杜文宇

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)梵王寺煤礦籌備處， 山西 朔州 036002）

引言

帶式輸送機(jī)是煤礦生產(chǎn)中廣泛使用的物料輸送裝置，可以滿足煤礦生產(chǎn)中長距離、大規(guī)模的煤炭輸送。帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，易于布置，輸送過程中運(yùn)行平穩(wěn)、能耗小，且便于進(jìn)行維修保養(yǎng)，對煤礦的連續(xù)穩(wěn)定輸送具有重要的作用。帶式輸送機(jī)在井下的工作環(huán)境復(fù)雜，受到的載荷作用復(fù)雜多變[1]，特別是在帶式輸送機(jī)的啟停階段，容易引起帶式輸送機(jī)的振動。在長距離的輸送過程中，輸送帶也容易引起振動作用，對帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)造成一定的沖擊。帶式輸送機(jī)的機(jī)架對滾筒起到支撐作用，機(jī)架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性對帶式輸送機(jī)的運(yùn)行起到重要的作用[2]。系統(tǒng)運(yùn)行過程中受到的各種載荷引起的振動作用接近機(jī)架的固有頻率時，會引起機(jī)架的共振，使得帶式輸送機(jī)的振動作用加強(qiáng)，加劇機(jī)架及滾筒的疲勞破壞，影響帶式輸送機(jī)的安全性[3]，不利于煤礦的正常生產(chǎn)工作。采用有限元數(shù)值分析的方式對帶式輸送機(jī)機(jī)架進(jìn)行模態(tài)分析，分析機(jī)架的固有頻率及振型，從而可以調(diào)整工作頻率，避免引起共振現(xiàn)象，提高帶式輸送機(jī)機(jī)架的安全性，保證帶式輸送機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，提高帶式輸送機(jī)的使用壽命。

1 帶式輸送機(jī)機(jī)架分析模型的建立

以帶式輸送機(jī)的頭架為例進(jìn)行機(jī)架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析，機(jī)架的結(jié)構(gòu)振動可以看做由多個自由度組成的系統(tǒng)，每個自由度有各自獨(dú)立的物理坐標(biāo)進(jìn)行描述，在線性的范圍內(nèi)，將多個主振動線性進(jìn)行線性疊加[4]，每個主振動都有各自特定形態(tài)的自由振動形式。系統(tǒng)振動的頻率則稱之為系統(tǒng)的固有頻率，系統(tǒng)振動的形態(tài)則稱之為系統(tǒng)的模態(tài)[5]。機(jī)架系統(tǒng)的固有頻率及振型與機(jī)架自身的結(jié)構(gòu)相關(guān)而與外載荷作用無關(guān)。機(jī)架結(jié)構(gòu)的固有頻率越高，則說明單位質(zhì)量的剛度越高，提高機(jī)架結(jié)構(gòu)的剛度，則可以提高機(jī)架的固有頻率[6]，使其動態(tài)性能更好。

采用有限元分析軟件ANSYS 進(jìn)行帶式輸送機(jī)頭架的模態(tài)分析，首先建立機(jī)架的三維模型，在建模過程中，對機(jī)架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的簡化處理，僅保留主體的結(jié)構(gòu)及尺寸進(jìn)行建模，這樣既可以減小建模的工作量，也可以提高后續(xù)計算的效率，減輕對計算機(jī)算力的要求。

依據(jù)帶式輸送機(jī)的頭架結(jié)構(gòu)，選取槽鋼結(jié)構(gòu)件進(jìn)行機(jī)架結(jié)構(gòu)的快速建模，將模型導(dǎo)入ANSYS 中進(jìn)行網(wǎng)格的劃分處理[7]。由于帶式輸送機(jī)機(jī)架由多根桿件結(jié)構(gòu)組成，形狀不規(guī)則，采用自由網(wǎng)格的形式對其網(wǎng)格劃分處理，得到機(jī)架的網(wǎng)格模型如圖1 所示，共計得到單元網(wǎng)格為128 515 個，節(jié)點(diǎn)數(shù)為247 580。

圖1 帶式輸送機(jī)機(jī)架網(wǎng)格模型

機(jī)架結(jié)構(gòu)的材料采用Q235 碳素結(jié)構(gòu)鋼，設(shè)定其分析參數(shù)彈性模量為210 GPa，泊松比為0.25。在帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中，機(jī)架固定在地面上，設(shè)定機(jī)架受到固定約束的作用，固定機(jī)架與地面的連接點(diǎn)[8]。機(jī)架出現(xiàn)不穩(wěn)定的狀態(tài)時的固有頻率稱之為薄弱模態(tài)，一般情況下，薄弱模態(tài)多出現(xiàn)在低階模態(tài)，對帶式輸送機(jī)機(jī)架進(jìn)行模態(tài)分析，對前十階固有頻率及振型進(jìn)行分析。

2 帶式輸送機(jī)機(jī)架模態(tài)分析結(jié)果

對帶式輸送機(jī)機(jī)架的模態(tài)進(jìn)行分析，對前十階的固有頻率及最大振型列舉見下頁表1，機(jī)架前三階振型分布如下頁圖2 所示。

圖2 帶式輸送機(jī)機(jī)架模態(tài)分析振型

表1 帶式輸送機(jī)機(jī)架的固有頻率及最大振型

針對機(jī)架振型的結(jié)果進(jìn)行分析，一階振型的最大變形發(fā)生在立桿位置，立桿發(fā)生左右擺動的變形；二階振型的最大變形發(fā)生在上連接桿位置，發(fā)生前后擺動，且左右斜桿的變形呈擴(kuò)張收縮狀態(tài)；三階振型的最大變形發(fā)生在斜桿位置，發(fā)生左右擺動；四階振型的最大變形發(fā)生在上連接桿[9]，發(fā)生大幅的前后擺動，且斜桿存在著一定的異向彎曲；五階振型的最大變形發(fā)生在斜桿及上連接桿，上連接桿發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形；六階振型的最大變形發(fā)生在下連接桿，發(fā)生上下擺動；七階振型的最大變形發(fā)生在立桿及斜桿，立桿產(chǎn)生左右同向的彎曲變形，斜桿發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形；八階振型的最大變形發(fā)生在斜桿、下橫桿，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形；九階振型的最大變形發(fā)生在下橫桿，產(chǎn)生左右同向的彎曲變形；十階振型的最大變形發(fā)生在下橫桿，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。

通過上述的分析可知，在機(jī)架的二階、四階、五階及七階模態(tài)時上連桿發(fā)生較大的彎曲或者扭轉(zhuǎn)變形，在六階模態(tài)時，下連桿發(fā)生較大的彎曲變形。在帶式輸送機(jī)的運(yùn)行過程中，上下連接桿對機(jī)架起到連接作用[10]，使頭架結(jié)構(gòu)作為一個整體，不承受載荷作用，連接桿的變形對帶式輸送機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定安全性影響不大。

在機(jī)架的一階、五階、七階及九階模態(tài)時，立桿發(fā)生擺動或者彎曲變形，立桿作為主要的承載部件，承受滾筒及輸送帶的載荷，對立桿的變形要進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。立桿的彎曲變形，容易造成滾筒的位置偏差[11]，對輸送帶的運(yùn)行造成波動，立桿的擺動會引起輸送帶的跑偏，造成輸送帶的磨損加劇，影響帶式輸送機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

在機(jī)架的三階模態(tài)時，斜桿發(fā)生擺動變形，在五階、七階、八階、九階模態(tài)時，發(fā)生彎曲變形，斜桿與立桿焊接在一起，斜桿與立桿發(fā)生彎曲扭轉(zhuǎn)變形時，容易造成焊接處的失效，造成帶式輸送機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定安全性的下降[12]。對機(jī)架結(jié)構(gòu)來說，應(yīng)避免受到五階到九階相近的頻率作用，即89.37～119.69 Hz 間的外在頻率容易引起共振，影響帶式輸送機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

機(jī)架的彎曲機(jī)扭轉(zhuǎn)變形是影響帶式輸送機(jī)機(jī)架動態(tài)性能的關(guān)鍵因素，低階振型對帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量影響較大，高階振型主要受到外部振源的影響，對帶式輸送機(jī)的動態(tài)性能產(chǎn)生影響。如帶式輸送機(jī)的啟停過程中造成的輸送帶的波動，這種振動具有隨機(jī)性，容易引起機(jī)架的共振，應(yīng)采取軟啟動制動裝置，增加帶式輸送機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定安全性。

3 結(jié)語

帶式輸送機(jī)是進(jìn)行煤礦輸送的重要設(shè)備，在井下的復(fù)雜環(huán)境下，帶式輸送機(jī)受到多種載荷的沖擊作用，容易引起帶式輸送機(jī)的振動，當(dāng)接近機(jī)架結(jié)構(gòu)的固有頻率時，則會引起共振，造成帶式輸送機(jī)的變形增加，疲勞壽命縮短，影響運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。針對帶式輸送機(jī)的頭架結(jié)構(gòu)，采用ANSYS 有限元分析的形式，對帶式輸送機(jī)頭架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，通過前十階振型的分布得出立桿和斜桿的變形容易造成帶式輸送機(jī)的破壞，應(yīng)避開89.37～119.69 Hz 的工作頻率，從而避免引起共振，提高帶式輸送機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定安全性。