劉賢鎖，郭育東

（1.霍州煤電集團(tuán)鑫鉅煤機(jī)裝備制造有限責(zé)任公司，山西 臨汾 031499；2.太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

引言

帶式輸送機(jī)因其輸送力大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造費(fèi)用低，以及維護(hù)方便等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。在運(yùn)輸過(guò)程中，由于皮帶的長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，使皮帶斷裂，可能造成皮帶機(jī)機(jī)架摧毀、設(shè)備毀壞、巷道堵塞等重大事故。因此實(shí)施斷帶保護(hù)是非常必要的［1－2］。本文設(shè)計(jì)了一種新型液壓驅(qū)動(dòng)式斷帶保護(hù)裝置，該裝置在皮帶上側(cè)設(shè)置液壓驅(qū)動(dòng)的活動(dòng)摩擦塊（楔塊狀），下側(cè)設(shè)固定摩擦塊，一旦發(fā)生斷帶，液壓裝置驅(qū)使活動(dòng)摩擦塊和固定摩擦塊產(chǎn)生夾緊力阻止皮帶下滑。通過(guò)Adams對(duì)斷帶保護(hù)裝進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，分析結(jié)果為樣機(jī)的生產(chǎn)提供了可靠的依據(jù)。

1 斷帶保護(hù)裝置工作原理

整套斷帶保護(hù)系統(tǒng)由信號(hào)檢測(cè)裝置、清煤裝置、電氣控制裝置、斷帶抓捕裝置、液壓站組成。信號(hào)檢測(cè)裝置對(duì)皮帶的張緊力和托輥轉(zhuǎn)向?qū)崟r(shí)監(jiān)控，一旦發(fā)生斷帶即將信號(hào)傳送至電氣控制裝置，電氣控制裝置通過(guò)PLC控制系統(tǒng)，驅(qū)使液壓油缸推動(dòng)滑動(dòng)摩擦塊和固定摩擦塊相互夾緊，以達(dá)到夾住皮帶的目的。

2 摩擦塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖1 斷帶保護(hù)裝置

摩擦塊是斷帶保護(hù)裝置的核心部件，它的設(shè)計(jì)優(yōu)劣直接關(guān)系到保護(hù)裝置的性能。因此有必要對(duì)摩擦塊的結(jié)構(gòu)采用ANSYS Workbench模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 摩擦塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1.1 問(wèn)題描述

設(shè)計(jì)摩擦塊截面如下頁(yè)圖2 所示，利用參數(shù)優(yōu)化確定在滿足強(qiáng)度的前提下，質(zhì)量最輕情況下的優(yōu)化尺寸。優(yōu)化的輸出參數(shù)為摩擦塊的質(zhì)量（Mass）、等效應(yīng)力（Equivalent Stress）及整體變形（Total Deformation）。

2.1.2 參數(shù)化建模

以圖2截面建模，摩擦塊拉伸長(zhǎng)度1 000mm為定值。建立參數(shù)變量，變量名必須以DS＿開(kāi)頭。

2.1.3 進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析

圖2 優(yōu)化橫截面圖（mm）

1）設(shè)定分析類型。打開(kāi)Project page，拖動(dòng)Static Structural到項(xiàng)目窗口，建立Static Structural系統(tǒng)。

2）導(dǎo)入幾何模型，右擊Geometry子模塊，Import Geometry，導(dǎo)入模型。

3）打開(kāi)分析界面，設(shè)材料。劃分網(wǎng)格，施加約束，施加載荷，插入結(jié)果，求解，查看結(jié)果。如圖3所示，等效應(yīng)力的最大值為16.24 MPa，小于材料的許用應(yīng)力（113 MPa），可以進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，圖4為摩擦塊變形圖。

圖3 應(yīng)力圖

圖4 變形圖

2.1.4 選擇優(yōu)化三要素

1）選擇設(shè)計(jì)變量，在模型中選上DS＿2 摩擦塊的長(zhǎng)、DS＿1摩擦塊的高。

2）選擇目標(biāo)函數(shù)，在設(shè)計(jì)樹(shù)中選擇模型，在模型的Properties中選擇Mass。

3）提取約束條件，在Solution中，選擇等效應(yīng)力，在屬性對(duì)話框中選Maximum。

2.1.5 進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化

進(jìn)入Design Exploration，首先定義設(shè)計(jì)變量的上、下限（摩擦塊長(zhǎng)在360～440mm 之間，摩擦塊高在180～220mm 之間），計(jì)算多個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)。然后定義約束條件和目標(biāo)函數(shù)，選擇優(yōu)化方法、設(shè)定搜索步長(zhǎng)來(lái)尋求最優(yōu)解。最后更新優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖5優(yōu)化結(jié)果。圖6、圖7、圖8為各取值尺寸對(duì)應(yīng)的應(yīng)力、變形、質(zhì)量。

圖5 優(yōu)化結(jié)果

圖6 等效應(yīng)力曲線

圖7 總位移曲線

圖8 各點(diǎn)質(zhì)量曲線

2.2 最優(yōu)解

摩擦塊設(shè)計(jì)的目的是在材料的許用應(yīng)力內(nèi)盡可能減小材料質(zhì)量和尺寸，如表1所示。

表1 目標(biāo)函數(shù)

運(yùn)用層次分析法分析表2的9中設(shè)計(jì)方案。建立層序模型，主要有3 層：總目標(biāo)層，準(zhǔn)則層和方案層。總目標(biāo)層：在控制摩擦塊質(zhì)量的同時(shí)，減小總變形，減小等效應(yīng)變；準(zhǔn)則層：摩擦塊質(zhì)量、最大變形、等效應(yīng)變；方案層：如表2所示的9種參考方案。

在滿足摩擦塊強(qiáng)度的前提下，摩擦塊的質(zhì)量越小越好也就是摩擦塊質(zhì)量的倒數(shù)越大越好。寫(xiě)出9種方案質(zhì)量的倒數(shù)矩陣（1）。

表2 9種設(shè)計(jì)方案

用方案1的質(zhì)量倒數(shù)除以方案1的質(zhì)量倒數(shù)作為新矩陣的第一行第一列，方案2的質(zhì)量倒數(shù)除以方案1的質(zhì)量倒數(shù)作為第一行第二列，依次類推可得新矩陣（2）。

分別求矩陣（2）各列的和，得到矩陣（3）：

將矩陣（2）第一行數(shù)據(jù)的每一列分別除以矩陣（1）對(duì)應(yīng)的各列，所得結(jié)果求代數(shù)和，依次對(duì)矩陣（2）的各行均做上述運(yùn)算，得矩陣（4）：

矩陣（4）是所有方案中質(zhì)量的優(yōu)先級(jí)矩陣，可以看出方案6質(zhì)量最小。

同理可得：位移、應(yīng)力、應(yīng)變優(yōu)先級(jí)矩陣。

將各個(gè)評(píng)判準(zhǔn)則給予一定的權(quán)重（即重要系數(shù)），然后把乘以權(quán)重的優(yōu)先級(jí)矩陣相加，就可以得出各個(gè)方案中最優(yōu)化的指標(biāo)［3］。

基于上面的計(jì)算結(jié)果，最終選擇方案8 為最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。將模型按方案8 重新設(shè)計(jì)，和原設(shè)計(jì)進(jìn)行比較，如表3所示，比較發(fā)現(xiàn)，在保證摩擦塊質(zhì)量的前提下，摩擦塊的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性都得到了明顯提高，摩擦塊的質(zhì)量減少了42.68kg，最大變形減少了0.005 475mm。

表3 優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比

通過(guò)此次多目標(biāo)優(yōu)化，充分考慮了摩擦塊質(zhì)量，靜態(tài)特性之間的關(guān)系，使設(shè)計(jì)更加合理。

3 結(jié)語(yǔ)

提出了斷代保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)方法，介紹了其結(jié)構(gòu)功能，利用ANSYS軟件對(duì)保護(hù)裝置的摩擦塊進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，找出了最優(yōu)解，優(yōu)化后摩擦塊質(zhì)量，最大位移量均減少了10%左右。

［1］劉訓(xùn)濤，毛君，劉克明.帶式輸送機(jī)動(dòng)斷帶抓捕器的研究［J］.礦山機(jī)械，2005（2）：58－59.

［2］聶志萍，韓剛.帶式輸送機(jī)動(dòng)態(tài)分析方法綜述［J］.礦山機(jī)械，2002（9）：13.

［3］李增剛.ADAMS入門詳解與實(shí)例［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.