程熊豪，王秀杰，牛潤(rùn)芝，付秀芳

(中冶南方工程技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430223)

帶式輸送機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸送距離遠(yuǎn)、輸送能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械、電器、化工等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用。卸料小車(chē)是帶式輸送機(jī)的單獨(dú)部件，其在皮帶設(shè)置的軌道上來(lái)回移動(dòng)實(shí)現(xiàn)物料的輸送。卸料小車(chē)在實(shí)際的作業(yè)過(guò)程中故障頻發(fā)，直接制約了帶式輸送機(jī)對(duì)物料的超大運(yùn)量、高速、長(zhǎng)距離運(yùn)輸。卸料小車(chē)車(chē)架在經(jīng)過(guò)多次事故之后出現(xiàn)了嚴(yán)重的變形，其根源在于結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度不足。有限元法是進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)靜力分析的常用方法，在結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)和分析中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。有學(xué)者對(duì)攤鋪機(jī)車(chē)架在施工作業(yè)過(guò)程中出現(xiàn)的變形量過(guò)大、易開(kāi)裂問(wèn)題，采用有限元法對(duì)攤鋪機(jī)車(chē)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，獲得了車(chē)架的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D，同時(shí)在前后板增加筋板和增加衡量橫截面尺寸來(lái)改進(jìn)車(chē)架設(shè)計(jì)，使得車(chē)架變形量過(guò)大、易開(kāi)裂的問(wèn)題得到了解決。有針對(duì)電動(dòng)輪自卸車(chē)車(chē)架在扭轉(zhuǎn)工況下剛度不足，實(shí)際服役過(guò)程中存在失效風(fēng)險(xiǎn)的問(wèn)題，采用有限元法對(duì)車(chē)架進(jìn)行靜力分析，同時(shí)采用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對(duì)車(chē)架在多工況下的剛度進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，為電動(dòng)自卸車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了參考。采用有限元法對(duì)內(nèi)燃叉車(chē)車(chē)架進(jìn)行靜力分析，指出車(chē)架在臨界工況下的最大應(yīng)力超出了需用應(yīng)力，同時(shí)對(duì)車(chē)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，改進(jìn)后的車(chē)架結(jié)構(gòu)在臨界工況下的最大應(yīng)力低于車(chē)架材料的許用應(yīng)力。又有學(xué)者指出車(chē)架作為汽車(chē)的承載基體，承載汽車(chē)的大部分載荷，采用有限元法構(gòu)建了半掛車(chē)車(chē)架計(jì)算模型，對(duì)半掛車(chē)車(chē)架在彎曲工況下的靜態(tài)特性進(jìn)行了仿真模擬，為半掛車(chē)車(chē)架模型優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。本文采用有限元法，建立帶式輸送機(jī)卸料小車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)的有限元模型，分析在65 t載荷下的應(yīng)力和變形云圖，找出卸料小車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)；同時(shí)對(duì)原車(chē)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，有效解決車(chē)架結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度不足的問(wèn)題。

1 卸料小車(chē)車(chē)架模型簡(jiǎn)化

卸料小車(chē)車(chē)架實(shí)際結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，建立卸料小車(chē)車(chē)架幾何模型之前需要進(jìn)行幾何模型的合理化簡(jiǎn)化處理。實(shí)際的車(chē)架包含有大量的小螺栓孔、小的直角倒角和圓角倒角，這些幾何特征會(huì)導(dǎo)致車(chē)架在實(shí)際的靜力分析時(shí)計(jì)算量比較大，同時(shí)也影響了靜力分析求解的效率和精度，因此在小車(chē)車(chē)架幾何建模時(shí)予以刪除。另外，由材料力學(xué)知識(shí)可知，在卸料小車(chē)車(chē)架的結(jié)構(gòu)尺寸突變位置往往會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，網(wǎng)格比較粗糙將直接影響車(chē)架在該位置的應(yīng)力值，因此必須進(jìn)行網(wǎng)格的細(xì)化，從而達(dá)到獲得準(zhǔn)確應(yīng)力的目的。采用有限元法對(duì)卸料小車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析時(shí)，做出如下基本假設(shè)：

(1)車(chē)架焊接處焊縫是均勻連續(xù)的，焊接材料的性能與母體材料的性能相同，忽略焊縫不連續(xù)的影響；

(2)忽略車(chē)架結(jié)構(gòu)內(nèi)部的間隙以及由滑移所引起的約束變動(dòng)。

2 車(chē)架結(jié)構(gòu)靜力分析

2.1 車(chē)架結(jié)構(gòu)幾何模型

帶式輸送機(jī)卸料小車(chē)車(chē)架在實(shí)際的服役過(guò)程中出現(xiàn)變形比較大的情況，這使得車(chē)體的晃動(dòng)比較大，小車(chē)行車(chē)車(chē)輪啃道現(xiàn)象嚴(yán)重，進(jìn)而出現(xiàn)碰撞事故。對(duì)車(chē)架進(jìn)行靜力分析的基礎(chǔ)是建立車(chē)架的三維幾何模型。實(shí)際的車(chē)架結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，包含各種工藝小孔、螺紋孔、直角倒角、倒圓角等，如果在車(chē)架建模的過(guò)程中不進(jìn)行刪除，這將會(huì)使得車(chē)架建模的工作量大大增加，同時(shí)也增加了后續(xù)靜力分析的難度?？紤]到車(chē)架上各種工藝小孔、螺紋孔、直角倒角、倒圓角等對(duì)整個(gè)卸料小車(chē)車(chē)架的應(yīng)力分布影響比較小，因此在實(shí)際的三維建模過(guò)程中予以刪除。本文采用CATIA軟件建立卸料小車(chē)車(chē)架的三維幾何模型，刪除對(duì)車(chē)架應(yīng)力影響比較小的結(jié)構(gòu)，最終得到的卸料小車(chē)車(chē)架三維幾何模型如圖1所示。

圖1 車(chē)架三維幾何模型

2.2 車(chē)架結(jié)構(gòu)有限元模型

卸料小車(chē)車(chē)架的材料為Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼，其彈性模型=206 GPa，泊松比=0.3，密度=7.85g/cm。將CATIA建立的車(chē)架三維幾何模型以.stp格式導(dǎo)出，導(dǎo)入ANSYS Workbench中。設(shè)置材料的屬性，選擇單位類(lèi)型。ANSYS Workbench中常用的實(shí)體單元類(lèi)型有Solid186和Solid187。Solid186為線(xiàn)性實(shí)體單元，模擬精度相對(duì)較差，但是計(jì)算量相對(duì)較小。Solid187為非線(xiàn)性實(shí)體單元，模擬精度相對(duì)較高，但是計(jì)算量相對(duì)比較大。考慮計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，本文選擇Solid187非線(xiàn)性實(shí)體單元。對(duì)車(chē)架三維幾何模型采用Solid187單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，獲得車(chē)架有限元模型，共包含238 696個(gè)節(jié)點(diǎn)，51 360個(gè)單元，結(jié)果如圖2所示。

圖2 車(chē)架有限元模型

2.3 車(chē)架靜力分析工況及邊界

帶式輸送機(jī)卸料小車(chē)由滾筒、行車(chē)輪、驅(qū)動(dòng)裝置、車(chē)架等組成，卸料小車(chē)車(chē)架的上表面和皮帶接觸，為受力區(qū)域。車(chē)架2個(gè)滾筒位置上表面承受小車(chē)的自重和小車(chē)上運(yùn)送物料的質(zhì)量。在卸料小車(chē)車(chē)架下方安裝有行車(chē)輪，其作用是將運(yùn)送的物料移動(dòng)到不同的料倉(cāng)。在車(chē)輪上安裝有抱閘，一旦行車(chē)輪移動(dòng)到料倉(cāng)，那么就是進(jìn)行抱閘操作，避免車(chē)輪滑動(dòng)出現(xiàn)溜車(chē)?；诖?，在行走輪的工字鋼進(jìn)行全約束處理，最終設(shè)置的受力及邊界結(jié)果如圖3所示。

圖3 車(chē)架受力及邊界條件

帶式輸送機(jī)卸料小車(chē)載荷為65 t，在該工況下對(duì)車(chē)架進(jìn)行靜力分析，獲得車(chē)架的應(yīng)力云圖和變形云圖。在圖3中，A處為行走輪的連接梁，設(shè)置為全約束。B處為和卸料小車(chē)接觸處，設(shè)定為物料載荷?？紤]自重的影響，在C處設(shè)置重力加速度載荷；另外，卸料小車(chē)車(chē)架是由H型鋼材焊接在一起的，通過(guò)綁定的方式來(lái)對(duì)鋼材之間的焊接進(jìn)行模擬。

2.4 車(chē)架結(jié)構(gòu)靜力分析結(jié)果

卸料小車(chē)車(chē)架采用Q235鋼材焊接而成，其失效形式為塑性變形。采用材料力學(xué)第4強(qiáng)度理論(畸變能密度理論)對(duì)其進(jìn)行校核，即無(wú)論出于什么樣的應(yīng)力狀態(tài)，只要畸變能密度達(dá)到了材料性能有關(guān)的某一極限值，那么材料就會(huì)出現(xiàn)屈服失效。第4強(qiáng)度準(zhǔn)則：

式中：、、分別為第1主應(yīng)力、第2主應(yīng)力和第3主應(yīng)力；[]為許用應(yīng)力。許用應(yīng)力[]為材料的屈服極限除以安全系數(shù)。

采用ANSYS Workbench對(duì)卸料小車(chē)車(chē)架進(jìn)行靜力分析，獲得卸料小車(chē)在65 t載荷下的車(chē)架變形云圖和應(yīng)力云圖，分別如圖4和圖5所示。

圖4 車(chē)架變形云圖

圖5 車(chē)架應(yīng)力云圖

由圖4可知，在65 t載荷作用下卸料小車(chē)車(chē)架的最大位移為17.46 mm，最大位移在卸料小車(chē)車(chē)架的最右端。

由圖5可知，在65 t載荷作用下卸料小車(chē)車(chē)架的最大應(yīng)力=267.5 MPa，最大應(yīng)力在卸料小車(chē)車(chē)架后輪支撐梁的支撐端處。Q235鋼材的屈服應(yīng)力=235 MPa，即

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卸料小車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)在65 t載荷作用下會(huì)出現(xiàn)局部應(yīng)力過(guò)大的情況，從而導(dǎo)致車(chē)架在實(shí)際的服役過(guò)程中出現(xiàn)撕裂。另外，卸料小車(chē)車(chē)架的最大位移為17.46 mm，變形量過(guò)大，剛度不足，影響帶式輸送機(jī)的使用壽命。

3 車(chē)架結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

3.1 車(chē)架結(jié)構(gòu)改進(jìn)思路

由卸料小車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)靜力分析結(jié)果可知，車(chē)架的后端變形量過(guò)大，同時(shí)在車(chē)架后端的行走輪與支撐梁連接處局部應(yīng)力過(guò)大。因此，可以考慮改變連接塊和增加焊接腹板的方式對(duì)車(chē)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，具體改進(jìn)方案為將H型連接塊更換為實(shí)體連接塊，實(shí)體連接塊的外形尺寸和原H型連接塊的外形尺寸保持一致，具體如圖6所示。

a) 原結(jié)構(gòu)連接塊 b) 改進(jìn)結(jié)構(gòu)連接塊

另外，為了增加車(chē)架整體的剛度，在車(chē)架的兩側(cè)梁之間采用焊接的方式增加厚度為20 mm的鋼板，通過(guò)增加鋼板可以在一定程度上起到改變車(chē)架應(yīng)力分布的目的?？紤]到增加實(shí)心鋼板會(huì)導(dǎo)致整個(gè)車(chē)架過(guò)重，同時(shí)小車(chē)車(chē)架焊接無(wú)法進(jìn)行。因此，在鋼板上加工一定尺寸的孔，滿(mǎn)足焊接加工工藝和減輕小車(chē)車(chē)架質(zhì)量的目的。車(chē)架改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 卸料小車(chē)車(chē)架改進(jìn)后結(jié)構(gòu)

3.2 改進(jìn)后結(jié)構(gòu)靜力分析結(jié)果

對(duì)改進(jìn)后的卸料小車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，分析工況及邊界和原結(jié)構(gòu)保持一致，得到改進(jìn)后卸料小車(chē)車(chē)架的變形云圖和應(yīng)力云圖，分別如圖8和圖9所示。

圖8 改進(jìn)后車(chē)架變形云圖

圖9 改進(jìn)后車(chē)架應(yīng)力云圖

由圖8可知，在65 t載荷作用下改進(jìn)后卸料小車(chē)車(chē)架的最大位移為7.33 mm，最大位移在卸料小車(chē)車(chē)架的最右端。

由圖9可知，在65 t載荷作用下改進(jìn)后卸料小車(chē)車(chē)架的最大應(yīng)力=1237MPa，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，最大應(yīng)力在卸料小車(chē)車(chē)架后輪支撐梁的支撐端處。同時(shí)通過(guò)對(duì)比改進(jìn)前后車(chē)架應(yīng)力云圖可知，車(chē)架的應(yīng)力分布更為均勻。將帶式輸送機(jī)卸料小車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后的靜力分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，卸料小車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后最大應(yīng)力減少了143.8 MPa，最大變形減少了10.13 mm，最大應(yīng)力和最大變形量均明顯減少；但是結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后最大應(yīng)力和最大變形的發(fā)生位置沒(méi)有發(fā)生改變。

表1 卸料小車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后分析結(jié)果對(duì)比

對(duì)帶式輸送機(jī)卸料小車(chē)車(chē)架進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)之后，采用有限元法進(jìn)行靜力分析，結(jié)果表明：小車(chē)車(chē)架的局部強(qiáng)度得到了明顯增強(qiáng)，這使得卸料小車(chē)的穩(wěn)定性大大提升。同時(shí)，卸料小車(chē)在實(shí)際的作業(yè)過(guò)程中出現(xiàn)的車(chē)架變形過(guò)大問(wèn)題也可以得到有效的解決，確保了卸料小車(chē)在作業(yè)過(guò)程中的安全性。

4 結(jié)語(yǔ)

帶式輸送機(jī)卸料小車(chē)車(chē)體晃動(dòng)大，機(jī)架易變形，制約了輸送機(jī)的作業(yè)質(zhì)量和效率。以卸料小車(chē)車(chē)架為研究對(duì)象，采用有限元法對(duì)卸料小車(chē)車(chē)架進(jìn)行靜力分析。在卸料小車(chē)車(chē)架后輪支撐梁的支撐端處應(yīng)力最大為267.5 MPa，小車(chē)車(chē)架最右端變形最大為10.13 mm，不滿(mǎn)足使用強(qiáng)度和剛度要求。將卸料小車(chē)車(chē)架原結(jié)構(gòu)的H型連接塊更換為實(shí)體連接塊，車(chē)架兩側(cè)梁之間焊接厚度為20 mm的鋼板并將鋼板上加工一定尺寸的孔，改進(jìn)小車(chē)車(chē)架原結(jié)構(gòu)。對(duì)改進(jìn)設(shè)計(jì)后的車(chē)架進(jìn)行靜力分析，其最大應(yīng)力123.7 MPa，最大變形為7.33 mm，最大應(yīng)力和最大變形位置均未發(fā)生改變，滿(mǎn)足使用的強(qiáng)度和剛度要求。