汪玉 ， 鄭紅滿 ， 鄭旺 來， 倪興元

(安徽盛運重工機械有限責任公司，安徽桐城 231400)

0 引言

帶式輸送機具有機構(gòu)簡單、運動平穩(wěn)、適應(yīng)能力強、工作可靠性強等特點，所以它在日常工作中到處都能見到它的身影，尤其在礦山、煤炭、冶金、港口、化工等行業(yè)承載著散料運輸?shù)淖饔?，這些行業(yè)也依賴于帶式輸送機[1-4]。帶式輸送機還具有承受巨大載荷工作的能力，在以往設(shè)計的過程中大部分都是通過經(jīng)驗設(shè)計，在設(shè)計的過程中難以把握所設(shè)計結(jié)構(gòu)的合理性，為了解決上面那種經(jīng)驗設(shè)計帶來的弊端，文中采用有限元的分析方法，運用ANSYS Workbench軟件對帶式輸送機架進行結(jié)構(gòu)分析，并根據(jù)計算的結(jié)果提出改進的方案[5]。

1 帶式輸送機的主要結(jié)構(gòu)組成

圖1 帶式輸送機整機結(jié)構(gòu)

帶式輸送機的運動是通過整機撓性牽引還有輸送帶運動而產(chǎn)生的，它是一種能夠持續(xù)運輸物料的機器。帶式輸送機工作時的驅(qū)動裝置主要是通過電動機運轉(zhuǎn)，經(jīng)過減速器再到傳動滾筒，通過摩擦力帶動皮帶運轉(zhuǎn)，從而使輸送機運動起來，在皮帶上放入一定量的物料就能輸送[6-9]，由于帶式輸送機持續(xù)時間長，從而大大降低了輸送物料的成本。帶式輸送機的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

2 建立建模

文中選擇的機架是帶式輸送機中的02型機架，它是由Q235-A材料的槽鋼焊接而成。機架外形主尺寸長為1.176 m，寬0.896 m，高1.4 m,結(jié)合該型號機架具體的工程圖，用SolidWorks建立三維模型，其模型如圖2所示。

3 機架有限元分析過程

3.1 模型的導入

圖2 機架模型建立

通過SolidWorks軟件建立好的模型將其導出，然后打開ANSYS Workbench，然后點擊Workbench界面中的Toolbox，選擇Component Systems再選擇Geometry，然后點擊Browse，然后選中通過SolidWorks保存出來的模型，然后雙擊Geometry,點擊更新按鈕，然后模型將顯示在Workbench中。

3.2 添加材料屬性

機架的材料是Q235-A,所以它的彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3，屈服應(yīng)力為235 MPa,屈服極限為610 MPa。雙擊Workbench界面中的Engineering Data，再雙擊Isotropic Elasticity填入彈性模量和泊松比，再選中Tensile YieldStrength添加屈服應(yīng)力，然后再通過Tensile Ultimate Strength添加屈服極限值，具體添加值如圖3所示。

圖3 屬性添加表

3.3 網(wǎng)格劃分

由于機架在實際工作的過程中，各個部位受力不一樣[3]，我們需要對機架各部位單獨設(shè)置網(wǎng)格單元的大小，對于受力較大的部位我們設(shè)置單元大小為15，其他部位設(shè)為25，通過網(wǎng)格劃分的模型如圖4所示。

3.4 施加約束和載荷

1）施加約束。根據(jù)帶式輸送機[4]實際工作的情況，對機架實際工作過程中相應(yīng)的位置施加約束。機架在實際在工作中支腿是平放在地面上的，所以只需要約束機架4個底板固定。點擊supports，選擇Fixed Support,然后選擇機架的4個底板，從而限定了機架在工作時的位置。

2)施加載荷。機架除了受自身的重力外，還受到其他載荷的作用，其中主要是滾筒的張力和滾筒自身的重力還有滾筒運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的固定轉(zhuǎn)矩。假設(shè)機架在實際工作的過程中首先要受到傳動滾筒的重力G，其次是傳動滾筒上面皮帶的水平合拉力F，還有就是傳動滾筒在運動的過程中產(chǎn)生的一個轉(zhuǎn)矩M,其受力示意圖如圖5所示。在Workbench界面中設(shè)置F=59 kN,M=2500 N·m,G=500 N,如圖6所示。

4 求解

圖4 網(wǎng)格劃分

圖5 機架受力

圖6 施加約束和載荷

當約束和載荷施加完成后，我們需要添加求解參數(shù)，我們首先選擇Deformation中Total生成機架的總變形云圖,然后選擇Stress中的Equivalent(Von-Mises)查看機架的等效應(yīng)力。添加好了求解內(nèi)容后，我們點擊Solve,然后將會求得結(jié)果，保存數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 總變形量

圖8 彈性應(yīng)變

5 求解的結(jié)果與分析

經(jīng)過ANSYS Workbench軟件處理后，得出了機架的最大變形量為2.0353 mm,位于機架中間部位，如圖7所示。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，鋼材在工作的過程中最大變形量應(yīng)該小于L/250(L為機架的高度)，即為安全工作，該機架的高度為L=1250 mm，L/250=5 mm,該機架的最大變形量Dmax=2.0353 mm，遠小于5 mm。通過上面圖8可知機架受到的最大應(yīng)力值為179.31 MPa，位置位于機架的中間部位，它低于Q235-A的屈服強度235 MPa。

6 改進措施

根據(jù)上面分析得到的結(jié)果，提出幾點改進措施如下：1)由于將上面豎直的槽鋼在工作的過程中受力較大，增大槽鋼的尺寸，上面機架型號為14#A，將槽鋼改為14#B；2)在機架受力較大的地方加上加強筋。

圖9 改進后的機架分析結(jié)果

通過對改進后的機架進行分析，分析結(jié)果如圖9所示。從圖中可以看出：Dmax=0.405 99 mm，遠小于允許的變形量5 mm。最大應(yīng)力值為119.43 MPa，遠小于Q235-A的屈服強度235 MPa。

7 結(jié)語

通過ANSYS Workbench軟件對帶式輸送機機架進行結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)分析的結(jié)果我們可以對工作過程中容易變形的部位和受應(yīng)力較大的部位進行改進。再對改進后的模型進行分析，并且對比兩次的結(jié)果可知，改進后的機架結(jié)構(gòu)將更加穩(wěn)定，強度也大大增強，在實際工作的過程中能提高機架的使用壽命，從而間接提高了整機的工作效率。

[1] 陸爽,孫明禮,丁金福,等.ANSYS Workbench 13.0有限元分析入門到精通[M].北京:機械工業(yè)出版社,2012.

[2] 董利忠,韓剛.帶式輸送機在特種工況下頭架的有限元分析[J].礦山機械,2014,42(9):62-65.

[3] 周文生,李小英.帶式輸送機機架基礎(chǔ)載荷的簡便計算[J].礦山機械,2010,38(21):68-70.

[4] 機械工業(yè)部北京起重運輸機械研究所.DTII型固定式帶式輸送機設(shè)計選用手冊[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1994.

[5] 宋偉剛.通用帶式輸送機設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.

[6] GABRIEL L.Two decades dynamics of belt conveyor system[J].Bulk Solids Handling,2002(2):124-132.

[7] 肖林京,隋秀華,苗德俊.基于ANSYS的帶式輸送機傳動滾筒疲勞壽命分析研究[J].煤礦機械,2008,29(11):28-30.

[8] 汪祝芬.帶式輸送機傳動滾筒參數(shù)化設(shè)計分析研究[D].淮南:安徽理工大學,2012.

[9] 高耀東,劉學杰,周可璋.ANSYS機械工程應(yīng)用精華30例[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010.

[10]ARAUJO L S,ALMEIDA L H,BATISTA E M,et al.Failure of a bucket-wheel stacker reclaimer:metallo graphic and structural analyses[J].Journal of Failure Analysis and Prevention,2012,12(4):402-407.

[11] 王為,汪建曉.機械設(shè)計[M].武漢:華中科技大學出版社,2013.

[12]唐彥昆.當前帶式輸送機的應(yīng)用現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢[J].科技致富向?qū)?2013(9):30-32.

[13]金豐民.滾筒組的選型與計算[J].物料搬運與分離技術(shù),1998(3):19-20.

[14] 魏榮,程相文,劉釗.基于ANSYS Workbench的帶式輸送機重型傳動滾筒的有限元分析[J].煤礦機械,2013,34(5):115-116.

[15] 郭志國.帶式輸送機大轉(zhuǎn)矩滾筒的力學分析研究[D].上海:煤炭科學研究總院上海分院,2006.