李 燕， 畢建國

（1.山西春成煤礦勘察設(shè)計(jì)有限公司， 山西 太原 030006； 2.中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030006； 3.山西天地煤機(jī)裝備有限公司， 山西 太原 030006）

引言

隨著井下綜采效率的不斷提升，各煤炭生產(chǎn)企業(yè)對(duì)煤炭的運(yùn)輸效率和輸送穩(wěn)定性提出了更高的要求，帶式輸送機(jī)是將輸送帶置于機(jī)架的托輥組上，通過設(shè)置在輸送機(jī)兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)輸送帶的循環(huán)運(yùn)行，在輸送帶運(yùn)行的過程中輸送機(jī)的機(jī)架不僅要承受輸送帶和傳輸物料的重量，而且還要承受輸送帶在振動(dòng)時(shí)的沖擊載荷的作用[1]。目前在對(duì)輸送機(jī)的機(jī)架進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，主要根據(jù)輸送機(jī)的代號(hào)進(jìn)行選擇，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行選擇時(shí)多根據(jù)經(jīng)驗(yàn)傾向于選擇具有較高安全余量的機(jī)架，雖然在一定程度上會(huì)對(duì)井下輸送機(jī)的安全運(yùn)行起保障作用，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致輸送機(jī)采購成本劇增，而且并不能有效消除機(jī)架工作時(shí)的受力變形，因此本文利用ANSYS 仿真分析軟件對(duì)輸送機(jī)的機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真和結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，為優(yōu)化輸送機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)，提升輸送機(jī)系統(tǒng)工作穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性提供理論依據(jù)。

1 帶式輸送機(jī)機(jī)架的受力分析

機(jī)架是帶式輸送機(jī)的主要的承力結(jié)構(gòu)，其由多組工字鋼焊接而成，是一種超靜定結(jié)構(gòu)體，在對(duì)輸送機(jī)機(jī)架進(jìn)行分析時(shí)，取一段輸送機(jī)機(jī)架的整體作為一個(gè)分析單元，為了使其滿足實(shí)際要求，使該機(jī)架的左下端為固定結(jié)構(gòu)，將其右側(cè)的下端設(shè)置為一個(gè)基本靜定自由系結(jié)構(gòu)，在該隔離體中，除在驅(qū)動(dòng)滾筒作用下的力和力矩外還有鉛錘力X1、力偶X2以及水平力X3，機(jī)架的形變主要是在其三者的共同作用下形成的，因此對(duì)機(jī)架進(jìn)行受力分析的目的就是為了求得該三組力，該簡(jiǎn)化單元體的實(shí)際受力如圖1 所示。由輸送機(jī)機(jī)架的受力分析可知，機(jī)架工作時(shí)的總扭矩M1可表示為[2]：

圖1 輸送機(jī)機(jī)架受力分析示意圖

式中：FY2為驅(qū)動(dòng)滾筒對(duì)機(jī)架的力在Y軸上的分量，N；FY1為頭部滾筒對(duì)機(jī)架的力在Y軸上的分量，N；FX2為驅(qū)動(dòng)滾筒對(duì)機(jī)架的力在X軸上的分量，N；FX1為頭部滾筒對(duì)機(jī)架的力在X軸上的分量，N；L1為機(jī)架底座長度，m；L2為驅(qū)動(dòng)滾筒對(duì)機(jī)架的力的作用點(diǎn)到機(jī)架底座端部的距離，m；h1為頭部滾筒對(duì)機(jī)架的力的作用點(diǎn)到機(jī)架底面的距離，m；h2為驅(qū)動(dòng)滾筒對(duì)機(jī)架的力的作用點(diǎn)到機(jī)架底面的距離，m；P1為所受的總力，N。

由此可得出一組機(jī)架的線性變形的協(xié)調(diào)方程（3），利用此方程即可解出作用在機(jī)架A點(diǎn)處的作用力。

式中：δ11、δ12、δ13為當(dāng)X1、X2、X3單獨(dú)作用下機(jī)架沿著X1方向上的位移；δ21、δ22、δ23為當(dāng)X1、X2、X3單獨(dú)作用下機(jī)架沿著Z軸方向上的位移；δ31、δ32、δ33為當(dāng)X1、X2、X3單獨(dú)作用下機(jī)架沿著X3方向上的位移；

2 輸送機(jī)機(jī)架的有限元仿真

利用SolidWorks 三維建模建立輸送機(jī)機(jī)架的三維模型，并將其導(dǎo)入到Ansys 仿真[3]分析軟件中，對(duì)其進(jìn)行三維網(wǎng)格劃分，設(shè)置所用鋼材的材質(zhì)為Q235 鋼，其彈性模量為2.1×1011Pa，其材料密度為7.84 g/cm3，泊松比為0.31，利用自由網(wǎng)格劃分的方法對(duì)該輸送機(jī)機(jī)架進(jìn)行三維網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行仿真分析，其分析結(jié)果如圖2、圖3 所示。

圖2 輸送機(jī)機(jī)架的應(yīng)力（Pa）分布云圖

圖3 輸送機(jī)機(jī)架的形變量（m）分布云圖

由仿真分析結(jié)果可知，輸送機(jī)機(jī)架在受力過程中其最大應(yīng)力出現(xiàn)在機(jī)架的立桿的位置，其大小約為55.02 MPa，其對(duì)應(yīng)立桿上的最大形變量約為0.3 mm，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)對(duì)輸送機(jī)的機(jī)架的立桿進(jìn)行加強(qiáng)。

3 輸送機(jī)機(jī)架的結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

帶式輸送機(jī)在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)和沖擊，當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)的振動(dòng)頻率和機(jī)架本身的固有頻率相近時(shí)會(huì)導(dǎo)致機(jī)架在一定范圍內(nèi)的共振[4]，給輸送機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行造成極大的安全隱患，因此必須對(duì)輸送機(jī)機(jī)架的結(jié)構(gòu)模態(tài)進(jìn)行分析，使機(jī)架的固有頻率和輸送機(jī)系統(tǒng)工作時(shí)的工作頻率之間有較大的差別，從而有效避免工作時(shí)發(fā)生共振。

由于輸送機(jī)機(jī)架的固有頻率僅和機(jī)架的結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此在對(duì)其結(jié)構(gòu)模態(tài)進(jìn)行分析時(shí)，將機(jī)架劃分為m個(gè)單元，將每個(gè)單元的主振動(dòng)進(jìn)行線性疊加，使其形成一種特定的輸送機(jī)機(jī)架系統(tǒng)的固有頻率，而系統(tǒng)整體的振動(dòng)形態(tài)，即為系統(tǒng)的模態(tài)。

不同階態(tài)下的輸送機(jī)機(jī)架的模態(tài)振型如圖4、圖5、圖6、下頁圖7 所示。

圖5 二階狀態(tài)下的振型（m）示意圖

圖6 三階狀態(tài)下的振型（m）示意圖

該輸送機(jī)機(jī)架不同階態(tài)的固有頻率和最大振型統(tǒng)計(jì)如下頁表1 所示。

由機(jī)架的模態(tài)分析結(jié)果可知，在一階振型狀態(tài)下輸送機(jī)機(jī)架的變形主要發(fā)生在立桿位置，會(huì)導(dǎo)致工作時(shí)立桿的來回?cái)[動(dòng)。在二階振型下，輸送機(jī)機(jī)架的最大形變主要發(fā)生在機(jī)架的連接桿的位置，使產(chǎn)生彎曲變形，在三階振型狀態(tài)下輸送機(jī)的機(jī)架的最大變形發(fā)生在機(jī)架的斜桿的位置，使斜桿在工作時(shí)發(fā)生來回的擺動(dòng)，在四階振型狀態(tài)下其最大變形發(fā)生在連接桿上，輸送機(jī)工作時(shí)其上側(cè)的連桿的擺動(dòng)幅度較大，而斜桿發(fā)生了一定的反向的彎曲變形。

圖7 四階狀態(tài)下的振型（m）示意圖

表1 不同階態(tài)下的固有頻率和最大振型

總體來說，輸送機(jī)的各階變形中，其工作時(shí)的機(jī)架的變形是造成輸送機(jī)系統(tǒng)在工作中發(fā)生故障的主要因素，因此當(dāng)輸送機(jī)的機(jī)架在低階的振型狀態(tài)下工作時(shí)其對(duì)輸送機(jī)整體的機(jī)架結(jié)構(gòu)的影響要大于在高階狀態(tài)下的影響。為了避免輸送機(jī)在工作時(shí)機(jī)架的振動(dòng)，可以通過提高輸送機(jī)機(jī)架工作的階態(tài)，同時(shí)減少輸送機(jī)在啟動(dòng)和制動(dòng)情況下的輸送帶的動(dòng)態(tài)特性變化情況，降低輸送帶振動(dòng)對(duì)輸送機(jī)機(jī)架的沖擊，能夠有效地提升輸送機(jī)機(jī)架工作時(shí)的穩(wěn)定性和可靠性。

4 結(jié)論

通過對(duì)輸送機(jī)機(jī)架受力的分析，利用ANSYS 仿真分析軟件建立了其工作時(shí)的應(yīng)力和應(yīng)變分析云圖，同時(shí)對(duì)輸送機(jī)在不同階態(tài)下的最大振型情況進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：

1）輸送機(jī)機(jī)架在受力過程中其最大應(yīng)力出現(xiàn)在機(jī)架的立桿的位置，其大小約為55.02 MPa，其對(duì)應(yīng)立桿上的最大形變量約為0.3 mm，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)對(duì)輸送機(jī)的機(jī)架的立桿進(jìn)行加強(qiáng)。

2）工作時(shí)機(jī)架的變形是造成輸送機(jī)系統(tǒng)在工作中發(fā)生故障的主要因素，因此當(dāng)輸送機(jī)的機(jī)架在低階的振型狀態(tài)下工作時(shí)其對(duì)輸送機(jī)整體的機(jī)架結(jié)構(gòu)的影響要大于在高階狀態(tài)下的影響。

3）通過提高輸送機(jī)機(jī)架工作的階態(tài)，同時(shí)減少輸送機(jī)在啟動(dòng)和制動(dòng)情況下的輸送帶的動(dòng)態(tài)特性變化情況，降低輸送帶振動(dòng)對(duì)輸送機(jī)機(jī)架的沖擊，能夠有效地提升輸送機(jī)機(jī)架工作時(shí)的穩(wěn)定性和可靠性。