自移機尾式帶式輸送機機架結構的分析優化

王嘉瑋

（晉能控股煤業集團煤峪口礦，山西 大同 037003）

引言

在煤礦的自動化開采過程中，帶式輸送機是進行煤炭輸送的主要設備，可以依據礦井巷道的位置、地形進行布置，實現煤炭的高效輸送。隨著煤礦綜采技術的快速發展，巷道開采的速度不斷加快，消耗的回采巷道的數量不斷上升，對巷道掘進的效率提出了較高的要求。由于采掘比的失調，容易造成煤礦整體效率的降低，不利于煤礦的經濟效益增長。采用自移機尾式帶式輸送機，配合轉載機的方式替代傳統的帶式輸送機，可以提高自移機尾對不同巷道的適應性，進一步提高帶式輸送機進行巷道布置的效率，從而提高巷道掘進的效率，緩解采掘比失調的問題。自移機尾式帶式輸送機的中間架結構是進行煤炭輸送的主要的承載結構，承受的載荷作用復雜，對其承載的能力具有較高的要求。采用數值模擬的形式對中間架的結構進行分析，從而保證其承載能力，提高機架的適應性及可靠性，保證設備的穩定運行。

1 自移機尾式帶式輸送機中間架分析模型的建立

自移機尾式帶式輸送機整體帶有動力裝置，可以實現整機的提升、推移及位置調整，主要由動力單元、機尾及中間架三部分構成。中間架承受煤炭輸送的載荷作用，且為轉載機提供搭接的支撐，承受的載荷作用較大。

依據中間架的結構建立三維模型，在建模過程中，對中間架的結構進行一定的簡化處理，對圓角、倒角、固定筋板等結構進行簡化，這樣可以提高網格劃分的精度及計算的速度，提高分析效率，在模型中假設焊接位置處的強度與材料內部的強度一致，并對架體結構件的圓角及螺紋孔等零件強度、剛度的影響忽略，經過建模得到中間架的模型如圖1所示。

將建好的三維模型導入到仿真模擬軟件ANSYS中，啟動workbench，將模型導入。對模型進行網格劃分處理，網格劃分的質量對計算分析的過程具有重要的影響，網格的密度越高則計算的準確性越高[1]，但會造成計算過程的耗時較長，因此只對主要的承載面進行網格的細密劃分，非主要的分析面上網格較為粗大，采用自由網格的形式對中間架進行網格劃分，得到機架結構的網格劃分模型，并對其進行網格無關性驗證[2]。

圖1 中間架機架結構模型

中間架在工作過程中通過固定耳進行吊裝轉移，支腿支撐在地面上，因此對支腿位置施加固定約束，固定耳處進行載荷的施加。機架結構在工作過程中主要受到自身的重力作用、輸送的煤炭及輸送帶帶來的壓力[3]、轉載機通過搭接小車帶來的壓力作用及推移過程中受到的拉力作用。煤礦進行煤炭輸送的過程為連續輸送，機架受到的拉力作用為設備在最大傾斜角度工作時滿載狀態下重力作用的分量與受到的行走阻力作用之和。機架結構采用Q235A碳素結構鋼進行焊接而成[10]，設定模型的材質參數，其密度為7 852 kg/m3，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3，屈服強度為235 MPa，對其應力及位移變形進行數值模擬。

2 自移機尾式帶式輸送機中間架結構的分析

2.1 機架結構的應力分析

圖2 中間架結構的應力分布云圖

依據建立的模型，對自移機尾式帶式輸送機的應力進行數值模擬，得到中間架機架的應力分布如圖2所示。從圖2中可以看出，在中間架的結構中，機架架體托輥的支撐結構及搭接小車軌道的位置處受到的應力作用較小，均小于50 MPa，小于材料的屈服極限235 MPa，在材料的許用應力范圍之內；中間架機架的提升固定耳處受到的應力作用最大，最大應力作用為143.9 MPa，固定耳處的應力值同樣小于材料的屈服極限，機架的強度滿足系統的使用需求。同樣可以看到，中間架架體的固定耳處產生一定的應力集中作用，這是由于自移機尾工作的過程中，中間架體通過提升固定耳處的位置實現整體的移動，受到的彎矩作用較大，造成一定的應力集中作用[5]。應力集中的存在，不利于機架的使用壽命，應針對固定耳處的結構進行一定的結構優化，減小應力集中的作用。

同時，在機架的應力分布中，在支撐立柱與橫梁相連接的位置受到的應力作用也較大，這是生產過程中進行焊接加工的位置，應特別注意此處焊縫的質量，并對焊縫進行整體的噴砂處理，釋放焊接應力，避免焊縫受到的應力過大，產生脫焊等故障，影響機架的使用壽命。

2.2 機架結構的位移變形分析

依據建立的模型，對自移機尾式帶式輸送機的位移變形進行數值模擬，得到中間架機架的整體位移變形分布如圖3所示。從圖3中可以看出，中間架架體的最大位移變形為1.262 mm，最大位移變形位于中間架的連接耳及滑靴的位置處，這是由于機架在受到拉力作用時，架體的連接耳處受到的拉力作用最大，同時此處距離中間架架體的固定底座耳的位置較遠，受到位移疊加的影響，造成此處的整體位移最大。最大的位移量相對機架的整體尺寸較小，滿足機架結構的剛度使用需求。

圖3 中間架結構的整體位移分布云圖

對中間架結構的主方向Z向位移變形進行分析，得到Z向的位移分布如圖4所示。從圖4中可以看出，中間架的架體Z向最大位移位于4組底座固定耳位置處，這是由于此處受到的應力作用最大，最大應力值為0.055 mm，滿足機架結構的使用需求。

圖4 中間架結構的Z向位移分布云圖

3 結論

自移機尾式帶式輸送機配合轉載機的使用能夠在煤礦巷道掘進的過程中，通過自身動力的位置移動調整，提高帶式輸送機的布置效率，從而提高巷道的掘進效率，改善煤礦采掘比失調的問題。在自移機尾式帶式輸送機工作的過程中，中間架受到的載荷作用較為復雜，對其結構性能具有較高的要求。采用有限元模擬仿真的形式對中間架的結構進行建模分析，結果表明：中間架的固定座耳受到的應力及彎矩作用最大，產生一定的應力集中現象，應對固定座耳的結構進行一定的優化，減小應力集中的作用；機架結構的整體應力值較小，滿足系統的強度需求；中間架結構的最大位于中間架的連接耳及滑靴的位置處，位移值相對機架結構的尺寸較小，滿足系統的剛度需求。對中間架進行焊接加工的過程中，要保證焊縫的質量，并對焊縫進行去應力處理，提高設備的使用壽命，提高煤礦的綜合效益。