沿重力反向加速，也就是說，施加的重力其實(shí)是反向加速度［5］。

3.3 施加工作載荷

帶式轉(zhuǎn)載機(jī)中間架所受載荷主要包括輸送帶、物料和托輥的重力，計(jì)算選用1.5 倍的動(dòng)載荷系數(shù)可以得到其動(dòng)載荷受力，根據(jù)中間架的實(shí)際受力情況將所受力分別均勻施加到上托輥掛架和下托輥?zhàn)鄳?yīng)的節(jié)點(diǎn)上。施加約束和載荷的中間架有限元模型如圖7 所示。

圖7 施加約束和載荷后的中間架有限元模型Figure 7 Finite element model of middle framework under constraint and loading

4 求解計(jì)算

模型經(jīng)網(wǎng)格劃分和施加載荷后進(jìn)行求解運(yùn)算，得到中間架的應(yīng)力和位移云圖(見圖8)。通過對(duì)云圖的分析比較，得到了最合理的截面形式。

5 優(yōu)選結(jié)果與分析

5.1 結(jié)構(gòu)形式優(yōu)選

以70 mm×50 mm×5 mm 的矩形鋼管為例，對(duì)桁架結(jié)構(gòu)和護(hù)板結(jié)構(gòu)的四種截面布置方式分別進(jìn)行了有限元分析，結(jié)果見表1。由表1 可知，所有截面方式護(hù)板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力都比桁架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力小得多，且護(hù)板結(jié)構(gòu)整體重量為1 564 kg，桁架結(jié)構(gòu)為1 482 kg，重量只相差約100 kg。相比之下，護(hù)板結(jié)構(gòu)為較優(yōu)選擇。

圖8 中間架的應(yīng)力及位移云圖Figure 8 Cloud charts of stress and displacement for middle framework

表1 結(jié)構(gòu)形式優(yōu)選結(jié)果Table 1 Optimization results of structural form

5.2 矩形鋼管截面尺寸優(yōu)選

選取護(hù)板結(jié)構(gòu)形式，再對(duì)不同矩形鋼管規(guī)格尺寸、不同截面布置方式的中間架分別進(jìn)行有限元分析，計(jì)算出最大應(yīng)力，最大位移及安全系數(shù)，結(jié)果見表2。

由表2 可知，在前三種規(guī)格的矩形鋼管中，第二種截面布置方式所受應(yīng)力最小，而在后四種規(guī)格中，第四種截面布置方式應(yīng)力最小，沒有一致的規(guī)律性。另外，在矩形鋼管截面選取時(shí)，還要考慮轉(zhuǎn)載機(jī)惡劣的工作環(huán)境，要選擇2.0以上的安全系數(shù)。綜合考慮，最終選取規(guī)格為70 mm×50 mm×5 mm 的矩形鋼管，截面布置方式采用第二種(上主梁橫置、下主梁豎置)或第四種(上下主梁全部橫置)能夠滿足強(qiáng)度和剛度要求，且重量最輕。

表2 護(hù)板結(jié)構(gòu)優(yōu)選結(jié)果Table 2 Optimization results of protecting plate configuration

6 結(jié)論

(1)利用ANSYS 梁板單元建立了帶式轉(zhuǎn)載機(jī)中間架的有限元模型，通過對(duì)梁?jiǎn)卧孛嫫眉俺叽缯{(diào)整建立了多種規(guī)格矩形鋼管、四種截面布置方式的中間架三維模型，并對(duì)其分別進(jìn)行了有限元分析。

(2)EZX1000/400/18.5D(A)型帶式轉(zhuǎn)載機(jī)中間架工作時(shí)主要受彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，而護(hù)板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力比桁架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力小得多。在比較不同規(guī)格的護(hù)板結(jié)構(gòu)后，第二種和第四種截面布置方式應(yīng)力較小，配置最佳，可優(yōu)先選用。

(3)利用有限元分析研究結(jié)果選出了轉(zhuǎn)載機(jī)中間架最合理的結(jié)構(gòu)形式、截面布置以及尺寸，減輕了中間架的重量，對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，可為產(chǎn)品系列化設(shè)計(jì)提供參考。

［1］吳翠艷.EZX 型懸臂式轉(zhuǎn)載機(jī)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］.煤礦機(jī)械，2009，30(7):1-2.

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