DTIIA 型礦用帶式輸送機機架結構強度的分析及計算程序的設計

徐 莽

（同煤集團永定莊煤業公司質運科， 山西 大同 037024）

引言

隨著國家綜合國力的不斷提升，對煤礦資源的需求量也呈逐漸增長趨勢。帶式輸送機作為煤礦開采中的關鍵設備，保障其設備具有較高作業效率及作業安全成為當前煤礦企業的重點任務[1]。然而，由于井下環境的復雜性及惡劣性，導致帶式輸送機在運行過程中極容易出現各類故障問題，包括皮帶磨損嚴重、皮帶斷裂、電機短路等故障問題，特別是機架作為整個帶式輸送機上的關鍵部件，在其使用中極容易出現結構變形或結構開裂現象，這對帶式輸送機的作業安全及工作效率造成了嚴重影響[2]。結合帶式輸送機的實際作業環境，對其結構進行優化改進設計顯得十分必要，而保障機架的整體結構性能是其關鍵。由此，以DTIIA 型礦用帶式輸送機中機架為分析對象，通過建立機架的仿真模型，開展了機架的結構強度分析，并提出了機架的結構改進措施及建立了機架的受力情況計算程序，這對保證機架的結構強度及設計高效性具有重要意義。

1 機架模型的建立

1.1 三維模型的建立

根據DTIIA 型礦用帶式輸送機的結構特點，為進一步對其設備中的機架性能進行分析研究，采用SOLIDWORKS 軟件，對機架進行了三維模型建立。在該軟件中，主要對機構的立柱、斜支撐、橫向拉桿等零件進行模型建立，由于該些零件主要由槽鋼、H型鋼組成，為提高后期機架的網格質量及仿真精度，對型材上的過渡圓角及倒角進行了模型簡化，并對機架上用于連接的圓孔進行了省略，由此，完成了機架的三維模型。

1.2 仿真模型的建立

將建立的機架三維模型導入至ABAQUS 軟件中，對其進行仿真模型。由于機架主要由各類型材料焊接而成，在實際使用中采用的是Q235 材料[5]，故在軟件中對其進行了Q235 材料設置，該材料的主要性能參數如表1 所示。同時，根據機構的結構特點，對其進行了4 面體網格劃分，網格大小設置在10～15 mm 范圍內，可根據各零件的結構形式進行設置，最終網格單元數量為125 074 個。另外由于機架主要為焊接結構，為提高仿真結果的精度，對機架中的焊縫進行省略，將各零件之間進行剛性連接。由于機架被直接安裝在地面上，故對機架底部的4 個支撐座進行了固定約束，并在機架立柱上添加向下的重力。由此，完成了帶式輸送機機架的仿真模型，如圖1所示。

表1 機架Q235 材料主要性能參數

圖1 機架網格劃分圖

2 機架結構強度的分析

圖2 機架應力變化圖（單位：Pa）

圖3 機架結構位移變化圖（單位：m）

結合建立的帶式輸送機機架仿真模型，對其進行了結構性能的仿真分析研究，得到其結構應力及位移變形仿真結果，如下頁圖2、圖3 所示。由圖2 可知，機架的整體結構出現了應力分布不均勻現象，在機架的下部位及底座上均出現了較大的應力集中現象，以立柱上的應力值最大；而沿立柱上端方向，應力值呈逐漸減小的變化趨勢。同時，由圖3 可知，機架整體結構也出現了不同程度的結構位移變化，其中，立柱中部及斜支撐上的位移變形相對較大，而立柱頂部及底座上的應力值則相對較小。由此可知，機架在使用過程中，其立柱是整個結構的薄弱部位，在長時間使用中，極容易導致立柱出現率先結構失效現象，對帶式輸送機的作業安全構成了嚴重威脅。

綜上分析，在后期機架設計及使用過程中，可考慮選用更大規格的立柱型號，或在現有立柱基礎上增加加強筋、支撐板等結構，以此來增加立柱及機架的強度和剛度。同時，在機架立柱的較大應力集中部位周邊開設較小直徑的圓孔，可有效將集中的應力進行快速轉移和緩解，以此提高機架的結構強度；另外，在使用中需加強對機架使用情況的定期跟蹤，針對出現故障問題時，需及時采取相應的維護保護措施，保證機架的作業安全。

3 機架受力計算程序的設計

結合前文對機架的仿真結果分析可知，在機架設計過程中，不同規格、不同型號的帶式輸送機需根據現場實際使用情況進行設計，而更加高效、快速地完成對機架受力情況的分析計算，成為保證帶式輸送機安全作業的關鍵[6]。由此，采用了ANSYS 軟件中的APDL 語言，結合VB 中的語言界面，編寫了一套用于機架受力計算的程序，其計算程序主業圖如圖4 所示。由圖可知，該機架計算程序中包括了機架類型選擇、帶式輸送機基本參數輸入，可快速將機架上各桿的受力情況、鋼材型號推薦、地腳螺栓受力情況進行結果輸出，同時對機架進行有限元仿真分析。其中，基本參數輸入包括了帶式輸送機的皮帶寬度、輸送機型號、皮帶速度、輸送機張力等，完成參數輸入后，點擊保存，開始對機架受力情況進行分析。該計算程序的設計，大大縮短機架的設計周期，有效保證了機架的結構強度及剛度。

圖4 機架受力情況計算界面圖

4 結論

根據機架不同作業環境的特點，不斷采用更加先進的計算技術、仿真技術對機架進行結構性能分析，是當前保障帶式輸送機作業安全的關鍵。因此，結合DTIIA 型礦用帶式輸送機機架的結構性能特點，通過建立機架的仿真模型，找到在使用中極容易率先出現結構失效現象的整個結構的薄弱部位，由此提出機架結構強度的改進措施和編寫機架受力計算的程序，以提高機架的結構性能、保障所設計的機架具有更高安全性。