梭式皮帶布料機堵料工況動態特性分析

廖湘輝，趙 楚，韋仕龍，席明龍

（三峽大學機械與動力學院，湖 北 宜昌 443002）

0 引 言

梭式皮帶布料機是水利水電工程施工中一種重要的施工機械。桁架作為布料機的主要構架，其結構強度和剛度決定著布料機的工作可靠性和安全穩定性。因此，對布料機整體桁架結構進行力學分析是布料機安全設計中一項極為重要的工作。目前對布料機采用的分析方法都只是進行靜力學分析，得到其整機變形和應力分布結果，但當布料機發生堵料時，其實際承受的是時間-歷程沖擊載荷，在沖擊載荷作用下布料機的受力十分復雜，變形和應力都會增大，將處于更加危險的狀態。故在靜力學分析中得到的結果并不真實，有必要利用瞬態分析模塊對其進行進一步的分析計算。

本文利用ANSYS軟件對梭式皮帶布料機進行整體建模，所建模型參數見文獻[1]，該布料機立柱總高21.96 m、最大布料半徑為22 m，主要針對其伸縮臂桁架的強度和變形進行靜力學分析、瞬態動力學分析，以驗算其結構強度和變形能否滿足混凝土輸送施工的要求，并提出相應改進建議，為今后布料機結構形式的設計和工程應用提供參考。

1 布料機靜力學分析

1.1 邊界約束及加載

根據梭式皮帶布料機的實際安裝情況，對其立柱底部的4個支點進行邊界約束ux、uy、uz。本文僅對堵料工況下的布料機進行整機靜力學分析。考慮到啟動或制動時的振動影響，除風載荷外，其他所有載荷均乘以起升系數1.1，而堵料物料的質量則乘以沖擊系數2.0[5]。

（1）風載荷。按6級大風進行計算，Pw=187 N/m，以線載荷的形式施加在立柱左側的弦桿上。

（2）集中載荷。傳動滾筒處總質量F1=1925 N，從動滾筒處總質量F2=1826 N，前端錐管處總質量F3=15500 N，尾端錐管處總質量F4=3300 N。其中兩滾筒處的總質量均布加載在2個節點上，兩錐管處的總質量均布加載在4個節點上。

（3）基本桁架均布載荷。基本桁架所受的總等效均布載荷qa=583 N/m，以線載荷的形式施加在基本桁架的下端弦桿上。

（4）伸縮臂桁架均布載荷。伸縮臂桁架所受的總等效均布載荷qb=566.5 N/m，以線載荷的形式施加在伸縮臂桁架的上端弦桿上。

此外，布料機的機構自重通過定義重力加速度g與材料密度ρ來施加。

1.2 靜力學計算結果

布料機在堵料工況下的靜力學計算結果如圖1所示。計算結果表明:布料機整體結構的變形量隨著立柱高度和伸縮節跨度的增大而增大，最大變形出現在22 m跨度的末端，最大變形量為369.0 mm。最大應力位于基本桁架靠走道一側的加強筋板上，最大應力值為160.96 MPa。布料機的整體結構應力偏小，局部稍大。整機強度有較大的盈余量。

圖1 布料機堵料工況下的位移云圖和應力云圖

2 布料機瞬態動力學分析

在ANSYS軟件的瞬態動力學分析模塊中，通過設置載荷步可以模擬布料機在堵料過程中所承受的時間-歷程沖擊載荷，計算結果更符合實際情況。

2.1 布料機承受的恒定載荷

與靜力學分析相比，瞬態動力學分析中布料機所受的載荷只有前端錐管處的集中載荷變成了時間-歷程沖擊載荷，其他部件所受的約束和載荷均未變。

2.2 前端錐管處的時間-歷程載荷

由相關性能參數可求得該布料機從堵料開始到堵料最大所需的時間為t=7.41 s。堵料過程中，前端錐管處的集中載荷隨時間線性遞增。在t=0 s時刻，載荷為正常工況下的載荷，即F1=5500 N；在t=7.41 s 時刻，F2=（m1+m2+m3）×g，其中，m1為錐管以及溜管的總質量，m1=300 kg；m2為正常工況下的物料質量，m2=200 kg；m3為堵料最大時堵住的物料質量，m3=500 kg；經計算，F2=10000 N。堵料達到最大值后，布料機釋放溜管以及里面的物料，只剩下錐管的質量50 kg（即500 N）。故前端錐管處的時間-歷程沖擊載荷可設置為如表1所示的載荷步。

表1 時間-歷程載荷步的設置

2.3 瞬態動力學計算結果

加載計算完成后，在POST26后處理器中選取伸縮臂桁架最前端 “V”形支撐尖角處節點 （節點號為1656）為變量節點，定義其在Y方向上的位移變量，再通過數學微分得到速度變量和加速度變量。讀取各個變量的極限時刻點。

在POST1后處理器中，讀取在各個變量極限時刻時布料機的瞬態響應，分析結果可以得知與布料機變形量及應力值關系最緊密的是節點的位移變量。當位移變量取得極限值時，布料機的變形量及應力值也都同時取得極限值。因此需重點分析布料機在位移極限時刻時的瞬態響應。從計算結果可知:布料機在承受時間-歷程沖擊載荷的過程中，在正向位移極限時刻6.6 s時其最大瞬時正向變形量為483.4 mm，同時最大應力值為214.51 MPa；在反向位移極限時刻10.21 s時其最大瞬時反向變形量為94.3 mm，最大應力值為48.49 MPa。與靜力學分析中得到的結果相比較，最大瞬時正向變形量和應力值都有很大的增大，而反向變形量和應力值雖然都不大，但嚴重影響布料機的穩定性和疲勞壽命，應盡量減小甚至消除。

3 布料機釋放質量時刻改進建議

根據布料機瞬態動力學分析結果提出猜想:釋放錐管處質量時刻布料機的瞬時正向位移大小對其反向沖擊變形有影響，且釋放質量時刻布料機的瞬時正向位移越小，則反向沖擊變形也越小 ；反之，釋放質量時刻布料機的瞬時正向位移越大，則反向沖擊變形也越大。

3.1 獲取正向位移較小時刻點

假定布料機桁架強度足夠大，將堵料最大值設置為550 kg，則從堵料開始到堵料最大所需的時間為t=8.15 s，求解布料機的后期響應，設置相應載荷步見表2。

表2 時間-歷程載荷步的設置

加載求解結束后，依舊選取1656號節點為變量節點，提取1656號節點在7.0～8.2 s時間段內的位移-時間曲線如圖2所示。由圖2可知，在7.0～8.2 s時間段內，1656號節點的位移出現了3次峰值，經進一步精確截取時間坐標軸可以得到三個峰值的對應時刻分別為7.25、7.65、8.10s。根據猜想若在位移取得峰值的時刻釋放質量則可以減小甚至消除布料機的反向沖擊變形，從而提高布料機的安全穩定性和疲勞壽命。

圖2 局部位移-時間曲線

3.2 在位移較小時刻釋放錐管質量

以位移峰值對應時刻為參照，對釋放質量時刻做微量調整，從而保證布料機的最大堵料設定值為整數。得到3種不同的改進方案:①方案a。設定布料機最大堵料質量為490 kg，對應釋放時刻為7.26 s；②方案b。設定布料機最大堵料質量為515 kg，對應釋放時刻為7.63s；③方案c。設定布料機最大堵料質量為545kg，對應釋放時刻為8.07s。3種改進方案分別設置為如表3所示的載荷步進行仿真，求得其瞬態解。

表3 時間-歷程載荷步的設置

加載求解結束后，查看在3種不同方案下1656號節點的瞬態響應及位移-時間曲線，并將在3種不同方案下得到的結果與初始方案結果進行比較。可知，其中正向最大變形量和應力值變化都小于0.12%，在此不作為評價指標。作為主要評價指標的反向沖擊變形量變化情況如表4所示。

表4 改進前后反向變形結果對比

由表4可知，在正向位移較小時刻釋放質量可以有效地減小布料機的反向沖擊變形，有利于布料機的整體穩定性和疲勞壽命。作為本文研究對象的該型布料機，筆者認為方案a是最理想的改進方案，該方案既減小了正向最大變形量和應力值，還完全消除了反向沖擊變形和應力，而且相對于初始設定值500 kg，該方案的設定值改變幅度最小。

4 結 論

本文以某型梭式皮帶布料機為研究對象，利用ANSYS軟件建立其整體有限元簡化模型，通過靜力學和瞬態動力學分析，得到其在堵料工況下的整機變形和應力分布情況，并根據分析結果對堵料后期釋放錐管處質量時刻的選擇提出了改進建議，綜合分析得到以下主要結論:

（1）堵料工況下布料機的整體受力較好，變形滿足混凝土輸送施工要求，應力強度有較大盈余。

（2）堵料工況下，由于沖擊而產生的時間-歷程載荷會增大布料機的最大變形量和應力值。將瞬態分析中得到的結果與靜力學分析中得到的結果進行比較，最大變形量增大31.0%，最大應力值增大33.3%。在日后布料機的安全性設計中應給予重視。

（3）釋放錐管處質量瞬間，布料機的正向位移越小，則反向沖擊變形也越小，反之亦然。在正向位移較小時刻釋放質量有利于布料機的整機穩定性和疲勞壽命，可為布料機的安全性設計提供理論參考依據。

［1］廖湘輝，楊懸，劉歡，等.基于ANSYS的梭式皮帶布料機結構分析及改進建議［J］.水力發電，2012，38（12）:38-40.

［2］楊冬初，曹東林.皮帶布料機在龍灘大壩碾壓混凝土施工中的應用［J］.水力發電，2007，33（4）:33-35.

［3］廖湘輝，陳文琛，孫海濤，等.丹江口加高工程布料機結構模態分析［J］.起重運輸機械，2012（11）:82-85.

［4］周長紅，官鳳嬌，韓旭，等.布料機布料臂架有限元建模與仿真研究［J］.工程機械，2007（11）:20-25.

［5］張質文，虞和謙，王金諾，等.起重機設計手冊［M］.北京:中國鐵道出版社，1998.