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        基于有限元分析帶式輸送機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)仿真分析

        2023-08-31 09:32:30
        機(jī)械管理開(kāi)發(fā) 2023年7期
        關(guān)鍵詞:頭架斜桿立桿

        張 鵬

        (晉能控股煤業(yè)集團(tuán)三元煤業(yè)公司, 山西 長(zhǎng)治 046000)

        0 引言

        機(jī)架作為帶式輸送機(jī)重要組成部分,其主要肩負(fù)著支撐帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒,改變輸送方向等作業(yè),其質(zhì)量及可靠性將會(huì)直接影響到帶式輸送機(jī)的使用安全性。然而,在深入分析后發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有帶式輸送機(jī)機(jī)架存在受力分析精度較低、型號(hào)和尺寸選擇過(guò)于保守、易造成性能浪費(fèi)等情況。對(duì)此現(xiàn)狀,文中將會(huì)通過(guò)ANSYS 軟件進(jìn)行機(jī)架仿真分析,進(jìn)而根據(jù)機(jī)架變形原因提出優(yōu)化方案,解決上述問(wèn)題的同時(shí),進(jìn)一步提高機(jī)架質(zhì)量及可靠性。

        1 帶式輸送機(jī)機(jī)架的組成及種類(lèi)

        帶式輸送機(jī)機(jī)架主要由型鋼、槽鋼以及鋼板共同組成,常用的連接方式為焊接和栓接。根據(jù)機(jī)架在帶式輸送機(jī)上發(fā)揮的作用及線路布置差異,可將帶式輸送機(jī)機(jī)架分為頭架、傳動(dòng)滾筒支架以及尾架三種,三者分別位于帶式輸送機(jī)的首端、中端以及末端。常見(jiàn)的帶式輸送機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

        圖1 常見(jiàn)的帶式輸送機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)

        2 帶式輸送機(jī)機(jī)架模型構(gòu)建

        本文將以常見(jiàn)帶式輸送機(jī)機(jī)架中受力最為復(fù)雜的角形傳動(dòng)滾筒頭架為研究對(duì)象,通過(guò)ANSYS 軟件進(jìn)行有限元仿真分析。在實(shí)際分析前,需要先構(gòu)建帶式輸送機(jī)架實(shí)體。此過(guò)程中所采用的各類(lèi)參數(shù)分別為機(jī)架材料Q235 鋼,機(jī)架彈性模量210×109Pa,機(jī)架材料密度7.85 g/cm3,機(jī)架泊松比0.33。根據(jù)機(jī)架實(shí)際進(jìn)行實(shí)體模型構(gòu)建,并為降低有限元分析過(guò)程中計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算量,對(duì)機(jī)架進(jìn)行網(wǎng)格劃分,此過(guò)程中采用自由網(wǎng)格劃分,共將機(jī)架劃分為128 515 個(gè)單元以及247 580 個(gè)階段,模型網(wǎng)格劃分后的帶式輸送機(jī)機(jī)架如圖2 所示。此外,因?yàn)闄C(jī)架頭架會(huì)直接固定在地面上,所以在模型分析過(guò)程中會(huì)將機(jī)架設(shè)置為固定約束,其所受到的應(yīng)力主要包括傳動(dòng)滾筒以及增面滾筒的重力和帶式輸送機(jī)輸送帶的張力。

        圖2 帶式輸送機(jī)機(jī)架頭架模型網(wǎng)格劃分示意圖

        3 帶式輸送機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)仿真分析

        3.1 有限元分析結(jié)果

        通過(guò)ANSYS 軟件對(duì)帶式輸送機(jī)機(jī)架頭架進(jìn)行有限元仿真分析后,機(jī)架頭架的有限元分析結(jié)果如下:

        如圖3 所示,頭架的最大等效應(yīng)力點(diǎn)位于立桿上,最大等效應(yīng)力值為55.015 MPa;最大位移點(diǎn)同樣位于立桿上,最大位移值為0.301 86 mm,上述數(shù)值均滿足頭架強(qiáng)度要求,并且具有較大的裕度空間。此外,根據(jù)應(yīng)力- 位移云圖可以發(fā)現(xiàn),立桿作為頭架最大應(yīng)力點(diǎn)和最大位移點(diǎn),為保障頭架可靠性,需適當(dāng)增加其強(qiáng)度和剛度,而其他區(qū)域則可以適當(dāng)降低強(qiáng)度和剛度。

        圖3 頭架的應(yīng)力- 位移云圖

        3.2 頭架固有頻率及振型

        薄弱模態(tài)是指頭架運(yùn)行中出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的固有頻率。通常情況下,薄弱模態(tài)為低階模態(tài),對(duì)頭架前十階薄弱模態(tài)進(jìn)行分析后,獲取到表1 中頭架固有頻率及振型結(jié)果。

        表1 頭架固有頻率及振型

        將各階薄弱模態(tài)代入ANSYS 有限元分析中,再次根據(jù)上述有限元分析過(guò)程進(jìn)行分析計(jì)算,進(jìn)而獲取到以下結(jié)果:

        1)第1 階振型時(shí),機(jī)架最大變形位于立桿上,并且機(jī)架變形主要表現(xiàn)為立桿左右搖晃。

        2)第2 階振型時(shí),機(jī)架最大變形位于連接桿上,并且機(jī)架變形主要表現(xiàn)為連接桿前后搖晃。同時(shí),機(jī)架左右兩根斜桿以擴(kuò)張收縮姿態(tài),出現(xiàn)異向彎曲變形。

        3)第3 階振型時(shí),機(jī)架最大變形位于斜桿上,并且機(jī)架變形主要表現(xiàn)為斜桿左右搖晃。

        4)第4 階振型時(shí),機(jī)架最大變形位于連接桿上,并且機(jī)架變形主要表現(xiàn)為連接桿大幅度前后搖晃。同時(shí),機(jī)架左右兩根斜桿以擴(kuò)張收縮姿態(tài),出現(xiàn)輕微異向彎曲變形。

        5)第5 階振型時(shí),機(jī)架最大變形位于立桿、斜桿以及連接桿上。同時(shí),但當(dāng)左右兩根斜桿以擴(kuò)張姿態(tài),出現(xiàn)異向彎曲變形時(shí),立桿則會(huì)以收縮姿態(tài)出現(xiàn)彎曲變形。反之,當(dāng)左右兩根斜桿以收縮姿態(tài),出現(xiàn)異向彎曲變形時(shí),立桿則會(huì)以擴(kuò)張姿態(tài)出現(xiàn)彎曲變形。

        6)第6 階振型時(shí),機(jī)架最大變形位于下連接桿上,并且機(jī)架變形主要表現(xiàn)為下連接桿以斜上角度大幅度晃動(dòng)。

        7)第7 階振型時(shí),機(jī)架最大變形位于立桿、斜桿以及上連接桿上,并且機(jī)架變形主要表現(xiàn)為立桿左右同向彎曲變形、斜桿以Y 軸為中心點(diǎn)進(jìn)行圍繞型扭轉(zhuǎn)、上連接桿以“S”型進(jìn)行持續(xù)性晃動(dòng)。

        8)第8 階振型時(shí),機(jī)架最大變形位于下橫桿、斜桿上,并且下橫桿會(huì)以收縮姿態(tài)出現(xiàn)異向彎曲變形、斜桿主要表現(xiàn)為以Y 軸為中心點(diǎn)進(jìn)行圍繞型扭轉(zhuǎn)。

        9)第9 階振型時(shí),機(jī)架最大變形位于下橫桿、斜桿、立桿上,并且下橫桿表現(xiàn)出左右同向彎曲變形、斜桿主要表現(xiàn)為以Y 軸為中心點(diǎn)進(jìn)行圍繞型扭轉(zhuǎn)、立桿表現(xiàn)為左右同向彎曲變形。

        10)第10 階振型時(shí),機(jī)架最大變形位于下橫桿上,并且機(jī)架變形主要表現(xiàn)為下橫桿以Z 軸為中心點(diǎn)進(jìn)行圍繞型扭轉(zhuǎn)。

        綜上可知,帶式輸送機(jī)機(jī)架變形主要表現(xiàn)為彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形,并且不同振型會(huì)引發(fā)不同的機(jī)架部位表現(xiàn)出不同的變形情況。因此,在研究中應(yīng)重點(diǎn)分析低階振型對(duì)機(jī)架的影響。結(jié)合帶式輸送機(jī)工作實(shí)際可知,導(dǎo)致機(jī)架低階針對(duì)的根源相對(duì)較多,常見(jiàn)的因素如輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)因慣性和張力不均而產(chǎn)生的輸送機(jī)振動(dòng);輸送機(jī)加載物料不均引發(fā)的輸送機(jī)振動(dòng)等。

        針對(duì)相同問(wèn)題,為避免機(jī)架出現(xiàn)共振情況,應(yīng)盡可能減少振動(dòng),可在優(yōu)化時(shí)在帶式輸送機(jī)中引入軟啟動(dòng)裝置和制動(dòng)裝置,以此來(lái)降低帶式輸送機(jī)啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)。此外,可以為機(jī)架帶設(shè)置有減震效果的基礎(chǔ)和聯(lián)軸器,保障機(jī)架穩(wěn)定性,提高機(jī)架運(yùn)行可靠性。

        4 帶式輸送機(jī)機(jī)架優(yōu)化方案實(shí)踐應(yīng)用

        在提出帶式輸送機(jī)機(jī)架優(yōu)化方案后,為確保優(yōu)化方案的可靠性和實(shí)用性,需將優(yōu)化方案運(yùn)用于工程實(shí)踐。具體工程實(shí)踐過(guò)程會(huì)持續(xù)6 個(gè)月,此過(guò)程中會(huì)安排專(zhuān)人不斷收集帶式輸送機(jī)機(jī)架變形數(shù)據(jù),并根據(jù)所收集的數(shù)據(jù)確定帶式輸送機(jī)機(jī)架變形情況,確保機(jī)架優(yōu)化方案在實(shí)際應(yīng)用時(shí)所存在問(wèn)題的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決,避免應(yīng)用問(wèn)題引發(fā)更為嚴(yán)重的后果。不過(guò),結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看,帶式輸送機(jī)機(jī)架優(yōu)化方案有著較強(qiáng)的應(yīng)用穩(wěn)定性。在持續(xù)6 個(gè)月的工程實(shí)踐后發(fā)現(xiàn),帶式輸送機(jī)各部件實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)均相對(duì)良好,并且不會(huì)對(duì)帶式輸送機(jī)正常運(yùn)行造成影響。綜合分析后,確定此優(yōu)化方案具有較強(qiáng)有效性,可有效控制帶式輸送機(jī)運(yùn)行中所產(chǎn)生的各類(lèi)振動(dòng),避免機(jī)架出現(xiàn)共振情況,保障機(jī)架穩(wěn)定性和可靠性。

        5 結(jié)語(yǔ)

        經(jīng)過(guò)有限元分析后發(fā)現(xiàn),帶式輸送機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變分布情況會(huì)隨著低階振型的變化而出現(xiàn)一定改變,為能夠有效應(yīng)對(duì)此問(wèn)題,不僅需要增加機(jī)架立桿的強(qiáng)度和剛度,還需要為帶式輸送機(jī)配置軟啟動(dòng)裝置和制動(dòng)裝置,降低帶式輸送機(jī)運(yùn)行中所產(chǎn)生的低階振動(dòng),避免機(jī)架產(chǎn)生共振情況,保障機(jī)架的穩(wěn)定性和可靠性。

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