帶式輸送機不銹鋼機架結構有限元分析

李明雷，張德岳，謝振華，劉亞楠

(1.大連鹽化集團有限公司，遼寧大連 116309；2.中鹽工程技術研究院有限公司，天津 300450)

1 前言

帶式輸送機具有結構簡單、能耗低、工作阻力小、貨載的破碎性小、耗電量低、管理維護方便等許多優點，在潮濕、塵土等惡劣環境下實現連續傳送，在國內各行業應用廣泛[1]。考慮制造成本、機械強度等因素，帶式輸送機的機架一般選用優質碳素結構鋼，已經積累了很多經驗。

大連鹽化集團有限公司(以下簡稱“公司”)現設計一臺帶式輸送機裝卸原鹽，由于原鹽具有強烈的腐蝕性，因而選用304不銹鋼制造輸送機機架。在傳統的機架結構設計計算中，一般根據材料力學、結構力學等進行設計和校核。這種設計方法只能對危險截面計算校核，計算精度受到限制[2]。

文章采用有限元方法計算機架的受力和變形情況。先在SolidWorks平臺建立機架三維模型，然后分析受力條件后施加載荷，其次劃分網格，最后計算機架受力情況。計算后得到機架應力云圖和應變云圖，分析受力和變形規律，為機架結構優化設計提供理論依據。

2 機架三維模型建立

公司設計的輸送機長度30 m，寬度1 m，輥筒電機功率18.5 kW，輸送量1 000 t/h，帶速3 m/s。輸送機下部焊接固定在旋轉盤上，屬于完全固定結構。根據設計選型手冊[3]，輸送機機架主梁用75×8的角鋼等邊角鋼，連接筋用63×8等邊角鋼，下支撐用18A槽鋼，然后用連接板焊接而成。用三維建模軟件SolidWorks建立三維實體模型，如圖1所示。

圖1 機架三維模型Fig.1 Three-dimensional model of the transmisson frame

3 機架載荷分析與計算

機架所有材料使用304不銹鋼，材料特性為彈性模量Ex=1.9×106MPa，泊松比μ=0.305，許用應力[σ]=135 MPa，密度ρ=7.85×103kg/m3。在機架上輸送鹽重量為3 t，假設均勻分布在機架長度上，動載荷為F=100 N/m。計算中考慮機架自重，取重力加速度G=9.81 m/s2。

機架傾斜放置，中間支撐焊接在轉盤上，一端帶滑輪與地面接觸，另一端懸臂在空中。機架的中間支撐焊接在旋轉盤，3個方向的位移自由度都被約束。機架一端與地面接觸，可以滑動，只有Y方向的自由度被約束。機架另一端沒有支撐，是懸臂梁結構。機架受力和固定情況如圖2所示。

圖2 機架的受力分析Fig.2 The force analysis of transmisson frame

SolidWorks Simulation是一個與SolidWorks完全集成的設計分析系統，提供了單一屏幕解決方案來進行應力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析和優化分析。SolidWorks Simulation憑借著快速解算器的強有力支持，可讓設計員能夠使用個人計算機快速解決大型問題。SolidWorks Simulation為了體現設計仿真一體化的解決方案，在無縫集成界面做了創造性的改變，將仿真界面，仿真流程無縫融入到SolidWorks的設計過程中。SolidWorks Simulation可以直接使用SolidWorks建立的三維模型。它網格化會創建 3D 四面實體單元、2D 三角形殼體單元及1D橫梁單元，前處理和后處理比其他CAE軟件方便簡單。三維模型建成后，SolidWorks Simulation可根據零件情況自動選擇單元模型并劃分網。單元格越小，劃分的越精細，單元數也會越多，計算量也就越大，計算所需時間越長。選用其默認的網格劃分精度可以滿足一般的設計要求。網格由一種類型單元組成，除非指定了混合網格類型[4]。計算中自動選擇適合衍架結構的193橫梁單元，單元最小51.31mm。計算模型選擇靜應力分析，不需要局部細化網格。以上設置完成后，運行此算例。

4 計算結果分析

在SolidWorks Simulation有Direct Sparse解算器、FFEPlus(迭代)兩個計算器，對于一般計算自動選擇Direct Sparse解算器。Direct Sparse解算器使用精確的數字方法求解方程式，可用于靜態、熱力、頻率、線性動態和非線性算例，計算機可用內存足夠多時速度較快。計算后，得到等效應力分布圖如圖3所示，位移云圖如圖4所示。

圖3 等效應力云圖Fig.3 The nephogram of equivalent stress

圖4 位移云圖Fig.4 The nephogram of displacement

從圖3等效應力云圖可以看出，最大應力出現在帶式輸送機懸臂段的根部，且最大應力達到108 MPa。帶式輸送機另一端由于接觸地面，其根部最大應力較小為93 MPa。因此在制造過程中，要嚴格控制懸臂段根部焊接質量，避免微孔、裂紋和虛焊等缺陷，防止在以后使用中產生疲勞斷裂。設計人員可將傾斜支撐段適當加長，稍微向外延伸，減小根部應力集中。機架使用304不銹鋼焊制，其屈服強度為[σs]=205 MPa，最大應力小于材料的許用應力，安全系數1.52，符合設計要求。

從圖4位移云圖可以看出，最大位移出現在帶式輸送機懸臂段的頭部，且最大位移達到43.5 mm。根據相關國家標準[5]，懸臂機架最大變形量Dmax=L/300，其中L是懸臂長度二倍，計算得最大允許變形量[δ]=100 mm。因此，比較后可知，輸送機機架不會失穩。但是，設計中選用輸送帶長度時，需要考慮機架較大的變形量，安裝輸送帶脹緊裝置。

5 結論

用SolidWorks建立帶式輸送機機架三維模型，然后用SolidWorks的有限元分析插件SolidWorksSimulation進行靜力學分析，進而從理論上得到機架在工作狀態下的應變、位移等情況。設計者可直接觀察機架三維等效應力云圖和位移云圖，得到受力的危險位置，從而優化機架結構。為帶式輸送機機架是設計提供了參考。