带式输送机断带保护装置摩擦块的优化设计

2015-12-13刘贤锁郭育东

机械管理开发 2015年10期

刘贤锁，郭育东

（1.霍州煤电集团鑫钜煤机装备制造有限责任公司，山西临汾 031499；2.太原理工大学机械工程学院，山西太原 030024）

引言

带式输送机因其输送力大，结构简单，制造费用低，以及维护方便等特点而被广泛应用。在运输过程中，由于皮带的长时间高负荷运转，使皮带断裂，可能造成皮带机机架摧毁、设备毁坏、巷道堵塞等重大事故。因此实施断带保护是非常必要的［1－2］。本文设计了一种新型液压驱动式断带保护装置，该装置在皮带上侧设置液压驱动的活动摩擦块（楔块状），下侧设固定摩擦块，一旦发生断带，液压装置驱使活动摩擦块和固定摩擦块产生夹紧力阻止皮带下滑。通过Adams对断带保护装进行动力学分析，分析结果为样机的生产提供了可靠的依据。

1 断带保护装置工作原理

整套断带保护系统由信号检测装置、清煤装置、电气控制装置、断带抓捕装置、液压站组成。信号检测装置对皮带的张紧力和托辊转向实时监控，一旦发生断带即将信号传送至电气控制装置，电气控制装置通过PLC控制系统，驱使液压油缸推动滑动摩擦块和固定摩擦块相互夹紧，以达到夹住皮带的目的。

2 摩擦块的优化设计

图1 断带保护装置

摩擦块是断带保护装置的核心部件，它的设计优劣直接关系到保护装置的性能。因此有必要对摩擦块的结构采用ANSYS Workbench模块进行优化设计。

2.1 摩擦块的优化设计

2.1.1 问题描述

设计摩擦块截面如下页图2 所示，利用参数优化确定在满足强度的前提下，质量最轻情况下的优化尺寸。优化的输出参数为摩擦块的质量（Mass）、等效应力（Equivalent Stress）及整体变形（Total Deformation）。

2.1.2 参数化建模

以图2截面建模，摩擦块拉伸长度1 000mm为定值。建立参数变量，变量名必须以DS＿开头。

2.1.3 进行结构分析

图2 优化横截面图（mm）

1）设定分析类型。打开Project page，拖动Static Structural到项目窗口，建立Static Structural系统。

2）导入几何模型，右击Geometry子模块，Import Geometry，导入模型。

3）打开分析界面，设材料。划分网格，施加约束，施加载荷，插入结果，求解，查看结果。如图3所示，等效应力的最大值为16.24 MPa，小于材料的许用应力（113 MPa），可以进行进一步优化，图4为摩擦块变形图。

图3 应力图

图4 变形图

2.1.4 选择优化三要素

1）选择设计变量，在模型中选上DS＿2 摩擦块的长、DS＿1摩擦块的高。

2）选择目标函数，在设计树中选择模型，在模型的Properties中选择Mass。

3）提取约束条件，在Solution中，选择等效应力，在属性对话框中选Maximum。

2.1.5 进行参数优化

进入Design Exploration，首先定义设计变量的上、下限（摩擦块长在360～440mm 之间，摩擦块高在180～220mm 之间），计算多个设计点。然后定义约束条件和目标函数，选择优化方法、设定搜索步长来寻求最优解。最后更新优化设计，如图5优化结果。图6、图7、图8为各取值尺寸对应的应力、变形、质量。