徐 莽
(同煤集團永定莊煤業(yè)公司質運科, 山西 大同 037024)
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。
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。
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
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。
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
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。