唐永濤，牛軍燕

(華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州 450015)

0 引言

帶式輸送機(jī)在我國(guó)電站及輸煤系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，而皮帶機(jī)架是帶式輸送機(jī)的主要承載部件，它的結(jié)構(gòu)可靠與否直接影響著帶式輸送機(jī)的工作效率。本文對(duì)大同煤礦集團(tuán)大唐熱電有限公司二期(2×300 MW級(jí))擴(kuò)建工程中的可逆式環(huán)型布料機(jī)中的皮帶機(jī)架進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究。為了縮短設(shè)計(jì)周期，保證皮帶機(jī)架的安全可靠，特采用了ANSYS有限元分析軟件[1]對(duì)其進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。

1 方案介紹

由于不同的皮帶輸送機(jī)承受的載荷不同，所以選型也有所不同。本文將在ANSYS軟件中直接建模并分析，有效縮短開發(fā)設(shè)計(jì)周期[2]。皮帶機(jī)架由各種型鋼組成，這樣的鋼結(jié)構(gòu)在ANSYS軟件中建模和修改參數(shù)十分方便、快捷。ANSYS軟件建模模塊中提供了常用型鋼截面，只要選對(duì)截面，輸入截面尺寸，正確建立皮帶機(jī)架中各部件連接的關(guān)鍵點(diǎn)，三維模型將很快被建立。通過(guò)分析后，如果應(yīng)力應(yīng)變不符合要求，修改三維模型也非常方便，只要在建模模塊中修改截面的尺寸參數(shù)即可，可明顯縮短開發(fā)周期。

2 ANSYS軟件在皮帶機(jī)架選型中的應(yīng)用

本文以大同煤礦集團(tuán)大唐熱電二期(2×300 MW級(jí))擴(kuò)建工程中的可逆式環(huán)型布料機(jī)中的皮帶機(jī)架為例。該皮帶機(jī)架頭部和尾部均承受60 kN垂直向下的力，左端落料口處承受50 kN垂直向下的力，中間14 m承受35 kN/m的均布力。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算得出原始數(shù)據(jù)，根據(jù)該數(shù)據(jù)初步確定皮帶機(jī)架的分析模型，建立三維模型時(shí)應(yīng)保證虛擬模型和實(shí)際模型盡可能一致，特別是工況一定要符合實(shí)際情況，以使受力分析能夠符合實(shí)際的力學(xué)結(jié)構(gòu)，在這個(gè)原則下再對(duì)模型做適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。

2.1 分析過(guò)程

(1)確定分析類型。由于皮帶機(jī)架是固定在地面上的，所以此次分析應(yīng)該選擇靜態(tài)分析。

(2)確定單元類型。由于皮帶機(jī)架為平面布置結(jié)構(gòu)，皮帶機(jī)架上的每個(gè)型鋼可以看成梁?jiǎn)卧?，所以選擇Beam 2 node 188單元形式。

(3)指定材料。主結(jié)構(gòu)均采用型鋼(Q235A)，材料參數(shù)為：彈性模量E=1.07×105MPa，泊松比λ=0.3，密度ρ=7.8×10-6kg/mm3。

(4)確定截面。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值確定皮帶機(jī)架四周用200 mm×200 mm×8 mm×12 mm的H型鋼，中間加強(qiáng)支承用25b的槽鋼和100 mm×100 mm×12 mm的角鋼，分別將截面尺寸參數(shù)輸入。

(5)建立模型。根據(jù)需要及支承面上各部件的受力位置確定50個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，然后選擇各段的截面序號(hào)，將各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)連接起來(lái)，即生成所需的三維模型。

(6)網(wǎng)格劃分。劃分網(wǎng)格是建立有限元模型的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，要求考慮的問(wèn)題較多，工作量較大，所劃分的網(wǎng)格形式對(duì)計(jì)算精度和計(jì)算規(guī)模將產(chǎn)生直接影響。為建立正確、合理的有限元模型，劃分網(wǎng)格時(shí)應(yīng)考慮的以下問(wèn)題[3]：網(wǎng)格數(shù)量、網(wǎng)格疏密、單元階次、網(wǎng)格分界面和分界點(diǎn)、位移協(xié)調(diào)性、網(wǎng)格布局、節(jié)點(diǎn)和單元編號(hào)。

(7)約束和載荷。約束的位置主要是皮帶機(jī)架的左端環(huán)形中心支撐處和右端的行走支撐輪支撐處；皮帶機(jī)架的自重按均布載荷加載，其他的載荷為：皮帶機(jī)架頭部尾部均承受60 kN的力，左端落料口處承受50 kN的力，中間14 m承受35 kN/m的均布力。

運(yùn)行分析后得到準(zhǔn)確的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D，優(yōu)化前皮帶機(jī)架應(yīng)力云圖如圖1 所示，應(yīng)變?cè)茍D如圖2所示。

圖1 優(yōu)化前皮帶機(jī)架應(yīng)力云圖

圖2 優(yōu)化前皮帶機(jī)架應(yīng)變?cè)茍D

查《中國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)大典》[4]得：Q235A的屈服極限σs為235 MPa，該結(jié)構(gòu)應(yīng)力安全系數(shù)取1.5，則約束應(yīng)力[σ]≤σs/1.5=156.67 (MPa)。由圖1可知，這種選型在實(shí)際載荷下的最大應(yīng)力為198.461 MPa，超過(guò)了該材料的約束應(yīng)力，并且最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置在皮帶機(jī)架的四周，說(shuō)明皮帶機(jī)架四周的橫梁初步選型不能滿足應(yīng)力要求。由圖2可知，最大應(yīng)變量為24.99 mm，而該結(jié)構(gòu)相應(yīng)的許用撓度為18 550/800=23.19 (mm)，最大變形量也超過(guò)了許用撓度，應(yīng)變最大的位置也出現(xiàn)在外圍的橫梁上。由分析結(jié)果可知，必須增大皮帶機(jī)架的四周橫梁的截面尺寸才能滿足結(jié)構(gòu)的要求。

2.2 優(yōu)化過(guò)程

打開ANSYS建模模塊，把Sections中H型鋼的尺寸更改成250 mm×250 mm×9 mm×14 mm，將相對(duì)應(yīng)的尺寸參數(shù)更改后保存，然后重新運(yùn)行求解。優(yōu)化后的皮帶機(jī)架應(yīng)力云圖如圖3所示，應(yīng)變?cè)茍D如圖4所示。

圖3 優(yōu)化后皮帶機(jī)架應(yīng)力云圖

圖4 優(yōu)化后皮帶機(jī)架應(yīng)變?cè)茍D

由圖3可知，這種選型在實(shí)際載荷下的最大應(yīng)力為106.885 MPa，遠(yuǎn)小于該材料的約束應(yīng)力；由圖4可知，最大應(yīng)變量為12.212 mm，小于該結(jié)構(gòu)相應(yīng)的許用撓度，故此時(shí)結(jié)構(gòu)安全可靠。該方法僅需在ANSYS軟件中修改橫梁的截面并求解，而不需要在三維中重新建模后導(dǎo)入ANSYS，大大提高了工作效率及選型的準(zhǔn)確性，值得在設(shè)計(jì)中推廣應(yīng)用。

同時(shí)，也可以對(duì)材料進(jìn)行優(yōu)化，即在不改變零件結(jié)構(gòu)的情況下，改變材料也可以改變相應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變結(jié)果?？傊瓌t就是哪些地方受力小可以適量減少其材料或改用力學(xué)性能小的材料，反之亦然。

3 結(jié)論

通過(guò)該實(shí)例可以看出，這種選型方法比傳統(tǒng)的手工計(jì)算或者先在專門的三維軟件中建模再導(dǎo)入分析軟件的方法方便、快捷，明顯縮短了設(shè)計(jì)開發(fā)周期，并且提高了設(shè)計(jì)效率和產(chǎn)品的安全可靠性。這種方法不僅可用在皮帶機(jī)架的選型設(shè)計(jì)上，還可為其他鋼結(jié)構(gòu)的選型設(shè)計(jì)提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]許尚賢.機(jī)械設(shè)計(jì)中的有限元法[M].北京：高等教育出版社，1992：68-74.

[2]周寧.ANSYS機(jī)械工程應(yīng)用實(shí)例[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.

[3]熊珍兵,羅會(huì)信.基于HyperMesh的有限元前處理技術(shù)[J].排灌機(jī)械，2006，24(3)：35-38.

[4]王太辰.中國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)大典：第5卷[M].南昌:江西科學(xué)技術(shù)出版社，2002.