DSJ系列煤矿用带式输送机绞车架体的设计及优化

杨成卓，魏春华

（重庆松藻装备制造分公司，重庆 401445）

0 引言

根据MT/T 901-2000《煤矿井下用伸缩式输送机》规定，DSJ系列输送机主要用于煤矿综合机械化采煤和一般机械化采煤工作面的顺槽及巷道掘进运输的输送机。张紧装置、储带转向架、收放胶带装置、托辊小车、游动小车等应调整、操作方便、动作灵活、可靠、无卡阻现象，张紧装置应操作灵活，能满足输送机起、制动及正常工作时张力变化的要求。JH系列回柱绞车是DSJ系列煤矿用带式输送机最常用的皮带张紧装置，常规的设计为在储带仓后面一架的过渡架内地面打地脚螺栓的基础，安装回柱绞车，通过地脚螺栓对回柱绞车进行固定。由于需要基础建设，会造成安装时需要较高的成本及时间投入、拆除时基础无法复用及回收、日常维护比较困难等问题。为了解决以上问题，决定设计优化绞车的底座定位架体，可以免除地脚螺栓的定位及基础建设，同时通过结构的优化可以实现材料的最佳性价比，提高带式输送机在井下运行的安全性，即便于甲方煤矿企业的安装、拆除，又便于用户的日常维护，提高性价比及客户的满意度。

我公司在今年转型发展以来，产品更多的是面向外部市场，用户的需求从原来内部市场的经久耐用到外部市场要求的高性价比，市场的需求决定着供给，必须要适应外部市场对产品的需求，提高市场竞争力。

目前我公司遇到棘手的问题就是如何提高公司产品的性价比，因此应充分利用目前的计算机技术优化产品设计，提高产品性价比，满足用户需求。

1 张紧绞车原定位结构存在的问题

常规的张紧绞车的定位设计，是在煤矿用带式输送机储带仓后侧一架过渡架内打4个M20×500的地脚螺栓用于绞车的固定，结构如图1所示，采用这种结构主要存在以下几个问题。

图1 常规JH-8绞车的定位图

1）安装需要打基础。需要根据煤矿用带式输送机的安装情况确定好回柱绞车的安装位置，并且需要将回柱绞车底座的安装地面打平，预埋4件M20×500的地脚螺栓。由于井下的具体条件，给安装带来了一定的困难，成本投入较高，并且由于工作面的具体条件，储带仓的架数可能会有变化，这样又需要重新打地平及预埋地脚螺栓，这种定位形式的适应性较差，不利于现场的安装维护。

2）后期维护工作量较大。由于一套煤矿用带式输送机的使用周期较长，在使用过程中如果由于维护不良出现地脚螺栓松动，或者由于水泥松动，就需要重新做地面的基础，会导致后期需要较长的停机维护时间，影响正常的运输工作，对矿井的正常采煤工作造成影响，降低煤矿的运输效率，如果发现不及时会造成带式输送机张紧力不足，对安全生产带来一定的影响。

3）增加回撤及重新安装的工作量。在煤矿用带式输送机完成本工作面的运输工作需要拆除时，地脚螺栓拆除较为困难；并且如果煤矿用带式输送机拆除后需要到其它工作面使用，需要重新打基础，以上环节存在的不利因素又会循环出现，出现一个小的工序循环维护及施工的情况。

2 设计制作绞车架体

针对以上存在的问题，考虑设计免基础可移动的架体，并减少新结构的投入，可以保证出现故障时，配件有充分的互换性，减少停机维护的时间，确保煤矿用带式输送机的高效运转。

2.1 采用常规型钢设计绞车底座定位座

根据JH-8回柱绞车基准层的拉力为80 kN，考虑一定的安全系数，对架体结构进行受力分析后，采用国标Q235材质14#a（140×58×6）及16#a（160×63×6.5）槽钢，Q235板材组焊成架体，并根据JH-8回柱绞车的底座设计定位孔的位置，确保绞车的安装，绞车架体通过螺栓与两侧的仓体进行连接，设计完成的绞车架体结构如图2所示。

图2 绞车定位架结构图

2.2 张紧仓体结构的设计

张紧仓体采用标准的DSJ系列储带仓架，保证在出现故障或其它情况的时候可以及时更换，有充分的互换性，即方便井下的日常维护、故障处理，又便于组织配件，结构如图3所示。

图3 绞车定位仓体整体结构图

3 架体结构强度校核及优化

对设计的架体及各处进行强度校核或者通过建立三维模型进行有限元分析，确保设计出的结构满足皮带运输的使用要求，并对主要的连接螺栓进行强度校核，确保强度及刚度满足使用要求。

3.1 底架与侧架连接螺栓强度的计算

底座架体与侧架采用8件M16×45的螺栓连接，标件螺栓采用的材料为Q235,屈服强度为235 MPa，绞车的拉力最大为80 kN，考虑1.2倍的安全系数，螺栓的最大受力按照80×1.2=96 kN，M16螺栓的横截面接为201 mm2,总计有8颗螺栓承受剪切力的作用，通过计算剪切强度为：τ=96000÷1608=60 MPa，远远小于螺栓的屈服强度235 MPa，因此螺栓可以满足使用要求。

3.2 绞车底座与架体连接螺栓的强度校核

采用8件M20的螺栓连接，标件螺栓采用的材料为Q235,屈服强度为235 MPa，绞车的拉力最大为80 kN，考虑1.2倍的安全系数，螺栓的最大受力按照80×1.2=96 kN，M20螺栓的横截面积为314 mm2, 总计有8颗螺栓受剪切力，通过计算剪切强度为：τ=96000÷2512=10 MPa，远远小于螺栓的屈服强度235 MPa，因此采用8件M20的螺栓完全满足使用要求。

3.3 绞车底架的强度及刚度分析

强度的分析采用计算机辅助的方法，计算机技术在机械行业上的应用主要包括CAD、CAE、CAM三类，三类软件从产品的研发设计、结构分析、辅助制造方面提供了一体化的智能服务。

3.3.1 软件的使用范围

3.3.1.1 CAD类软件

CAD类软件分为二维软件和三维软件。应用较为广泛的是二维类软件，主要有AutoCAD、清华天河CAD、中望CAD、CAXA等，二维软件对电脑性能的需求较低，一般主流电脑都可以顺利运行，此类软件的应用使工程技术人员从画图板纸质制图中彻底的解放了出来，使设计、修改、保存更为简单。这类软件的学习、操作简单，但对设计者的机械理论知识有较高的要求，需要对理论力学和材料力学有一定的研究，通过力学的计算设计出符合性能需求的产品，并且对用户来说不够直观，用户读懂图样需要一定的基础。

三维设计软件主要包括SolidWorks、Pro/E、UG、Catia，根据机械具体行业的不同选择对应的软件，例如常规的机械设计多数企业选择SolidWorks，模具行业更倾向于UG、Pro/E，汽车行业更多的注重Catia的曲面功能。

3.3.1.2 CAE类软件

CAE(Computer Aided Engineering)指工程设计中的计算机辅助工程，指用计算机辅助求解分析复杂工程和产品的结构力学性能，以及优化结构性能等，把工程（生产）的各个环节有机地组织起来，其关键就是将有关的信息集成，使其产生并存在于工程（产品）的整个生命周期。而CAE软件可作静态结构分析、动态分析；研究线性、非线性问题；分析结构（固体）、流体、电磁等。机械行业常用的 CAE 软 件 包 括 ANSYS、Abacus 及 SolidWorks simullation、ANSYS Workbench等。

ANSYS Workbench在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等领域有着广泛的应用。ANSYS功能强大，操作简单方便，现在已成为国际最流行的有限元分析软件，在历年的FEA评比中都名列第一。本次的有限元分析采用ANSYS Workbench进行分析。

因绞车架体为绞车拉力的主要受力部件，对绞车的底架建立三维模型，通过ANSYS Workbench进行有限元分析，查看在标准受力条件下架体的强度及刚度情况，焊缝采用不低于600 MPa的焊丝进行焊接，并通过超声波检测对焊缝进行缺陷检测，确保焊缝无气孔、未熔合、未焊透等缺陷，绞车定位架三维模型如图4所示[1]。

图4 绞车定位架三维模型

通过ANSYS Workbench的有限元分析，设定绞车的最大拉力为96 kN（1.2倍的系数），通过分析可以看出架体最大变形量为4 mm，位置主要在中间的2个槽钢处，主要原因为两侧横向的槽钢弯曲；架体最大应力为699 MPa，应力集中点在两端槽钢结合处。总体来看刚度满足使用使用要求，但强度不够，两端有塑性变形的危险，需要对两侧槽钢的局部强度进行加强，以满足使用条件，具体的变形分布图如图5所示，应力分布图如图6所示[2]。

图5 绞车定位架的变型有限元分析

图6 绞车定位架的应力有限元分析

通过架体强度和刚度的综合分析可以看出，在纵梁2个端部为应力及变形的集中点，因此需要通过增设加强板以提高强度、减小材料最大应力。对于两端的应力集中点通过放大后可以看到其在型钢的边角位置，可以通过组焊时的焊缝进行改善，即使不做处理，其强度及刚度也可以满足使用条件的要求，应力分布如图7所示。

图7 绞车定位架应力有限元分析的最大受力点

3.4 绞车底架的优化设计

通过以上的分析，对强度及刚度薄弱处进行优化设计，在两侧分别加设10 mm厚的Q235钢板，以提高结构最大应力处的强度，降低应力值，并且可以改善材料的受力情况，改进后的绞车架结构三维模型如图8所示[1]。

图8 改进后的绞车架的三维模型

通过建立三维模型及ANSYS Workbench有限元分析，变形及应力分布图如图9所示，通过分析结果可以看到，架体的最大变形量从4 mm降到了2 mm，结构主要受力部分材料应力从517 MPa降低到了130 MPa（对于两端的应力集中的边角位置，通过焊缝的补充可以达到消除的目的），架体整体满足使用要求，结构从强度及刚度方面都满足了使用要求，并且架体较原设计增加的质量为1.5 kg，在合理范围内[2]。

图9 改进后绞车定位架的变型及应力的有限元分析

3.5 优化后绞车架体的整体安装结构

优化后的绞车架体整体结构安装如图10所示，本设计消除了之前在巷道地面打基础存在的安装、拆除、维护时存在的诸多缺点，并且已在多套带式输送机上进行了应用，得到了用户的一致好评[3]。

图10 改进后的绞车定位架结构图

4 结语

通过分析用户的使用条件对绞车底座的定位结构进行了重新设计及优化，并且通过具体的工况进行了有限元分析，在保证使用要求的前提下，充分核实结构的受力条件，确保设计出的产品实现最佳的性价比，提高客户的满意度，便于井下的使用及维护，通过我公司2020年至2021年生产的12台DSJ系列皮带机配置的绞车装置的使用反馈情况来看，整体使用效果较好。

通过结构的设计及优化，消除了原设计存在的安装、拆除、维护中问题，使煤矿用带式输送机产品更能符合用户的需求，有更好的市场竞争力，同时也为保证煤矿企业的正常生产及快速维护提供了充分的保障。

有限元分析方法在市场上的产品设计中已广泛的应用，其利用微积分的原理，对结构件先进行微分无限分割，再根据微分之间的关系进行积分处理，可以得到极为精确的结果，本案例如果采用计算的方法，需要设计者掌握较深的材料力学、理论力学、弹性力学的知识，并且得到的结果是离散的，但是通过专业的有限元分析软件得到的结果是完全连续的，可以通过探针功能得到空间任意一点的应力及变形情况，在类似的工程问题中可以得到有效的推广运用。

目前仅对需要改进的底座架体进行了结构优化，没有全面地对煤矿用带式输送机各处的结构件进行整体的分析优化，后面需要对整套煤矿用带式输送机的系统进行分析优化。

在制造类企业面向市场之后，面对的是国内外同类企业激烈的竞争，在保证产质量、优质的售后服务的前提下，还需要设计出能够满足用户需求、产品投入的材料能够实现更佳的性价比，这就需要加强与用户的沟通，了解用户的需求，转变原有的设计思路，并对新设计进行全面的校核分析，在满足使用求的前提下，实现最佳的性价比，在设计的生产过程中结合用户的需求及使用条件不断优化结构设计、材料选择和工艺流程，既最大限度地满足客户的使用要求，又实现企业的最大效益。