提高帶式輸送機機架穩定安全性的模態分析

杜文宇

（晉能控股煤業集團梵王寺煤礦籌備處， 山西 朔州 036002）

引言

帶式輸送機是煤礦生產中廣泛使用的物料輸送裝置，可以滿足煤礦生產中長距離、大規模的煤炭輸送。帶式輸送機結構簡單，易于布置，輸送過程中運行平穩、能耗小，且便于進行維修保養，對煤礦的連續穩定輸送具有重要的作用。帶式輸送機在井下的工作環境復雜，受到的載荷作用復雜多變[1]，特別是在帶式輸送機的啟停階段，容易引起帶式輸送機的振動。在長距離的輸送過程中，輸送帶也容易引起振動作用，對帶式輸送機的結構造成一定的沖擊。帶式輸送機的機架對滾筒起到支撐作用，機架結構的穩定性對帶式輸送機的運行起到重要的作用[2]。系統運行過程中受到的各種載荷引起的振動作用接近機架的固有頻率時，會引起機架的共振，使得帶式輸送機的振動作用加強，加劇機架及滾筒的疲勞破壞，影響帶式輸送機的安全性[3]，不利于煤礦的正常生產工作。采用有限元數值分析的方式對帶式輸送機機架進行模態分析，分析機架的固有頻率及振型，從而可以調整工作頻率，避免引起共振現象，提高帶式輸送機機架的安全性，保證帶式輸送機運行的穩定性，提高帶式輸送機的使用壽命。

1 帶式輸送機機架分析模型的建立

以帶式輸送機的頭架為例進行機架結構的穩定性分析，機架的結構振動可以看做由多個自由度組成的系統，每個自由度有各自獨立的物理坐標進行描述，在線性的范圍內，將多個主振動線性進行線性疊加[4]，每個主振動都有各自特定形態的自由振動形式。系統振動的頻率則稱之為系統的固有頻率，系統振動的形態則稱之為系統的模態[5]。機架系統的固有頻率及振型與機架自身的結構相關而與外載荷作用無關。機架結構的固有頻率越高，則說明單位質量的剛度越高，提高機架結構的剛度，則可以提高機架的固有頻率[6]，使其動態性能更好。

采用有限元分析軟件ANSYS 進行帶式輸送機頭架的模態分析，首先建立機架的三維模型，在建模過程中，對機架的結構進行一定的簡化處理，僅保留主體的結構及尺寸進行建模，這樣既可以減小建模的工作量，也可以提高后續計算的效率，減輕對計算機算力的要求。

依據帶式輸送機的頭架結構，選取槽鋼結構件進行機架結構的快速建模，將模型導入ANSYS 中進行網格的劃分處理[7]。由于帶式輸送機機架由多根桿件結構組成，形狀不規則，采用自由網格的形式對其網格劃分處理，得到機架的網格模型如圖1 所示，共計得到單元網格為128 515 個，節點數為247 580。

圖1 帶式輸送機機架網格模型

機架結構的材料采用Q235 碳素結構鋼，設定其分析參數彈性模量為210 GPa，泊松比為0.25。在帶式輸送機運行過程中，機架固定在地面上，設定機架受到固定約束的作用，固定機架與地面的連接點[8]。機架出現不穩定的狀態時的固有頻率稱之為薄弱模態，一般情況下，薄弱模態多出現在低階模態，對帶式輸送機機架進行模態分析，對前十階固有頻率及振型進行分析。

2 帶式輸送機機架模態分析結果

對帶式輸送機機架的模態進行分析，對前十階的固有頻率及最大振型列舉見下頁表1，機架前三階振型分布如下頁圖2 所示。

圖2 帶式輸送機機架模態分析振型

表1 帶式輸送機機架的固有頻率及最大振型

針對機架振型的結果進行分析，一階振型的最大變形發生在立桿位置，立桿發生左右擺動的變形；二階振型的最大變形發生在上連接桿位置，發生前后擺動，且左右斜桿的變形呈擴張收縮狀態；三階振型的最大變形發生在斜桿位置，發生左右擺動；四階振型的最大變形發生在上連接桿[9]，發生大幅的前后擺動，且斜桿存在著一定的異向彎曲；五階振型的最大變形發生在斜桿及上連接桿，上連接桿發生扭轉變形；六階振型的最大變形發生在下連接桿，發生上下擺動；七階振型的最大變形發生在立桿及斜桿，立桿產生左右同向的彎曲變形，斜桿發生扭轉變形；八階振型的最大變形發生在斜桿、下橫桿，產生扭轉變形；九階振型的最大變形發生在下橫桿，產生左右同向的彎曲變形；十階振型的最大變形發生在下橫桿，產生扭轉變形。

通過上述的分析可知，在機架的二階、四階、五階及七階模態時上連桿發生較大的彎曲或者扭轉變形，在六階模態時，下連桿發生較大的彎曲變形。在帶式輸送機的運行過程中，上下連接桿對機架起到連接作用[10]，使頭架結構作為一個整體，不承受載荷作用，連接桿的變形對帶式輸送機運行的穩定安全性影響不大。

在機架的一階、五階、七階及九階模態時，立桿發生擺動或者彎曲變形，立桿作為主要的承載部件，承受滾筒及輸送帶的載荷，對立桿的變形要進行重點關注。立桿的彎曲變形，容易造成滾筒的位置偏差[11]，對輸送帶的運行造成波動，立桿的擺動會引起輸送帶的跑偏，造成輸送帶的磨損加劇，影響帶式輸送機的穩定運行。

在機架的三階模態時，斜桿發生擺動變形，在五階、七階、八階、九階模態時，發生彎曲變形，斜桿與立桿焊接在一起，斜桿與立桿發生彎曲扭轉變形時，容易造成焊接處的失效，造成帶式輸送機運行穩定安全性的下降[12]。對機架結構來說，應避免受到五階到九階相近的頻率作用，即89.37～119.69 Hz 間的外在頻率容易引起共振，影響帶式輸送機的安全穩定運行。

機架的彎曲機扭轉變形是影響帶式輸送機機架動態性能的關鍵因素，低階振型對帶式輸送機的結構質量影響較大，高階振型主要受到外部振源的影響，對帶式輸送機的動態性能產生影響。如帶式輸送機的啟停過程中造成的輸送帶的波動，這種振動具有隨機性，容易引起機架的共振，應采取軟啟動制動裝置，增加帶式輸送機運行的穩定安全性。

3 結語

帶式輸送機是進行煤礦輸送的重要設備，在井下的復雜環境下，帶式輸送機受到多種載荷的沖擊作用，容易引起帶式輸送機的振動，當接近機架結構的固有頻率時，則會引起共振，造成帶式輸送機的變形增加，疲勞壽命縮短，影響運行的安全穩定性。針對帶式輸送機的頭架結構，采用ANSYS 有限元分析的形式，對帶式輸送機頭架結構進行模態分析，通過前十階振型的分布得出立桿和斜桿的變形容易造成帶式輸送機的破壞，應避開89.37～119.69 Hz 的工作頻率，從而避免引起共振，提高帶式輸送機運行的穩定安全性。