基于ANSYSWorkbench的帶式輸送機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)分析

汪玉 ， 鄭紅滿 ， 鄭旺 來， 倪興元

(安徽盛運(yùn)重工機(jī)械有限責(zé)任公司，安徽桐城 231400)

0 引言

帶式輸送機(jī)具有機(jī)構(gòu)簡單、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、適應(yīng)能力強(qiáng)、工作可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，所以它在日常工作中到處都能見到它的身影，尤其在礦山、煤炭、冶金、港口、化工等行業(yè)承載著散料運(yùn)輸?shù)淖饔茫@些行業(yè)也依賴于帶式輸送機(jī)[1-4]。帶式輸送機(jī)還具有承受巨大載荷工作的能力，在以往設(shè)計(jì)的過程中大部分都是通過經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)的過程中難以把握所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性，為了解決上面那種經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)帶來的弊端，文中采用有限元的分析方法，運(yùn)用ANSYS Workbench軟件對(duì)帶式輸送機(jī)架進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，并根據(jù)計(jì)算的結(jié)果提出改進(jìn)的方案[5]。

1 帶式輸送機(jī)的主要結(jié)構(gòu)組成

圖1 帶式輸送機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)

帶式輸送機(jī)的運(yùn)動(dòng)是通過整機(jī)撓性牽引還有輸送帶運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的，它是一種能夠持續(xù)運(yùn)輸物料的機(jī)器。帶式輸送機(jī)工作時(shí)的驅(qū)動(dòng)裝置主要是通過電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，經(jīng)過減速器再到傳動(dòng)滾筒，通過摩擦力帶動(dòng)皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)，從而使輸送機(jī)運(yùn)動(dòng)起來，在皮帶上放入一定量的物料就能輸送[6-9]，由于帶式輸送機(jī)持續(xù)時(shí)間長，從而大大降低了輸送物料的成本。帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

2 建立建模

文中選擇的機(jī)架是帶式輸送機(jī)中的02型機(jī)架，它是由Q235-A材料的槽鋼焊接而成。機(jī)架外形主尺寸長為1.176 m，寬0.896 m，高1.4 m,結(jié)合該型號(hào)機(jī)架具體的工程圖，用SolidWorks建立三維模型，其模型如圖2所示。

3 機(jī)架有限元分析過程

3.1 模型的導(dǎo)入

圖2 機(jī)架模型建立

通過SolidWorks軟件建立好的模型將其導(dǎo)出，然后打開ANSYS Workbench，然后點(diǎn)擊Workbench界面中的Toolbox，選擇Component Systems再選擇Geometry，然后點(diǎn)擊Browse，然后選中通過SolidWorks保存出來的模型，然后雙擊Geometry,點(diǎn)擊更新按鈕，然后模型將顯示在Workbench中。

3.2 添加材料屬性

機(jī)架的材料是Q235-A,所以它的彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3，屈服應(yīng)力為235 MPa,屈服極限為610 MPa。雙擊Workbench界面中的Engineering Data，再雙擊Isotropic Elasticity填入彈性模量和泊松比，再選中Tensile YieldStrength添加屈服應(yīng)力，然后再通過Tensile Ultimate Strength添加屈服極限值，具體添加值如圖3所示。

圖3 屬性添加表

3.3 網(wǎng)格劃分

由于機(jī)架在實(shí)際工作的過程中，各個(gè)部位受力不一樣[3]，我們需要對(duì)機(jī)架各部位單獨(dú)設(shè)置網(wǎng)格單元的大小，對(duì)于受力較大的部位我們設(shè)置單元大小為15，其他部位設(shè)為25，通過網(wǎng)格劃分的模型如圖4所示。

3.4 施加約束和載荷

1）施加約束。根據(jù)帶式輸送機(jī)[4]實(shí)際工作的情況，對(duì)機(jī)架實(shí)際工作過程中相應(yīng)的位置施加約束。機(jī)架在實(shí)際在工作中支腿是平放在地面上的，所以只需要約束機(jī)架4個(gè)底板固定。點(diǎn)擊supports，選擇Fixed Support,然后選擇機(jī)架的4個(gè)底板，從而限定了機(jī)架在工作時(shí)的位置。

2)施加載荷。機(jī)架除了受自身的重力外，還受到其他載荷的作用，其中主要是滾筒的張力和滾筒自身的重力還有滾筒運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的固定轉(zhuǎn)矩。假設(shè)機(jī)架在實(shí)際工作的過程中首先要受到傳動(dòng)滾筒的重力G，其次是傳動(dòng)滾筒上面皮帶的水平合拉力F，還有就是傳動(dòng)滾筒在運(yùn)動(dòng)的過程中產(chǎn)生的一個(gè)轉(zhuǎn)矩M,其受力示意圖如圖5所示。在Workbench界面中設(shè)置F=59 kN,M=2500 N·m,G=500 N,如圖6所示。

4 求解

圖4 網(wǎng)格劃分

圖5 機(jī)架受力

圖6 施加約束和載荷

當(dāng)約束和載荷施加完成后，我們需要添加求解參數(shù)，我們首先選擇Deformation中Total生成機(jī)架的總變形云圖,然后選擇Stress中的Equivalent(Von-Mises)查看機(jī)架的等效應(yīng)力。添加好了求解內(nèi)容后，我們點(diǎn)擊Solve,然后將會(huì)求得結(jié)果，保存數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 總變形量

圖8 彈性應(yīng)變

5 求解的結(jié)果與分析

經(jīng)過ANSYS Workbench軟件處理后，得出了機(jī)架的最大變形量為2.0353 mm,位于機(jī)架中間部位，如圖7所示。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，鋼材在工作的過程中最大變形量應(yīng)該小于L/250(L為機(jī)架的高度)，即為安全工作，該機(jī)架的高度為L=1250 mm，L/250=5 mm,該機(jī)架的最大變形量Dmax=2.0353 mm，遠(yuǎn)小于5 mm。通過上面圖8可知機(jī)架受到的最大應(yīng)力值為179.31 MPa，位置位于機(jī)架的中間部位，它低于Q235-A的屈服強(qiáng)度235 MPa。

6 改進(jìn)措施

根據(jù)上面分析得到的結(jié)果，提出幾點(diǎn)改進(jìn)措施如下：1)由于將上面豎直的槽鋼在工作的過程中受力較大，增大槽鋼的尺寸，上面機(jī)架型號(hào)為14#A，將槽鋼改為14#B；2)在機(jī)架受力較大的地方加上加強(qiáng)筋。

圖9 改進(jìn)后的機(jī)架分析結(jié)果

通過對(duì)改進(jìn)后的機(jī)架進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖9所示。從圖中可以看出：Dmax=0.405 99 mm，遠(yuǎn)小于允許的變形量5 mm。最大應(yīng)力值為119.43 MPa，遠(yuǎn)小于Q235-A的屈服強(qiáng)度235 MPa。

7 結(jié)語

通過ANSYS Workbench軟件對(duì)帶式輸送機(jī)機(jī)架進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)分析的結(jié)果我們可以對(duì)工作過程中容易變形的部位和受應(yīng)力較大的部位進(jìn)行改進(jìn)。再對(duì)改進(jìn)后的模型進(jìn)行分析，并且對(duì)比兩次的結(jié)果可知，改進(jìn)后的機(jī)架結(jié)構(gòu)將更加穩(wěn)定，強(qiáng)度也大大增強(qiáng)，在實(shí)際工作的過程中能提高機(jī)架的使用壽命，從而間接提高了整機(jī)的工作效率。

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