梭式皮带布料机大风力工况仿真及改进

尹麒麟

（三峡大学 机械与动力工程学院，湖北 宜昌443002）

混凝土梭式皮带布料机布料覆盖面积广，结构庞大，连续工作时间久，载荷情况复杂，工作环境恶劣，是水利水电行业施工中常用的大型非标特种工程设备［1-2］。它由立柱、回转支承系统、基本框架、布料臂等构成，可通过伸缩桁架在基本框架中的穿行，来调节布料半径［3］。布料机立柱等钢桁架的结构强度和刚度对布料机的安全和可靠性有着决定性作用［4］。但目前很少有对布料机进行分析研究，且其结构庞大、建造成本高，做实验不太现实，所以现在布料机的结构及材料选取，仍靠经验来设计和估算，存在较大的安全隐患、材料浪费和成本偏高等问题。因此，对布料机在极限工况下进行力学分析，从而改善其受力状况、选取合适的材料是布料机安全设计中极为重要的一环。

乌东德大坝供料所用的混凝土梭式皮带布料机，要求能在8级大风中正常工作、12级飓风非工作状态下不被破坏，以往靠经验设计的布料机，其选取的材料往往会过大，成本较高，有必要对布料机进行有限元仿真分析，以验算其结构强度和刚度是否满足施工要求，从而选取合适的型材。文中运用ANSYS有限元分析软件对乌东德大坝供料所用混凝土梭式皮带布料机进行仿真分析，并根据结果提出修改，对布料机的设计、选材有一定指导作用。

1 有限元模型建立

乌东德大坝底部离地面103m，混泥土需要经过料斗、2个缓降立柱、3个转料皮带机和上料皮带机才能到达布料机上，如图1。

图1 乌东德大坝布料某工况示意图

上料皮带机跨度40m，一段与缓降立柱相连，一段在布料机上，其对布料机的安全稳定性和可靠性有较大影响，在分析计算时，上料皮带也需要建立模型。

在大风力作用下，布料机有两种情况最为危险：①当上料皮带机和布料臂共线即同一平面，且风正对该平面吹来，此时迎风面积最大，布料机较为危险；②当上料皮带机和布料臂所在平面垂直，风正对上料皮带机所在平面吹来，且方向从布料臂的尾端吹向头部，此时在上料皮带机和立柱的风载与布料臂对立柱弯矩的共同作用下，布料机也较为危险。

利用ANSYS有限元软件对上述两种极限工况进行仿真分析。因ANSYS经典界面的前处理操作复杂，出现错误后无法后撤，修改困难，所以使用APDL［5］建立布料机参数化模型，用命令流编写，方便快捷、易修改，可节省大量时间。

上料皮带机和布料机结构庞大、复杂，所以在建模时，对其进行了简化。与布料机稳定性和可靠性基本无关的构件换算成载荷加载在桁架上，同时不考虑桁架的小孔和焊缝［6-7］。而回转支承与其他结构相比，刚度强度较大，因此也将其简化，与其他结构件固结。图2（a）为上料皮带机和布料臂共线状态，图2（b）为上料皮带机和布料臂垂直状态。

图2 上料皮带机和布料臂相对位置

2 载荷计算及施加

上料皮带机、布料臂和基本框架的桁架结构自重在建模时通过截面特性输入，未建模的部分则转换成载荷。考虑到物料在开始运送和减速制动时对金属结构的振动影响，除风载外布料臂和基本框架的所有载荷均要乘以起升冲击系1.1［8］，而风载荷则根据《起重机设计手册》［9］计算，其公式为：

式中 C为风力系数；Kh为风力高度变化系数；q为风压；A为垂直于风向的迎风面积。

经计算得未改进前布料机和上料皮带机各部分的载荷，如表1，表2。8级风按20.7m/s计算，12级风按36.9m/s计算。

表1 集中载荷 单位：N

表2 线载荷 单位：N/m

3 有限元分析及改进

根据实际施工情况，对立柱底部的关键点及上料皮带机与缓降立柱相连的关键点实施全约束，将表1载荷添加到对应位置上，求解得两种较危险情况分别在8级风和12级风状况下布料机最大应力、应变及各部分的最大应力数值，如表3。在两种风载工况下，上料皮带机与布料臂共线状态下布料机的最大应力均发生在布料臂和基本框架相接触的滑轮处；垂直状态下布料机的最大应力均发生在上料皮带机和回转支承的连接处。由于滑轮和回转支承模型的简化和ANSYS单元的局限性，这两个地方存在应力集中，不是真实应力，不应作为参考依据。

表3 应力应变

去掉集中应力，在布料机的4种状况下，布料臂应力较大部分均发生在与基本框架接触的滑轮附近的上、下弦杆处，其余部分应力较小；基本框架应力较大部分均发生在与回转支承连接附近的上、下弦杆处，其余部分应力较小；立柱应力较大部分均发生在立柱底部的主杆上，其余部分应力较小。图3、图4分别为上料皮带机与布料臂垂直状态的12级风载应力、应变图。

图3 应力云图

图4 应变云图

从以往ANSYS有限元分析设计的大型钢桁架的应用经验来看，在环境较为恶劣的情况下工作，为保证安全，材料为Q235钢的大型桁架机械，在去掉集中应力后，最大应力应在120MPa以下，大范围应力应在100MPa以下。根据ANSYS软件分析情况来看，乌东德大坝所用的布料机材料强度有盈余，可通过减小布料臂和基本框架除上、下弦杆以外的杆件及立柱所有杆件的尺寸来降低总成本。具体改进方案如表4，与改进前相比，改进后布料臂重量减轻了10.25%，基本框架的重量减轻了39.36%，立柱重量减轻了29.07%。改进后，由于型材尺寸变小，立柱、布料臂和基本框架的迎风面积减少，因此风载也减小，其他载荷与上料皮带机的载荷则不变。表4为改进后布料机的应力、应变。

表4 改进方案

从表4可以看出与改进前相比，因材料截面尺寸减小，布料机在各工况下的整体应变都增大了。而应力除立柱的有较大变化外，其他变化较小，且均在安全值以内。改进后的布料机各部分应力、应变的分布情况与改进前相似，但各部分的材料选用更为合理，其结构强度利用的更为充分。

4 带预应力模态分析

从表5可知，当布料机在12级风垂直工况下时，整体机构最为危险。因此对该工况下的布料机采用Block Lanczos法进行带预应力模态分析。根据经典振动理论，对于布料机这种多自由度的机械系统，低阶固有频率比高阶固有频率影响更大［10］。图5为第6阶模态振型图，表6为布料机在12级风垂直工况下前6阶模态固有频率和振型描述。

表5 改进后布料机应力应变

表6 固有频率及振型

图5 第6阶模态振型

从图5、表5中可知，布料机12级风垂直工况下工作时，前6阶固有频率在0.8～5.1Hz的范围内，为不引起布料机系统的共振，保证人员及财产安全，因避免外界或驱动滚筒所引起的振动频率在该范围内。

5 结语

（1）基于ANSYS 有限元软件，运用APDL 参数化设计方法编写了梭式布料机的计算程序，得到了布料机在大风力工况下的应力、应变分布和前6阶模态固有频率，并对布料机主要结构进行了改进，使各部分材料利用更为合理。

（2）为方便施工方材料采购和布料机加工，本文统一了布料臂上下斜杆、纵向杆和两侧的斜杆、竖杆的型号尺寸；统一了基本框架上下斜杆、纵向杆和两侧的斜杆、竖杆的型号尺寸；统一了立柱斜杆和横杆的型号尺寸。根据ANSYS分析，布料臂和基本框架的上下斜杆、纵向杆与两侧竖杆及立柱横杆的强度存在一定盈余，在满足使用要求的同时为降低成本，可以适当减少其截面尺寸和壁厚。