帶式輸送機(jī)卸料小車車架結(jié)構(gòu)靜力分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)研究

程熊豪　王秀杰　牛潤(rùn)芝　付秀芳

摘要：針對(duì)帶式輸送機(jī)卸料小車車架變形大、易開裂的問題，利用有限元法對(duì)小車車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析改進(jìn)小車車架結(jié)構(gòu)。采用CATIA軟件建立車架三維模型，就ANSYS Workbench軟件對(duì)65 t載荷工況下的小車車架進(jìn)行靜力分析，其最大應(yīng)力為267.5 MPa，最大變形為17.46 mm，不滿足強(qiáng)度和剛度要求。通過靜力分析結(jié)果提出了車架結(jié)構(gòu)改進(jìn)的設(shè)計(jì)方案，將H型連接塊更換為實(shí)體連接塊，車架兩側(cè)梁之間焊接20 mm厚的鋼板，并在鋼板上加工一定尺寸的孔。最后對(duì)改進(jìn)后的車架進(jìn)行靜力分析，其最大應(yīng)力為123.7 MPa，最大變形為7.33 mm，滿足強(qiáng)度和剛度要求。

關(guān)鍵詞：帶式輸送機(jī);卸料小車車架;靜力分析;有限元法;結(jié)構(gòu)改進(jìn)

中圖分類號(hào)：U294.27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2022）07-0110-04

Static analysis and structural improvement design of

unloading trolley frame of belt conveyor

CHENG Xionghao， WANG Xiujie， NIU Runzhi， FU Xiufang

（MCC South Engineering Technology Co.， Ltd.， Wuhan 430223， China）

Abstract：In view of the large deformation and easy cracking of the unloading trolley frame of belt conveyor， the static analysis of the trolley frame structure is carried out by using the finite element method to improve the trolley frame structure. CATIA software is used to establish the three-dimensional model of the frame， and ANSYS Workbench software is used to analyze the static force of the trolley frame under 65 t load condition. The maximum stress is 267.5 MPa and the maximum deformation is 17.46 mm， which does not meet the requirements of strength and stiffness. Through the static analysis results， the design scheme for the improvement of the frame structure is put forward. The H-shaped connection block is replaced with a solid connection block. A 20 mm thick steel plate is welded between the beams on both sides of the frame， and holes of a certain size are machined on the steel plate. Finally， the static analysis of the improved frame is carried out. The maximum stress is 123.7 MPa and the maximum deformation is 7.33 mm， which meets the requirements of strength and stiffness.

Key words：belt conveyor; unloading trolley frame; static analysis; finite element method; structural improvement

帶式輸送機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸送距離遠(yuǎn)、輸送能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械、電器、化工等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用。卸料小車是帶式輸送機(jī)的單獨(dú)部件，其在皮帶設(shè)置的軌道上來回移動(dòng)實(shí)現(xiàn)物料的輸送。卸料小車在實(shí)際的作業(yè)過程中故障頻發(fā)，直接制約了帶式輸送機(jī)對(duì)物料的超大運(yùn)量、高速、長(zhǎng)距離運(yùn)輸。卸料小車車架在經(jīng)過多次事故之后出現(xiàn)了嚴(yán)重的變形，其根源在于結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度不足[1]。有限元法是進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)靜力分析的常用方法，在結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)和分析中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。有學(xué)者對(duì)攤鋪機(jī)車架在施工作業(yè)過程中出現(xiàn)的變形量過大、易開裂問題，采用有限元法對(duì)攤鋪機(jī)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，獲得了車架的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D，同時(shí)在前后板增加筋板和增加衡量橫截面尺寸來改進(jìn)車架設(shè)計(jì)，使得車架變形量過大、易開裂的問題得到了解決[2]。有針對(duì)電動(dòng)輪自卸車車架在扭轉(zhuǎn)工況下剛度不足，實(shí)際服役過程中存在失效風(fēng)險(xiǎn)的問題，采用有限元法對(duì)車架進(jìn)行靜力分析，同時(shí)采用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對(duì)車架在多工況下的剛度進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，為電動(dòng)自卸車車架結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了參考[3]。采用有限元法對(duì)內(nèi)燃叉車車架進(jìn)行靜力分析，指出車架在臨界工況下的最大應(yīng)力超出了需用應(yīng)力，同時(shí)對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，改進(jìn)后的車架結(jié)構(gòu)在臨界工況下的最大應(yīng)力低于車架材料的許用應(yīng)力[4]。又有學(xué)者指出車架作為汽車的承載基體，承載汽車的大部分載荷，采用有限元法構(gòu)建了半掛車車架計(jì)算模型，對(duì)半掛車車架在彎曲工況下的靜態(tài)特性進(jìn)行了仿真模擬，為半掛車車架模型優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考[5]。本文采用有限元法，建立帶式輸送機(jī)卸料小車車架結(jié)構(gòu)的有限元模型，分析在65 t載荷下的應(yīng)力和變形云圖，找出卸料小車車架結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié);同時(shí)對(duì)原車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，有效解決車架結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度不足的問題。

1卸料小車車架模型簡(jiǎn)化

卸料小車車架實(shí)際結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，建立卸料小車車架幾何模型之前需要進(jìn)行幾何模型的合理化簡(jiǎn)化處理。實(shí)際的車架包含有大量的小螺栓孔、小的直角倒角和圓角倒角，這些幾何特征會(huì)導(dǎo)致車架在實(shí)際的靜力分析時(shí)計(jì)算量比較大，同時(shí)也影響了靜力分析求解的效率和精度，因此在小車車架幾何建模時(shí)予以刪除[6]。另外，由材料力學(xué)知識(shí)可知，在卸料小車車架的結(jié)構(gòu)尺寸突變位置往往會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，網(wǎng)格比較粗糙將直接影響車架在該位置的應(yīng)力值，因此必須進(jìn)行網(wǎng)格的細(xì)化，從而達(dá)到獲得準(zhǔn)確應(yīng)力的目的。采用有限元法對(duì)卸料小車車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析時(shí)，做出如下基本假設(shè)[7]：

（1）車架焊接處焊縫是均勻連續(xù)的，焊接材料的性能與母體材料的性能相同，忽略焊縫不連續(xù)的影響;

（2）忽略車架結(jié)構(gòu)內(nèi)部的間隙以及由滑移所引起的約束變動(dòng)。

2車架結(jié)構(gòu)靜力分析

2.1車架結(jié)構(gòu)幾何模型

帶式輸送機(jī)卸料小車車架在實(shí)際的服役過程中出現(xiàn)變形比較大的情況，這使得車體的晃動(dòng)比較大，小車行車車輪啃道現(xiàn)象嚴(yán)重，進(jìn)而出現(xiàn)碰撞事故。對(duì)車架進(jìn)行靜力分析的基礎(chǔ)是建立車架的三維幾何模型。實(shí)際的車架結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，包含各種工藝小孔、螺紋孔、直角倒角、倒圓角等，如果在車架建模的過程中不進(jìn)行刪除，這將會(huì)使得車架建模的工作量大大增加，同時(shí)也增加了后續(xù)靜力分析的難度。考慮到車架上各種工藝小孔、螺紋孔、直角倒角、倒圓角等對(duì)整個(gè)卸料小車車架的應(yīng)力分布影響比較小，因此在實(shí)際的三維建模過程中予以刪除。本文采用CATIA軟件建立卸料小車車架的三維幾何模型，刪除對(duì)車架應(yīng)力影響比較小的結(jié)構(gòu)，最終得到的卸料小車車架三維幾何模型如圖1所示。

2.2車架結(jié)構(gòu)有限元模型

卸料小車車架的材料為Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼，其彈性模型E=206 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85g/cm。將CATIA建立的車架三維幾何模型以.stp格式導(dǎo)出，導(dǎo)入ANSYS Workbench中[8]。設(shè)置材料的屬性，選擇單位類型。ANSYS Workbench中常用的實(shí)體單元類型有Solid186和Solid187。Solid186為線性實(shí)體單元，模擬精度相對(duì)較差，但是計(jì)算量相對(duì)較小。Solid187為非線性實(shí)體單元，模擬精度相對(duì)較高，但是計(jì)算量相對(duì)比較大。考慮計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，本文選擇Solid187非線性實(shí)體單元。對(duì)車架三維幾何模型采用Solid187單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，獲得車架有限元模型，共包含238 696個(gè)節(jié)點(diǎn)，51 360個(gè)單元，結(jié)果如圖2所示。

2.3車架靜力分析工況及邊界

帶式輸送機(jī)卸料小車由滾筒、行車輪、驅(qū)動(dòng)裝置、車架等組成，卸料小車車架的上表面和皮帶接觸，為受力區(qū)域。車架2個(gè)滾筒位置上表面承受小車的自重和小車上運(yùn)送物料的質(zhì)量。在卸料小車車架下方安裝有行車輪，其作用是將運(yùn)送的物料移動(dòng)到不同的料倉。在車輪上安裝有抱閘，一旦行車輪移動(dòng)到料倉，那么就是進(jìn)行抱閘操作，避免車輪滑動(dòng)出現(xiàn)溜車。基于此，在行走輪的工字鋼進(jìn)行全約束處理，最終設(shè)置的受力及邊界結(jié)果如圖3所示。

帶式輸送機(jī)卸料小車載荷為65 t，在該工況下對(duì)車架進(jìn)行靜力分析，獲得車架的應(yīng)力云圖和變形云圖。在圖3中，A處為行走輪的連接梁，設(shè)置為全約束。B處為和卸料小車接觸處，設(shè)定為物料載荷。考慮自重的影響，在C處設(shè)置重力加速度載荷;另外，卸料小車車架是由H型鋼材焊接在一起的，通過綁定的方式來對(duì)鋼材之間的焊接進(jìn)行模擬。

2.4車架結(jié)構(gòu)靜力分析結(jié)果

卸料小車車架采用Q235鋼材焊接而成，其失效形式為塑性變形。采用材料力學(xué)第4強(qiáng)度理論（畸變能密度理論）對(duì)其進(jìn)行校核，即無論出于什么樣的應(yīng)力狀態(tài)，只要畸變能密度達(dá)到了材料性能有關(guān)的某一極限值，那么材料就會(huì)出現(xiàn)屈服失效。第4強(qiáng)度準(zhǔn)則[9]：

3車架結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

3.1車架結(jié)構(gòu)改進(jìn)思路

由卸料小車車架結(jié)構(gòu)靜力分析結(jié)果可知，車架的后端變形量過大，同時(shí)在車架后端的行走輪與支撐梁連接處局部應(yīng)力過大。因此，可以考慮改變連接塊和增加焊接腹板的方式對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，具體改進(jìn)方案為將H型連接塊更換為實(shí)體連接塊，實(shí)體連接塊的外形尺寸和原H型連接塊的外形尺寸保持一致，具體如圖6所示。

另外，為了增加車架整體的剛度，在車架的兩側(cè)梁之間采用焊接的方式增加厚度為20 mm的鋼板，通過增加鋼板可以在一定程度上起到改變車架應(yīng)力分布的目的。考慮到增加實(shí)心鋼板會(huì)導(dǎo)致整個(gè)車架過重，同時(shí)小車車架焊接無法進(jìn)行。因此，在鋼板上加工一定尺寸的孔，滿足焊接加工工藝和減輕小車車架質(zhì)量的目的。車架改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

3.2改進(jìn)后結(jié)構(gòu)靜力分析結(jié)果

對(duì)改進(jìn)后的卸料小車車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，分析工況及邊界和原結(jié)構(gòu)保持一致，得到改進(jìn)后卸料小車車架的變形云圖和應(yīng)力云圖，分別如圖8和圖9所示。

由圖8可知，在65 t載荷作用下改進(jìn)后卸料小車車架的最大位移為7.33 mm，最大位移在卸料小車車架的最右端。

由圖9可知，在65 t載荷作用下改進(jìn)后卸料小車車架的最大應(yīng)力σ=123.7MPa，滿足強(qiáng)度要求，最大應(yīng)力在卸料小車車架后輪支撐梁的支撐端處。同時(shí)通過對(duì)比改進(jìn)前后車架應(yīng)力云圖可知，車架的應(yīng)力分布更為均勻。將帶式輸送機(jī)卸料小車車架結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后的靜力分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，卸料小車車架結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后最大應(yīng)力減少了143.8 MPa，最大變形減少了10.13 mm，最大應(yīng)力和最大變形量均明顯減少;但是結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后最大應(yīng)力和最大變形的發(fā)生位置沒有發(fā)生改變。

對(duì)帶式輸送機(jī)卸料小車車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)之后，采用有限元法進(jìn)行靜力分析，結(jié)果表明：小車車架的局部強(qiáng)度得到了明顯增強(qiáng)，這使得卸料小車的穩(wěn)定性大大提升。同時(shí)，卸料小車在實(shí)際的作業(yè)過程中出現(xiàn)的車架變形過大問題也可以得到有效的解決，確保了卸料小車在作業(yè)過程中的安全性。

4結(jié)語

帶式輸送機(jī)卸料小車車體晃動(dòng)大，機(jī)架易變形，制約了輸送機(jī)的作業(yè)質(zhì)量和效率。以卸料小車車架為研究對(duì)象，采用有限元法對(duì)卸料小車車架進(jìn)行靜力分析。在卸料小車車架后輪支撐梁的支撐端處應(yīng)力最大為267.5 MPa，小車車架最右端變形最大為10.13 mm，不滿足使用強(qiáng)度和剛度要求。將卸料小車車架原結(jié)構(gòu)的H型連接塊更換為實(shí)體連接塊，車架兩側(cè)梁之間焊接厚度為20 mm的鋼板并將鋼板上加工一定尺寸的孔，改進(jìn)小車車架原結(jié)構(gòu)。對(duì)改進(jìn)設(shè)計(jì)后的車架進(jìn)行靜力分析，其最大應(yīng)力123.7 MPa，最大變形為7.33 mm，最大應(yīng)力和最大變形位置均未發(fā)生改變，滿足使用的強(qiáng)度和剛度要求。

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