矿用桥式皮带转载机中间架结构的优选分析

2013-11-18曹琳卿陈光宁程秀杰

中国重型装备 2013年1期

曹琳卿陈光宁程秀杰

(山东能源机械集团，山东 271222)

矿用皮带转载机是悬臂式掘进机不可或缺的配套设备，其主要用途是将掘进机装运机构运出的物料输送到后部配套运输设备上，从而保证原煤运输的连续性，提高采掘工作面的生产效率［1］。根据掘进机用户使用条件的不同，转载机可采用桥式或悬臂式结构。传统的桥式皮带转载机由于机身结构不合理出现塌腰变形与扭曲变形，是困扰大载荷桥式转载机发展的两大技术难题［2］。而带式转载机中间架作为主要的承载单元，其设计的目的是在保证运量和跨距的前提下尽量减少其重量［3］。本文以山东能源机械集团生产的EZX100/40/18.5D(A)型带式转载机的技术参数作为参考，利用有限元分析软件对其中间架的两种结构形式、四种截面布置方案及多规格尺寸进行了优选分析，探讨机身结构缺陷问题的合理解决方案。

1 带式转载机总体结构及工作原理

EZX100/40/18.5D(A)型带式转载机是为山特维克MH620掘进机设计的专用配套转载运输设备。转载机与矿车配套使用，其衍生系列产品可与矿用顺槽带式输送机、刮板输送机及其他运输设备配套使用。该型号带式转载机受料端连接在掘进机机架尾部，卸料端通过行走小车骑在矿车导轨上，整机呈桥形随掘进机移动。总体结构如图1 所示。其主要由行走小车、机头架(含驱动装置)、中间架和机尾架(含受料部)等部分组成。

根据巷道掘进工艺配套要求，共布置了4 个标准中间架和1 个特殊中间架，通过联接板和销轴连接。中间架可以采用矩形钢管焊接而成的桁架结构或矩形钢管、加强护板等焊接而成的护板结构，如图2 所示。

图1 掘进机配套转载运输设备结构示意图Figure 1 Structure drawing of matchable conveyer for heading machine

图2 中间架三维模型Figure 2 Three dimensional model of middle framework

2 建立中间架有限元模型

2.1 单元的选择

根据带式转载机中间架的结构特点和工作时的受力情况，建模时选用梁单元BEAM188 和壳单元SHELL63，通过共用节点方式实现了梁壳单元的连接。

BEAMl88 单元是一种基于Timoshenko 梁理论的三维线性有限应变梁单元，这种单元支持剪切变形效应，适合分析一定厚度的各种梁结构，并且支持线性、大扭转或大应变的非线性分析。在坐标系统中，BEAM l88 单元(见图3)由节点I 和J 定义，一般以节点K 定义单元横截面的方向，通过指定截面的ID 号在梁单元的网格划分过程中将截面和梁单元联系起来。其单元载荷和节点载荷包括惯性力、体力、分布力和集中力。集中力施加在单元的X 轴上(单元的X 轴由这些节点定义)。如果单元的X 轴和质心轴不共线，加载的轴向力将会引起弯曲。如果横截面的剪切中心和质心不是同一点，加载的剪切力将导致扭矩和扭转应变。因此，这些节点应该与所要加载集中力的点的位置一致。当采用缺省值时，ANSYS 程序将形心轴选定为梁单元横截面的弯曲参考轴。可以适当地选用SECOFFSET 命令中的OFFSETZ 和OFFSETY 分项定义横截面参考轴的位置，BEAMl88 单元定义了有限元分析计算时横截面弯曲参考轴的实际位置［4］。

SHELL63 壳单元(见图4)同时具有弯曲能力和膜力，能够同时承受平面内载荷和法向载荷。该单元每个节点具有6 个自由度:沿节点坐标系X、Y、Z 方向的平动和沿节点坐标系X、Y、Z 轴的转动。

2.2 定义单元截面属性

确定了单元坐标系后，即可定义单元截面的几何属性。横截面定义了梁的垂直于轴向的平面几何形状。横截面定义之后，ANSYS 利用九个节点的区域建立起一个数字模型，用来确定其截面特性并通过泊松方程式对扭转行为进行求解。将截面ID 号指定给一条线作为属性，并用这个截面ID 号确定对此线进行网格划分生成的梁单元的横截面。对中间架主梁的四种截面布置方式分别进行了分析，如图5 所示。

图3 BEAM188 单元几何示意图Figure 3 Geometric drawing of BEAM188 cell

图4 SHELL63 单元几何示意图Figure 4 Geometric drawing of SHELL63 cell

图5 四种截面形式Figure 5 Four kinds of sectional form

2.3 添加材料属性

中间架材料为Q345，将其材料属性输入系统，得到，弹性模量E=2.1×1011，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 850 kg/m3。

2.4 建模

因中间架间采用配合间隙较小的销轴联板连接方式，将中间架之间的销轴连接简化为刚性连接后，就得出其整体应力状态及位移状态。桁架结构的加强筋采用与主梁相同的矩形钢管，护板结构的加强板采用厚度为6 mm 的钢板。对两种结构形式分别建立有限元模型，如图6 所示。

图6 中间架有限元模型Figure 6 Finite element model of middle framework

3 施加约束和载荷

3.1 施加约束

EZX1000/400/18.5D(A)型带式转载机中间架通过销轴联板连接到机头架和机尾架上，根据其工作时的实际情况，对相应节点施加约束。

3.2 施加重力载荷

通过输入沿Y 轴正向的加速度，对中间架本体施加重力载荷。ANSYS 认为，如果模拟重力，必须使结构沿重力反向加速，也就是说，施加的重力其实是反向加速度［5］。

3.3 施加工作载荷

带式转载机中间架所受载荷主要包括输送带、物料和托辊的重力，计算选用1.5 倍的动载荷系数可以得到其动载荷受力，根据中间架的实际受力情况将所受力分别均匀施加到上托辊挂架和下托辊座相应的节点上。施加约束和载荷的中间架有限元模型如图7 所示。

图7 施加约束和载荷后的中间架有限元模型Figure 7 Finite element model of middle framework under constraint and loading

4 求解计算

模型经网格划分和施加载荷后进行求解运算，得到中间架的应力和位移云图(见图8)。通过对云图的分析比较，得到了最合理的截面形式。

5 优选结果与分析

5.1 结构形式优选

以70 mm×50 mm×5 mm 的矩形钢管为例，对桁架结构和护板结构的四种截面布置方式分别进行了有限元分析，结果见表1。由表1 可知，所有截面方式护板结构的应力都比桁架结构的应力小得多，且护板结构整体重量为1 564 kg，桁架结构为1 482 kg，重量只相差约100 kg。相比之下，护板结构为较优选择。

图8 中间架的应力及位移云图Figure 8 Cloud charts of stress and displacement for middle framework

表1 结构形式优选结果Table 1 Optimization results of structural form

5.2 矩形钢管截面尺寸优选

选取护板结构形式，再对不同矩形钢管规格尺寸、不同截面布置方式的中间架分别进行有限元分析，计算出最大应力，最大位移及安全系数，结果见表2。

由表2 可知，在前三种规格的矩形钢管中，第二种截面布置方式所受应力最小，而在后四种规格中，第四种截面布置方式应力最小，没有一致的规律性。另外，在矩形钢管截面选取时，还要考虑转载机恶劣的工作环境，要选择2.0以上的安全系数。综合考虑，最终选取规格为70 mm×50 mm×5 mm 的矩形钢管，截面布置方式采用第二种(上主梁横置、下主梁竖置)或第四种(上下主梁全部横置)能够满足强度和刚度要求，且重量最轻。