帶式輸送機機架結構的優化分析

趙成龍

（晉能控股煤業集團高山煤業有限公司， 山西 大同 037000）

引言

帶式輸送機是進行物料輸送的常用設備，具有輸送距離長、效率高的優點，在煤礦等長距離大運量的輸送中具有廣泛的應用。隨著煤炭生產效率的不斷提升，對帶式輸送機運行速度及運載量的要求不斷提高[1]，使得帶式輸送機的機架結構尺寸及重量也不斷增加，以滿足使用需求。由于傳統的設計方法常依據經驗設計，對帶式輸送機的性能分析不足，容易造成帶式輸送機機架結構的冗余[2]，不能充分發揮材料的性能，造成一定的浪費。針對帶式輸送機的機架結構，采用計算機優化設計的方式對其結構進行優化，在滿足使用性能的同時以求降低機架的重量[3]，從而降低帶式輸送機的生產制造成本，提高煤礦輸送的經濟效益。

1 帶式輸送機機架結構優化步驟

采用有限元分析軟件ANSYS 對帶式輸送機的機架結構進行優化設計及分析，在進行機架結構優化設計的過程中，ANSYS 依據分析- 評估- 修正的循環過程對結構不斷進行評估及循環修正，從而得到機架結構的最優解[4]，實現優化設計。ANSYS 中提供了兩種方法實現結構的優化設計，即零階方法和一階方法，一階方法的優化設計基于目標函數對設計變量的敏感程度進行計算[5]，適用于精確的優化分析。機架的結構較大，采用零階方法進行優化分析。

以某型號的帶式輸送機為例，結合機架的結構進行優化設計。帶式輸送機的機架結構多通過槽鋼、H型鋼及鋼板等組合焊接而成[6]，槽鋼及鋼板主要起到連接及加強支撐的作用，所使用的量遠小于H 型鋼，針對H 型鋼的使用進行優化設計。選取H 型鋼的長度（L）、高度（H）、厚度（B）及側邊的寬度（w）為設計變量，如圖1 所示。設計變量作為輸入的參數，其最大值及最小值決定了變化的范圍，ANSYS 計算過程中在指定的設計變量范圍內進行尋優。

圖1 H 型鋼設計變量示意圖

對機架的優化分析確定約束條件，在進行零階優化的過程中，可以將約束條件分為性能約束及邊界約束，性能約束即以機架的強度、剛度等為約束條件，邊界約束即以機架設計變量的尺寸為邊界條件進行約束。約束條件又可分為等式約束及不等式約束，帶式輸送機的機架結構采用不等式約束、性能約束及邊界約束相結合的方式，機架結構選用的材質為Q235A，其許用應力為113 MPa，因此設定機架的應力約束條件為σ≤[σ]=113 MPa。

依據選用的H 型鋼的結構尺寸，設定優化的邊界約束條件為[10]：250 mm≤L≤432 mm；250 mm≤H≤498 mm；9 mm≤B≤45 mm；115 mm≤w≤200 mm。

對機架的結構進行優化設計，依據所選定的設計變量及約束條件，確定優化設計的目標函數。目標函數反映設計變量之間的相互關系，直接評價機架結構優化的優劣程度，在ANSYS 零階優化中，有且只能有一個目標函數。以帶式輸送機機架的重量作為優化設計的目標函數，其表示如式（1）：

式中：ρ 為H 型鋼的密度；g 為重力加速度；V 為構件的體積。

2 帶式輸送機機架結構優化結果及分析

2.1 帶式輸送機機架結構優化結果

采用ANSYS 零階優化設計的方法，確定了設計變量、約束函數及目標函數，設定循環迭代10 次進行優化設計，所選用的H 型鋼的初始尺寸為：

在ANSYS 中進行優化計算，圖2 為在循環迭代過程中設計變量L 的變化曲線，圖3 為在循環迭代過程中目標函數的變化曲線。

圖2 設計變量L 的變化曲線

圖3 目標函數的變化曲線

從圖2 中可以看出，在優化迭代的過程中，設計變量L 呈反復震蕩的變化趨勢，隨著迭代次數的增加，L 的參數逐漸變小呈收斂狀態，其他設計變量的變化曲線不再列出。從圖3 中可以看出，在尋優計算的過程中，目標函數的變化曲線也呈一定的上下波動的變化，隨著迭代次數的增加，目標函數的值不斷減小，得到進行優化分析的最小值。

依據優化分析的結果，可以得到多組的優化數據，由于H 型鋼的尺寸標準，依據近似原則，將所得到的優化結果與H 型鋼的尺寸標準進行對比，得到優化分析的結果為：

經過優化計算后得到H 型鋼進行機架的設計，相對初始的參數，可使機架的質量降低33%，經過優化設計，達到了降低重量的作用，對優化后的機架的性能進行進一步分析。

2.2 帶式輸送機機架優化結構應力分析

依據優化的H 型鋼參數對帶式輸送機機架進行建模，將模型導入到ANSYS 中進行機架結構的應力分析。機架結構選用的材質為Q235 碳素結構鋼，設定彈性模量為206 GPa，泊松比為0.305。由于機架結構的尺寸較大且結構復雜，采用自由網格的形式，設定單元尺寸為0.01 m 進行網格劃分處理。

在ANSYS 中限定機架底部3 個方向的平移及轉動的自由度，機架主要受到驅動滾筒的作用力，對模型進行加載，對機架受到的應力作用進行分析。經過計算，得到機架的應力分布如圖4 所示。從圖4 中可以看出，經過優化設計后的帶式輸送機機架受到的最大應力位于立柱與斜支撐相互連接的位置處，最大應力值為22.8 MPa，小于材料的許用應力，滿足系統的使用需求。

圖4 優化后的機架應力（Pa）分布

通過上述分析可知，對帶式輸送機的機架結構采用零階方法進行優化設計，可使機架的質量降低33%，對優化后的機架進行應力分析，機架所受到的最大應力作用僅為22.8 MPa，遠小于材料的許用應力。這說明，經過優化設計的帶式輸送機機架在滿足應力使用的基礎上，可顯著降低設備的重量，能夠充分發揮材料的性能。

3 結語

帶式輸送機是煤炭輸送的重要設備，機架作為帶式輸送機的主體結構，隨著煤炭開采效率的不斷提高，對帶式輸送機的性能提出了更高的要求，機架的結構也隨之變得粗大，增加了帶式輸送機的生產制造成本。采用ANSYS 零階方法對機架的結構進行優化設計，選定H 型鋼的尺寸作為設計的變量，以機架的重量作為目標函數，設定相應的性能及邊界約束條件，對帶式輸送機機架進行優化設計。經過優化設計后，對帶式輸送機機架進行建模分析，結果表明，經過優化設計的機架所受到的最大應力值遠小于材料的許用應力，滿足系統的使用需求，同時可使機架的質量降低33%，可有效降低帶式輸送機機架的重量，發揮材料的性能，降低機架生產制造的成本，提高帶式輸送機的綜合經濟效益，更好地進行煤礦的輸送。