喬 怡

（晉能控股裝備制造集團(tuán)大同科大煤機(jī)有限公司， 山西 大同 037000）

引言

驅(qū)動頭架作為帶式輸送機(jī)的重要組成部分，其質(zhì)量將會直接影響到驅(qū)動頭架的工作效率和應(yīng)用安全性，最終影響到企業(yè)整體經(jīng)濟(jì)效益[1]。因此，為有效提高驅(qū)動頭架質(zhì)量，研究中將采用有限元分析法對帶式輸送機(jī)驅(qū)動頭架不同工況條件下的應(yīng)力狀態(tài)和結(jié)構(gòu)位移情況進(jìn)行分析研究，進(jìn)而確定驅(qū)動頭架應(yīng)力集中點和危險部位，并對其進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，以保障驅(qū)動頭架的使用質(zhì)量及安全，為后續(xù)驅(qū)動頭架結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化提供一定理論參考。

1 帶式輸送機(jī)驅(qū)動頭架的結(jié)構(gòu)及分類

帶式輸送機(jī)驅(qū)動頭架主要由支柱、斜撐桿、底座橫梁以及連接槽鋼等構(gòu)件共同組成，常見的驅(qū)動頭架可根據(jù)形狀劃分為角形驅(qū)動頭架和矩形驅(qū)動頭架兩種，具體情況如圖1 和圖2 所示。

圖1 角形驅(qū)動頭架

圖2 矩形驅(qū)動頭架（單位：mm）

此外，帶式輸送機(jī)驅(qū)動頭架還可以根據(jù)材料劃分為型鋼驅(qū)動頭架和板式驅(qū)動頭架兩類，具體情況如圖3 和圖 4 所示[2-3]。

圖3 型鋼驅(qū)動頭架

圖4 板式驅(qū)動頭架

2 基于ANSYS 仿真的帶式輸送機(jī)驅(qū)動頭架模型構(gòu)建

2.1 實體模型構(gòu)建

本次研究中的帶式輸送機(jī)驅(qū)動頭架主要由鋼板、槽鋼等材料通過焊接螺栓連接等方式連接而成，由于驅(qū)動頭架整體受力情況較為復(fù)雜，所以為簡化計算過程，應(yīng)在保障驅(qū)動頭架原有結(jié)構(gòu)情況下，對其中受載荷、應(yīng)力影響相對較小位置進(jìn)行適當(dāng)簡化，進(jìn)而獲取到圖5 中驅(qū)動頭架實體模型。

圖5 驅(qū)動頭架實體模型示意圖

2.2 力學(xué)模型簡化

由于本研究中所采用的驅(qū)動頭架螺栓連接處所受力對驅(qū)動頭架整體受力情況影響較小，所以在進(jìn)行有限元分析過程中，為簡化計算過程，提高分析效率，會將原本螺栓連接簡化為焊接連接。

3 基于ANSYS 仿真的帶式輸送機(jī)驅(qū)動頭架有限元分析

將簡化后的實體模型導(dǎo)入到ANSYS 軟件中，通過ANSYS 軟件進(jìn)行驅(qū)動頭架有限元分析。

3.1 材料屬性設(shè)置

在進(jìn)行有限元分析前，應(yīng)先結(jié)合驅(qū)動頭架實際，合理設(shè)置材料屬性，具體屬性見表1。

表1 驅(qū)動頭架有限元模型材料屬性參數(shù)

3.2 模型網(wǎng)格劃分

在模型網(wǎng)格劃分前，應(yīng)在ANSYS 軟件內(nèi)置的諸多單元類型中優(yōu)先選擇較為簡單的單元類型，從而在盡可能反映驅(qū)動頭架實際受力情況的前提下，保障計算效率和精準(zhǔn)性。

由于驅(qū)動頭架整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在綜合分析后，最終選擇Solid92 單元，并設(shè)置有6 個節(jié)點，每個節(jié)點設(shè)置3 個自由度，可實現(xiàn)X 軸、Y 軸以及Z 軸三個方向位移傳遞。

對于網(wǎng)格劃分，研究中將會采用流體力學(xué)方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，此種劃分方法所劃分出的網(wǎng)格更加精細(xì)流暢，更適用于驅(qū)動頭架這種整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的實體模型網(wǎng)格劃分。具體劃分過程中，為綜合計算效率和計算進(jìn)度等多種要求，最終確定網(wǎng)格精度為+100，單元尺寸為10 mm，最終劃分出116 948 個實體單元，節(jié)點數(shù)量為36 815，完成網(wǎng)格劃分后的有限元模型如圖6 所示。

圖6 驅(qū)動頭架有限元模型的網(wǎng)格劃分

3.3 仿真結(jié)果分析

結(jié)合實際情況來看，帶式輸送機(jī)驅(qū)動頭架主要存在以下兩種工況。

1）帶式輸送機(jī)啟動時，驅(qū)動頭架需要克服機(jī)體、物料等靜止慣性力以及整體輸送機(jī)系統(tǒng)的輸送助力，此過程中所產(chǎn)生的動載荷要大于正常工作狀態(tài)下的動載荷。通常情況下，帶式輸送機(jī)啟動會采用軟啟動方式來降低動載荷。

2）在特殊條件下，帶式輸送機(jī)將會出現(xiàn)輸送帶跑偏情況。此種工況下雖然輸送機(jī)還可以正常運行，但輸送帶的一側(cè)將會與滾筒邊緣相互重合，進(jìn)而導(dǎo)致輸送帶中心線偏移，驅(qū)動頭架所承受的載荷分布將會表現(xiàn)出不均勻情況，嚴(yán)重影響驅(qū)動頭架的使用壽命，屬于一種相對危險的工況。

對以上兩種工況條件下驅(qū)動頭架受力情況進(jìn)行應(yīng)力分析，最終獲取到以下有限元分析結(jié)果，如圖7、圖 8、圖 9、圖 10 所示。

圖7 驅(qū)動頭架應(yīng)力（MPa）云圖

圖8 驅(qū)動頭架X 方向上位移（mm）圖

圖9 驅(qū)動頭架Y 方向上位移（mm）圖

圖10 驅(qū)動頭架Z 方向上位移（mm）圖

3.3.1 驅(qū)動頭架強(qiáng)度分析

通過以上有限元分析結(jié)果可知，在帶式輸送機(jī)啟動工況下，驅(qū)動頭架的最大應(yīng)力值為78.117 MPa，最大應(yīng)力點位于驅(qū)動頭架水平支撐桿和斜撐桿相連處；驅(qū)動頭架支柱上最大應(yīng)力處于50～60 MPa 區(qū)間，該最大應(yīng)力區(qū)間位于支柱下部臨近驅(qū)動頭架底座橫梁位置；而驅(qū)動頭架底座橫桿上應(yīng)力值則相對較低。

在輸送帶跑偏工況下，驅(qū)動頭架的最大應(yīng)力值為57.474 MPa，最大應(yīng)力點位于驅(qū)動頭架水平支撐桿和斜撐桿相連處；驅(qū)動頭架支柱上最大應(yīng)力處于40～50 MPa 區(qū)間，該最大應(yīng)力區(qū)間位于支柱下部臨近驅(qū)動頭架底座橫梁位置；同樣，驅(qū)動頭架底座橫桿上應(yīng)力值相對較低。

3.3.2 驅(qū)動頭架剛度分析

通過以上有限元分析結(jié)果可知，在帶式輸送機(jī)啟動工況下，驅(qū)動頭架沿X 方向上的最大位移值為0.016 433 mm，最大位移點位于驅(qū)動頭架安設(shè)滾筒軸承處，此數(shù)值遠(yuǎn)小于驅(qū)動頭架X 方向上的允許撓度標(biāo)準(zhǔn)值6 mm，所以此位移值符合要求；驅(qū)動頭架沿Y方向上的最大位移值為0.416 69 mm，最大位移點位于驅(qū)動頭架橫撐桿和斜撐桿相互連接處，此數(shù)值遠(yuǎn)小于驅(qū)動頭架Y 方向上的允許撓度標(biāo)準(zhǔn)值6 mm，所以此位移值符合要求；驅(qū)動頭架沿Z 方向上的最大位移值為1.549 8 mm，最大位移點位于支柱頂端橫梁上，此數(shù)值遠(yuǎn)小于驅(qū)動頭架Z 方向上的允許撓度標(biāo)準(zhǔn)值7 mm，所以此位移值符合要求。

在輸送帶跑偏工況下，驅(qū)動頭架沿X 方向上的最大位移值為0.026 068 mm，最大位移點位于輸送帶偏向側(cè)橫撐桿與斜撐桿相互連接處上方拐角位置，此位移值符合要求；驅(qū)動頭架沿Y 方向上的最大位移值為0.317 82 mm，最大位移點位于輸送帶偏向側(cè)橫撐桿與斜撐桿相互連接處下方拐角位置，此位移值符合要求；驅(qū)動頭架沿Z 方向上的最大位移值為1.192 9 mm，最大位移點位于輸送帶偏向側(cè)的支柱頂端橫梁上，此位移值符合要求。

3.3.3 驅(qū)動頭架焊縫強(qiáng)度分析

通過以上有限元分析可知，驅(qū)動頭架焊縫處最大應(yīng)力值為70 MPa，而驅(qū)動頭架的許用應(yīng)力為160 MPa，此應(yīng)力值符合要求。

4 帶式輸送機(jī)驅(qū)動頭架優(yōu)化及實踐應(yīng)用

通過有限元分析可知，驅(qū)動頭架雖然各項參數(shù)值均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但相對于Q235 鋼150 MPa 的許用應(yīng)力，各類參數(shù)值均有著較大的富余空間，所以可以適當(dāng)對驅(qū)動頭架整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。具體優(yōu)化方案為將撐桿板、加勁板的厚度分別從原本的25 mm 和20 mm 優(yōu)化為20 mm 和15 mm；立柱截面和底座橫截面高度分別從原本的630 mm 和450 mm 優(yōu)化為600 mm 和400 mm；橫撐桿與斜撐桿相互連接處采用半徑為400 mm 的圓角進(jìn)行過渡；去除底座橫梁加勁板。將優(yōu)化后的帶式輸送機(jī)驅(qū)動頭架應(yīng)用到工程實踐，最終發(fā)現(xiàn)此方案不僅有效降低驅(qū)動頭架生產(chǎn)成本，還可以保障驅(qū)動頭架運行中的安全性，達(dá)成經(jīng)濟(jì)性和安全性目標(biāo)，可以在后續(xù)驅(qū)動頭架結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化中參考應(yīng)用。

5 結(jié)語

通過有限元模型分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有帶式輸送機(jī)驅(qū)動頭架各項參數(shù)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但卻存在較大參數(shù)富余，所以為保障驅(qū)動頭架經(jīng)濟(jì)性，研究中分別從橫桿板、加勁板、立柱界面、底座橫截面、橫撐桿與斜撐桿相互連接處等方面進(jìn)行合理優(yōu)化，最終不僅有效降低驅(qū)動頭架生產(chǎn)成本，還可以保障驅(qū)動頭架應(yīng)用安全性，所以研究具有一定應(yīng)用價值，可在后續(xù)驅(qū)動頭架結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化中進(jìn)行參考應(yīng)用。