楊成卓，魏春華

（重慶松藻裝備制造分公司，重慶 401445）

0 引言

根據(jù)MT/T 901-2000《煤礦井下用伸縮式輸送機(jī)》規(guī)定，DSJ系列輸送機(jī)主要用于煤礦綜合機(jī)械化采煤和一般機(jī)械化采煤工作面的順槽及巷道掘進(jìn)運(yùn)輸?shù)妮斔蜋C(jī)。張緊裝置、儲(chǔ)帶轉(zhuǎn)向架、收放膠帶裝置、托輥小車、游動(dòng)小車等應(yīng)調(diào)整、操作方便、動(dòng)作靈活、可靠、無卡阻現(xiàn)象，張緊裝置應(yīng)操作靈活，能滿足輸送機(jī)起、制動(dòng)及正常工作時(shí)張力變化的要求。JH系列回柱絞車是DSJ系列煤礦用帶式輸送機(jī)最常用的皮帶張緊裝置，常規(guī)的設(shè)計(jì)為在儲(chǔ)帶倉后面一架的過渡架內(nèi)地面打地腳螺栓的基礎(chǔ)，安裝回柱絞車，通過地腳螺栓對(duì)回柱絞車進(jìn)行固定。由于需要基礎(chǔ)建設(shè)，會(huì)造成安裝時(shí)需要較高的成本及時(shí)間投入、拆除時(shí)基礎(chǔ)無法復(fù)用及回收、日常維護(hù)比較困難等問題。為了解決以上問題，決定設(shè)計(jì)優(yōu)化絞車的底座定位架體，可以免除地腳螺栓的定位及基礎(chǔ)建設(shè)，同時(shí)通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可以實(shí)現(xiàn)材料的最佳性價(jià)比，提高帶式輸送機(jī)在井下運(yùn)行的安全性，即便于甲方煤礦企業(yè)的安裝、拆除，又便于用戶的日常維護(hù)，提高性價(jià)比及客戶的滿意度。

我公司在今年轉(zhuǎn)型發(fā)展以來，產(chǎn)品更多的是面向外部市場(chǎng)，用戶的需求從原來內(nèi)部市場(chǎng)的經(jīng)久耐用到外部市場(chǎng)要求的高性價(jià)比，市場(chǎng)的需求決定著供給，必須要適應(yīng)外部市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的需求，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

目前我公司遇到棘手的問題就是如何提高公司產(chǎn)品的性價(jià)比，因此應(yīng)充分利用目前的計(jì)算機(jī)技術(shù)優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品性價(jià)比，滿足用戶需求。

1 張緊絞車原定位結(jié)構(gòu)存在的問題

常規(guī)的張緊絞車的定位設(shè)計(jì)，是在煤礦用帶式輸送機(jī)儲(chǔ)帶倉后側(cè)一架過渡架內(nèi)打4個(gè)M20×500的地腳螺栓用于絞車的固定，結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用這種結(jié)構(gòu)主要存在以下幾個(gè)問題。

圖1 常規(guī)JH-8絞車的定位圖

1）安裝需要打基礎(chǔ)。需要根據(jù)煤礦用帶式輸送機(jī)的安裝情況確定好回柱絞車的安裝位置，并且需要將回柱絞車底座的安裝地面打平，預(yù)埋4件M20×500的地腳螺栓。由于井下的具體條件，給安裝帶來了一定的困難，成本投入較高，并且由于工作面的具體條件，儲(chǔ)帶倉的架數(shù)可能會(huì)有變化，這樣又需要重新打地平及預(yù)埋地腳螺栓，這種定位形式的適應(yīng)性較差，不利于現(xiàn)場(chǎng)的安裝維護(hù)。

2）后期維護(hù)工作量較大。由于一套煤礦用帶式輸送機(jī)的使用周期較長(zhǎng)，在使用過程中如果由于維護(hù)不良出現(xiàn)地腳螺栓松動(dòng)，或者由于水泥松動(dòng)，就需要重新做地面的基礎(chǔ)，會(huì)導(dǎo)致后期需要較長(zhǎng)的停機(jī)維護(hù)時(shí)間，影響正常的運(yùn)輸工作，對(duì)礦井的正常采煤工作造成影響，降低煤礦的運(yùn)輸效率，如果發(fā)現(xiàn)不及時(shí)會(huì)造成帶式輸送機(jī)張緊力不足，對(duì)安全生產(chǎn)帶來一定的影響。

3）增加回撤及重新安裝的工作量。在煤礦用帶式輸送機(jī)完成本工作面的運(yùn)輸工作需要拆除時(shí)，地腳螺栓拆除較為困難；并且如果煤礦用帶式輸送機(jī)拆除后需要到其它工作面使用，需要重新打基礎(chǔ)，以上環(huán)節(jié)存在的不利因素又會(huì)循環(huán)出現(xiàn)，出現(xiàn)一個(gè)小的工序循環(huán)維護(hù)及施工的情況。

2 設(shè)計(jì)制作絞車架體

針對(duì)以上存在的問題，考慮設(shè)計(jì)免基礎(chǔ)可移動(dòng)的架體，并減少新結(jié)構(gòu)的投入，可以保證出現(xiàn)故障時(shí)，配件有充分的互換性，減少停機(jī)維護(hù)的時(shí)間，確保煤礦用帶式輸送機(jī)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.1 采用常規(guī)型鋼設(shè)計(jì)絞車底座定位座

根據(jù)JH-8回柱絞車基準(zhǔn)層的拉力為80 kN，考慮一定的安全系數(shù)，對(duì)架體結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析后，采用國標(biāo)Q235材質(zhì)14#a（140×58×6）及16#a（160×63×6.5）槽鋼，Q235板材組焊成架體，并根據(jù)JH-8回柱絞車的底座設(shè)計(jì)定位孔的位置，確保絞車的安裝，絞車架體通過螺栓與兩側(cè)的倉體進(jìn)行連接，設(shè)計(jì)完成的絞車架體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 絞車定位架結(jié)構(gòu)圖

2.2 張緊倉體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

張緊倉體采用標(biāo)準(zhǔn)的DSJ系列儲(chǔ)帶倉架，保證在出現(xiàn)故障或其它情況的時(shí)候可以及時(shí)更換，有充分的互換性，即方便井下的日常維護(hù)、故障處理，又便于組織配件，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 絞車定位倉體整體結(jié)構(gòu)圖

3 架體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核及優(yōu)化

對(duì)設(shè)計(jì)的架體及各處進(jìn)行強(qiáng)度校核或者通過建立三維模型進(jìn)行有限元分析，確保設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)滿足皮帶運(yùn)輸?shù)氖褂靡?，并?duì)主要的連接螺栓進(jìn)行強(qiáng)度校核，確保強(qiáng)度及剛度滿足使用要求。

3.1 底架與側(cè)架連接螺栓強(qiáng)度的計(jì)算

底座架體與側(cè)架采用8件M16×45的螺栓連接，標(biāo)件螺栓采用的材料為Q235,屈服強(qiáng)度為235 MPa，絞車的拉力最大為80 kN，考慮1.2倍的安全系數(shù)，螺栓的最大受力按照80×1.2=96 kN，M16螺栓的橫截面接為201 mm2,總計(jì)有8顆螺栓承受剪切力的作用，通過計(jì)算剪切強(qiáng)度為：τ=96000÷1608=60 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于螺栓的屈服強(qiáng)度235 MPa，因此螺栓可以滿足使用要求。

3.2 絞車底座與架體連接螺栓的強(qiáng)度校核

采用8件M20的螺栓連接，標(biāo)件螺栓采用的材料為Q235,屈服強(qiáng)度為235 MPa，絞車的拉力最大為80 kN，考慮1.2倍的安全系數(shù)，螺栓的最大受力按照80×1.2=96 kN，M20螺栓的橫截面積為314 mm2, 總計(jì)有8顆螺栓受剪切力，通過計(jì)算剪切強(qiáng)度為：τ=96000÷2512=10 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于螺栓的屈服強(qiáng)度235 MPa，因此采用8件M20的螺栓完全滿足使用要求。

3.3 絞車底架的強(qiáng)度及剛度分析

強(qiáng)度的分析采用計(jì)算機(jī)輔助的方法，計(jì)算機(jī)技術(shù)在機(jī)械行業(yè)上的應(yīng)用主要包括CAD、CAE、CAM三類，三類軟件從產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析、輔助制造方面提供了一體化的智能服務(wù)。

3.3.1 軟件的使用范圍

3.3.1.1 CAD類軟件

CAD類軟件分為二維軟件和三維軟件。應(yīng)用較為廣泛的是二維類軟件，主要有AutoCAD、清華天河CAD、中望CAD、CAXA等，二維軟件對(duì)電腦性能的需求較低，一般主流電腦都可以順利運(yùn)行，此類軟件的應(yīng)用使工程技術(shù)人員從畫圖板紙質(zhì)制圖中徹底的解放了出來，使設(shè)計(jì)、修改、保存更為簡(jiǎn)單。這類軟件的學(xué)習(xí)、操作簡(jiǎn)單，但對(duì)設(shè)計(jì)者的機(jī)械理論知識(shí)有較高的要求，需要對(duì)理論力學(xué)和材料力學(xué)有一定的研究，通過力學(xué)的計(jì)算設(shè)計(jì)出符合性能需求的產(chǎn)品，并且對(duì)用戶來說不夠直觀，用戶讀懂圖樣需要一定的基礎(chǔ)。

三維設(shè)計(jì)軟件主要包括SolidWorks、Pro/E、UG、Catia，根據(jù)機(jī)械具體行業(yè)的不同選擇對(duì)應(yīng)的軟件，例如常規(guī)的機(jī)械設(shè)計(jì)多數(shù)企業(yè)選擇SolidWorks，模具行業(yè)更傾向于UG、Pro/E，汽車行業(yè)更多的注重Catia的曲面功能。

3.3.1.2 CAE類軟件

CAE(Computer Aided Engineering)指工程設(shè)計(jì)中的計(jì)算機(jī)輔助工程，指用計(jì)算機(jī)輔助求解分析復(fù)雜工程和產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，以及優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能等，把工程（生產(chǎn)）的各個(gè)環(huán)節(jié)有機(jī)地組織起來，其關(guān)鍵就是將有關(guān)的信息集成，使其產(chǎn)生并存在于工程（產(chǎn)品）的整個(gè)生命周期。而CAE軟件可作靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析、動(dòng)態(tài)分析；研究線性、非線性問題；分析結(jié)構(gòu)（固體）、流體、電磁等。機(jī)械行業(yè)常用的 CAE 軟 件 包 括 ANSYS、Abacus 及 SolidWorks simullation、ANSYS Workbench等。

ANSYS Workbench在核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、日用家電等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。ANSYS功能強(qiáng)大，操作簡(jiǎn)單方便，現(xiàn)在已成為國際最流行的有限元分析軟件，在歷年的FEA評(píng)比中都名列第一。本次的有限元分析采用ANSYS Workbench進(jìn)行分析。

因絞車架體為絞車?yán)Φ闹饕芰Σ考?，?duì)絞車的底架建立三維模型，通過ANSYS Workbench進(jìn)行有限元分析，查看在標(biāo)準(zhǔn)受力條件下架體的強(qiáng)度及剛度情況，焊縫采用不低于600 MPa的焊絲進(jìn)行焊接，并通過超聲波檢測(cè)對(duì)焊縫進(jìn)行缺陷檢測(cè)，確保焊縫無氣孔、未熔合、未焊透等缺陷，絞車定位架三維模型如圖4所示[1]。

圖4 絞車定位架三維模型

通過ANSYS Workbench的有限元分析，設(shè)定絞車的最大拉力為96 kN（1.2倍的系數(shù)），通過分析可以看出架體最大變形量為4 mm，位置主要在中間的2個(gè)槽鋼處，主要原因?yàn)閮蓚?cè)橫向的槽鋼彎曲；架體最大應(yīng)力為699 MPa，應(yīng)力集中點(diǎn)在兩端槽鋼結(jié)合處?？傮w來看剛度滿足使用使用要求，但強(qiáng)度不夠，兩端有塑性變形的危險(xiǎn)，需要對(duì)兩側(cè)槽鋼的局部強(qiáng)度進(jìn)行加強(qiáng)，以滿足使用條件，具體的變形分布圖如圖5所示，應(yīng)力分布圖如圖6所示[2]。

圖5 絞車定位架的變型有限元分析

圖6 絞車定位架的應(yīng)力有限元分析

通過架體強(qiáng)度和剛度的綜合分析可以看出，在縱梁2個(gè)端部為應(yīng)力及變形的集中點(diǎn)，因此需要通過增設(shè)加強(qiáng)板以提高強(qiáng)度、減小材料最大應(yīng)力。對(duì)于兩端的應(yīng)力集中點(diǎn)通過放大后可以看到其在型鋼的邊角位置，可以通過組焊時(shí)的焊縫進(jìn)行改善，即使不做處理，其強(qiáng)度及剛度也可以滿足使用條件的要求，應(yīng)力分布如圖7所示。

圖7 絞車定位架應(yīng)力有限元分析的最大受力點(diǎn)

3.4 絞車底架的優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過以上的分析，對(duì)強(qiáng)度及剛度薄弱處進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在兩側(cè)分別加設(shè)10 mm厚的Q235鋼板，以提高結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力處的強(qiáng)度，降低應(yīng)力值，并且可以改善材料的受力情況，改進(jìn)后的絞車架結(jié)構(gòu)三維模型如圖8所示[1]。

圖8 改進(jìn)后的絞車架的三維模型

通過建立三維模型及ANSYS Workbench有限元分析，變形及應(yīng)力分布圖如圖9所示，通過分析結(jié)果可以看到，架體的最大變形量從4 mm降到了2 mm，結(jié)構(gòu)主要受力部分材料應(yīng)力從517 MPa降低到了130 MPa（對(duì)于兩端的應(yīng)力集中的邊角位置，通過焊縫的補(bǔ)充可以達(dá)到消除的目的），架體整體滿足使用要求，結(jié)構(gòu)從強(qiáng)度及剛度方面都滿足了使用要求，并且架體較原設(shè)計(jì)增加的質(zhì)量為1.5 kg，在合理范圍內(nèi)[2]。

圖9 改進(jìn)后絞車定位架的變型及應(yīng)力的有限元分析

3.5 優(yōu)化后絞車架體的整體安裝結(jié)構(gòu)

優(yōu)化后的絞車架體整體結(jié)構(gòu)安裝如圖10所示，本設(shè)計(jì)消除了之前在巷道地面打基礎(chǔ)存在的安裝、拆除、維護(hù)時(shí)存在的諸多缺點(diǎn)，并且已在多套帶式輸送機(jī)上進(jìn)行了應(yīng)用，得到了用戶的一致好評(píng)[3]。

圖10 改進(jìn)后的絞車定位架結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)語

通過分析用戶的使用條件對(duì)絞車底座的定位結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)及優(yōu)化，并且通過具體的工況進(jìn)行了有限元分析，在保證使用要求的前提下，充分核實(shí)結(jié)構(gòu)的受力條件，確保設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)最佳的性價(jià)比，提高客戶的滿意度，便于井下的使用及維護(hù)，通過我公司2020年至2021年生產(chǎn)的12臺(tái)DSJ系列皮帶機(jī)配置的絞車裝置的使用反饋情況來看，整體使用效果較好。

通過結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化，消除了原設(shè)計(jì)存在的安裝、拆除、維護(hù)中問題，使煤礦用帶式輸送機(jī)產(chǎn)品更能符合用戶的需求，有更好的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)也為保證煤礦企業(yè)的正常生產(chǎn)及快速維護(hù)提供了充分的保障。

有限元分析方法在市場(chǎng)上的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中已廣泛的應(yīng)用，其利用微積分的原理，對(duì)結(jié)構(gòu)件先進(jìn)行微分無限分割，再根據(jù)微分之間的關(guān)系進(jìn)行積分處理，可以得到極為精確的結(jié)果，本案例如果采用計(jì)算的方法，需要設(shè)計(jì)者掌握較深的材料力學(xué)、理論力學(xué)、彈性力學(xué)的知識(shí)，并且得到的結(jié)果是離散的，但是通過專業(yè)的有限元分析軟件得到的結(jié)果是完全連續(xù)的，可以通過探針功能得到空間任意一點(diǎn)的應(yīng)力及變形情況，在類似的工程問題中可以得到有效的推廣運(yùn)用。

目前僅對(duì)需要改進(jìn)的底座架體進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，沒有全面地對(duì)煤礦用帶式輸送機(jī)各處的結(jié)構(gòu)件進(jìn)行整體的分析優(yōu)化，后面需要對(duì)整套煤礦用帶式輸送機(jī)的系統(tǒng)進(jìn)行分析優(yōu)化。

在制造類企業(yè)面向市場(chǎng)之后，面對(duì)的是國內(nèi)外同類企業(yè)激烈的競(jìng)爭(zhēng)，在保證產(chǎn)質(zhì)量、優(yōu)質(zhì)的售后服務(wù)的前提下，還需要設(shè)計(jì)出能夠滿足用戶需求、產(chǎn)品投入的材料能夠?qū)崿F(xiàn)更佳的性價(jià)比，這就需要加強(qiáng)與用戶的溝通，了解用戶的需求，轉(zhuǎn)變?cè)械脑O(shè)計(jì)思路，并對(duì)新設(shè)計(jì)進(jìn)行全面的校核分析，在滿足使用求的前提下，實(shí)現(xiàn)最佳的性價(jià)比，在設(shè)計(jì)的生產(chǎn)過程中結(jié)合用戶的需求及使用條件不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇和工藝流程，既最大限度地滿足客戶的使用要求，又實(shí)現(xiàn)企業(yè)的最大效益。