徐 莽

（同煤集團永定莊煤業(yè)公司質運科， 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。帶式輸送機作為煤礦開采中的關鍵設備，保障其設備具有較高作業(yè)效率及作業(yè)安全成為當前煤礦企業(yè)的重點任務[1]。然而，由于井下環(huán)境的復雜性及惡劣性，導致帶式輸送機在運行過程中極容易出現(xiàn)各類故障問題，包括皮帶磨損嚴重、皮帶斷裂、電機短路等故障問題，特別是機架作為整個帶式輸送機上的關鍵部件，在其使用中極容易出現(xiàn)結構變形或結構開裂現(xiàn)象，這對帶式輸送機的作業(yè)安全及工作效率造成了嚴重影響[2]。結合帶式輸送機的實際作業(yè)環(huán)境，對其結構進行優(yōu)化改進設計顯得十分必要，而保障機架的整體結構性能是其關鍵。由此，以DTIIA 型礦用帶式輸送機中機架為分析對象，通過建立機架的仿真模型，開展了機架的結構強度分析，并提出了機架的結構改進措施及建立了機架的受力情況計算程序，這對保證機架的結構強度及設計高效性具有重要意義。

1 機架模型的建立

1.1 三維模型的建立

根據(jù)DTIIA 型礦用帶式輸送機的結構特點，為進一步對其設備中的機架性能進行分析研究，采用SOLIDWORKS 軟件，對機架進行了三維模型建立。在該軟件中，主要對機構的立柱、斜支撐、橫向拉桿等零件進行模型建立，由于該些零件主要由槽鋼、H型鋼組成，為提高后期機架的網(wǎng)格質量及仿真精度，對型材上的過渡圓角及倒角進行了模型簡化，并對機架上用于連接的圓孔進行了省略，由此，完成了機架的三維模型。

1.2 仿真模型的建立

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

表1 機架Q235 材料主要性能參數(shù)

圖1 機架網(wǎng)格劃分圖

2 機架結構強度的分析

圖2 機架應力變化圖（單位：Pa）

圖3 機架結構位移變化圖（單位：m）

結合建立的帶式輸送機機架仿真模型，對其進行了結構性能的仿真分析研究，得到其結構應力及位移變形仿真結果，如下頁圖2、圖3 所示。由圖2 可知，機架的整體結構出現(xiàn)了應力分布不均勻現(xiàn)象，在機架的下部位及底座上均出現(xiàn)了較大的應力集中現(xiàn)象，以立柱上的應力值最大；而沿立柱上端方向，應力值呈逐漸減小的變化趨勢。同時，由圖3 可知，機架整體結構也出現(xiàn)了不同程度的結構位移變化，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力值則相對較小。由此可知，機架在使用過程中，其立柱是整個結構的薄弱部位，在長時間使用中，極容易導致立柱出現(xiàn)率先結構失效現(xiàn)象，對帶式輸送機的作業(yè)安全構成了嚴重威脅。

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

3 機架受力計算程序的設計

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

圖4 機架受力情況計算界面圖

4 結論

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