自移机尾式带式输送机机架结构的分析优化

王嘉玮

（晋能控股煤业集团煤峪口矿，山西 大同 037003）

引言

在煤矿的自动化开采过程中，带式输送机是进行煤炭输送的主要设备，可以依据矿井巷道的位置、地形进行布置，实现煤炭的高效输送。随着煤矿综采技术的快速发展，巷道开采的速度不断加快，消耗的回采巷道的数量不断上升，对巷道掘进的效率提出了较高的要求。由于采掘比的失调，容易造成煤矿整体效率的降低，不利于煤矿的经济效益增长。采用自移机尾式带式输送机，配合转载机的方式替代传统的带式输送机，可以提高自移机尾对不同巷道的适应性，进一步提高带式输送机进行巷道布置的效率，从而提高巷道掘进的效率，缓解采掘比失调的问题。自移机尾式带式输送机的中间架结构是进行煤炭输送的主要的承载结构，承受的载荷作用复杂，对其承载的能力具有较高的要求。采用数值模拟的形式对中间架的结构进行分析，从而保证其承载能力，提高机架的适应性及可靠性，保证设备的稳定运行。

1 自移机尾式带式输送机中间架分析模型的建立

自移机尾式带式输送机整体带有动力装置，可以实现整机的提升、推移及位置调整，主要由动力单元、机尾及中间架三部分构成。中间架承受煤炭输送的载荷作用，且为转载机提供搭接的支撑，承受的载荷作用较大。

依据中间架的结构建立三维模型，在建模过程中，对中间架的结构进行一定的简化处理，对圆角、倒角、固定筋板等结构进行简化，这样可以提高网格划分的精度及计算的速度，提高分析效率，在模型中假设焊接位置处的强度与材料内部的强度一致，并对架体结构件的圆角及螺纹孔等零件强度、刚度的影响忽略，经过建模得到中间架的模型如图1所示。

将建好的三维模型导入到仿真模拟软件ANSYS中，启动workbench，将模型导入。对模型进行网格划分处理，网格划分的质量对计算分析的过程具有重要的影响，网格的密度越高则计算的准确性越高[1]，但会造成计算过程的耗时较长，因此只对主要的承载面进行网格的细密划分，非主要的分析面上网格较为粗大，采用自由网格的形式对中间架进行网格划分，得到机架结构的网格划分模型，并对其进行网格无关性验证[2]。

图1 中间架机架结构模型

中间架在工作过程中通过固定耳进行吊装转移，支腿支撑在地面上，因此对支腿位置施加固定约束，固定耳处进行载荷的施加。机架结构在工作过程中主要受到自身的重力作用、输送的煤炭及输送带带来的压力[3]、转载机通过搭接小车带来的压力作用及推移过程中受到的拉力作用。煤矿进行煤炭输送的过程为连续输送，机架受到的拉力作用为设备在最大倾斜角度工作时满载状态下重力作用的分量与受到的行走阻力作用之和。机架结构采用Q235A碳素结构钢进行焊接而成[10]，设定模型的材质参数，其密度为7 852 kg/m3，弹性模量为200 GPa，泊松比为0.3，屈服强度为235 MPa，对其应力及位移变形进行数值模拟。

2 自移机尾式带式输送机中间架结构的分析

2.1 机架结构的应力分析

图2 中间架结构的应力分布云图

依据建立的模型，对自移机尾式带式输送机的应力进行数值模拟，得到中间架机架的应力分布如图2所示。从图2中可以看出，在中间架的结构中，机架架体托辊的支撑结构及搭接小车轨道的位置处受到的应力作用较小，均小于50 MPa，小于材料的屈服极限235 MPa，在材料的许用应力范围之内；中间架机架的提升固定耳处受到的应力作用最大，最大应力作用为143.9 MPa，固定耳处的应力值同样小于材料的屈服极限，机架的强度满足系统的使用需求。同样可以看到，中间架架体的固定耳处产生一定的应力集中作用，这是由于自移机尾工作的过程中，中间架体通过提升固定耳处的位置实现整体的移动，受到的弯矩作用较大，造成一定的应力集中作用[5]。应力集中的存在，不利于机架的使用寿命，应针对固定耳处的结构进行一定的结构优化，减小应力集中的作用。

同时，在机架的应力分布中，在支撑立柱与横梁相连接的位置受到的应力作用也较大，这是生产过程中进行焊接加工的位置，应特别注意此处焊缝的质量，并对焊缝进行整体的喷砂处理，释放焊接应力，避免焊缝受到的应力过大，产生脱焊等故障，影响机架的使用寿命。

2.2 机架结构的位移变形分析

依据建立的模型，对自移机尾式带式输送机的位移变形进行数值模拟，得到中间架机架的整体位移变形分布如图3所示。从图3中可以看出，中间架架体的最大位移变形为1.262 mm，最大位移变形位于中间架的连接耳及滑靴的位置处，这是由于机架在受到拉力作用时，架体的连接耳处受到的拉力作用最大，同时此处距离中间架架体的固定底座耳的位置较远，受到位移叠加的影响，造成此处的整体位移最大。最大的位移量相对机架的整体尺寸较小，满足机架结构的刚度使用需求。

图3 中间架结构的整体位移分布云图

对中间架结构的主方向Z向位移变形进行分析，得到Z向的位移分布如图4所示。从图4中可以看出，中间架的架体Z向最大位移位于4组底座固定耳位置处，这是由于此处受到的应力作用最大，最大应力值为0.055 mm，满足机架结构的使用需求。

图4 中间架结构的Z向位移分布云图

3 结论

自移机尾式带式输送机配合转载机的使用能够在煤矿巷道掘进的过程中，通过自身动力的位置移动调整，提高带式输送机的布置效率，从而提高巷道的掘进效率，改善煤矿采掘比失调的问题。在自移机尾式带式输送机工作的过程中，中间架受到的载荷作用较为复杂，对其结构性能具有较高的要求。采用有限元模拟仿真的形式对中间架的结构进行建模分析，结果表明：中间架的固定座耳受到的应力及弯矩作用最大，产生一定的应力集中现象，应对固定座耳的结构进行一定的优化，减小应力集中的作用；机架结构的整体应力值较小，满足系统的强度需求；中间架结构的最大位于中间架的连接耳及滑靴的位置处，位移值相对机架结构的尺寸较小，满足系统的刚度需求。对中间架进行焊接加工的过程中，要保证焊缝的质量，并对焊缝进行去应力处理，提高设备的使用寿命，提高煤矿的综合效益。