礦用帶式輸送機關鍵部件動力學特性分析*

王宇偉

(山西河曲晉神磁窯溝煤業有限公司，山西 忻州 036500)

0 引 言

煤礦生產系統中，帶式輸送機是重要的物料輸送機械設備，尤其是隨著煤礦開采深度和開采量的不斷增加，長距離帶式輸送機在煤礦物料輸送過程中發揮著重要的作用[1]。礦用帶式輸送機是以輸送帶作為承載部件的傳動系統，依靠輸送帶和滾筒之間的摩擦實現動力的傳遞[2]，機頭主體機架和卸載滾筒機架是輸送機重要的支撐結構，在煤礦井下復雜工況和惡劣環境的影響下，非常容易引起支撐支架結構的破壞，而且機架自身振動特性比較復雜，當環境振動頻率與機架的振動頻率一致時會引起結構的共振，從而對結構產生嚴重的破壞，因此，機架也是帶式輸送機中的薄弱環節[3]。筆者基于模態理論，通過分析卸載滾筒機架和機頭機架的固有振動頻率，優化卸載滾筒機架和機頭機架的結構，得出其結構的振型規律，這是保證設備結構的正常運行，避免發生共振引起結構的破壞，延長使用壽命的重要參考依據，也為后期結構的拓撲優化設計提供了參考。

1 礦用帶式輸送機結構與參數特征

本次研究的帶式輸送機是以煤礦主井帶式輸送機作為分析和研究的對象，首先對帶式輸送機進行三維建模，建立帶式輸送機的分析模型。表1所列為山西晉神能源有限公司主井帶式輸送機型號及參數特征。

表1 帶式輸送機參數特征

根據帶式輸送機的參數特征，本次帶式輸送機帶寬為1 200 mm，帶速為4.5 m/s，電機的總功率為630 kW。在SolidWorks 2019中建立三維模型方案中，帶式輸送機驅動裝置位于機頭架所在的井口房內，卸載滾筒布置在4.2 m的平面上。所有滾筒的材料全部為Q235鋼，軸的材料為45號鋼，托輥的直徑為160 mm，上下托輥的間距按照表1所示進行安裝。得到如圖1所示的帶式輸送機三維模型方案。

圖1 帶式輸送機機頭位置三維模型圖

帶式輸送機機頭主要由機頭架、機頭驅動滾筒、卸載滾筒、卸載滾筒架、改向滾筒等部分組成，其中輸送帶按照位置先后進行布置，驅動滾筒、改向滾筒分別由機頭主體機架和卸載滾筒機架進行支撐，在實際運行過程中，機頭主體機架受到多個滾筒的作用，結構受力比較復雜，容易引起結構連接位置的損壞，同時結構受到輸送帶張力的間接作用，因而其固有振動特性比較復雜，振動比較嚴重。卸載滾筒機架受輸送帶張力和滾筒自重影響，容易造成結構連接位置的松動，有可能引發事故。所以分析機頭主體機架和卸載滾筒機架的變化對于保證帶式輸送機的正常運行具有重要的作用。

2 礦用帶式輸送機關鍵部件動力學特性分析

2.1 結構模態分析理論

模態是指當系統結構遵循某一階固有頻率振動時，結構點按照一定的函數關系響應位移，這是系統或結構固有的振動特性。通過模態分析方法，能夠得知結構受影響的頻率范圍以及各階模態的特性，就能夠預測結構在某一個頻率范圍內受到外部和內部各種振源作用下的實際振動響應[4]。在結構的設計過程中，通過使用模態分析可以明確結構的固有振動特性，便于對結構進行優化。

文中采用有限元法進行結構的模態分析，利用的是離散化的思想，將結構分為不同的單元，對各個單元逐個進行求解[5]。可以建立模態分析的數學模型，根據牛頓第二定律和機械動力學分析理論，建立的多自由度的系統的微分方程為[6]：

(1)

由于帶式輸送機機架結構的阻尼對模態的影響非常小，可以忽略不計，此時有{F}=0，可以得到此時的動力學方程為：

(2)

根據二階齊次方程的解的形式，可以得到：

{x}={A}sin (ωt+φ)

(3)

將式(3)代入到公式(2)中并進行化解可以得到非零解時振幅的頻率方程：

|[K]-ω2[M]|=0

(4)

通過對上式進行求解可以得到n個特征值，其中每一個特征值都會對應一個固有頻率，所以通過對頻率進行從小到大排序就可以得到i階的固有頻率特性，從而可以求解出結構的固有振動特性。

2.2 卸載滾筒機架的模態分析

由帶式輸送機機頭位置的結構可以看出，機頭主體機架和卸載滾筒機架是整個帶式輸送機的關鍵支撐部件，一方面與地基直接相連，一方面機架是滾筒的重要支撐構件，受輸送帶張緊力的間接作用，是保證帶式輸送機正常運行的關鍵支撐結構，在長時間運行過程中非常容易引起結構的振動破壞。采用有限元分析軟件ANSYS workbench對機頭主機架和卸載滾筒機架進行動力學數值模擬[7-8]。

首先，將建立好的卸載滾筒機架另存為.x_t文件，然后打開workbench 14.5軟件，在軟件左側模塊樹中拖動geometry模塊和modal模塊到項目區，geometry的solution選項卡中右鍵數據傳輸到modal模塊完成模態分析系統的搭建。

然后，將建立好的卸載滾筒機架文件導入到geometry中，數據自動傳遞到modal模塊。設置機架的材料屬性，打開材料庫，定義機架的材料為Q235鋼，對應的彈性模量輸入為E=2.06×1011Pa，材料的密度為7 850，泊松比為0.3。定義材料后點擊mesh選項對機架結構進行網格劃分，采用四面體網格劃分，劃分網格后的結構節點數為182 743，單元數為62 776，網格劃分的結果如圖2所示。

圖2 網格劃分結果

完成網格劃分后對卸載滾筒機架定義固定約束，在機架與地面位置添加固定約束，在求解選項下添加模態求解的階數，最后對結構的前六階模態進行求解計算，可以得到如圖3所示的模態振型云圖。

圖3 卸載滾筒機架模態分析云圖

由以上的分析可以看出卸載滾筒機架在固定約束作用下，結構基頻為20.265 Hz，隨著階數的增加，結構的振動頻率也在增加，第六階振動頻率為77.56 Hz，表2所列為機架部件前六階模態振型變化規律。

表2 機架部件前六階模態振型規律

從表2中可以看出，卸載機架滾筒的模態主要表現為機架位置處的彎扭變形，第一階模態表現為結構的彎曲變形，第二階模態振型表現為結構的扭轉變形，隨著階數的逐漸增加，結構的扭轉變形越來越明顯，結構在第六階模態時表現為純扭轉變形，此時的頻率為77.56 Hz。

2.3 機頭主體機架的模態分析

機頭主體機架是帶式輸送機的重要支撐部件。對機頭主體支架的模態分析與卸載滾筒支架的分析步驟相同，在SolidWorks 2019中建立模型導入到ANSYS workbench中，通過定義材料屬性、添加約束、劃分網格、添加求解項等步驟對結構進行模態分析計算，可以得出機頭主體機架的前六階模態振型，如圖4所示。

圖4中可以看出結構的模態變形主要集中在與滾筒連接的部位，同時結構振動頻率最高的位置集中在機架與滾筒連接部位，通過對機架主體前六階模態進行求解可以得到如表3所列的振型規律。

圖4 機頭主體機架關鍵部件模態分析云圖

表3 機頭主體機架部件前六階模態規律

從表3中可以看出，機頭主體機架的基頻為17.045 Hz，振型特性為彎曲變形，表現為在結構與滾筒連接部位的位移變化，機頭主體機架主要表現為局部的扭轉和變形，第一階和第二階模態表現為機架的左側和右側部分同方向的變形，第三階和第四階模態表現為機架左右側的扭轉變形，第五階和第六階模態扭轉和彎曲同時發生，處于彎扭組合振型。

3 實驗與結果分析

通過對機頭主體機架和卸載滾筒機架進行動力學特性分析，可以得出結構的振型變化主要表現為某個方向上的位移和變形。為了驗證機架的模態分析結論正確性，設計了實驗方案對結構的模態進行現場實驗。實驗目的是為了檢測在受到外部振動信號時卸載滾筒機架和機頭主體機架的振型規律，驗證數值模擬的正確性。

采用北京東方振動和噪聲技術研究所設計的數據采集儀 INV3060S進行振動和噪聲數據的檢測，檢測裝置還包括三軸加速度傳感器、筆記本電腦、信號線、振動錘等。現場實驗效果如圖5所示，檢測結果如圖6所示。

圖5 測點布置與現場實驗

圖6 實驗結果與分析

從以上的實驗結果可以看出，卸載滾筒機架在實際工作過程中的振動頻率普遍較高，然而機頭主體機架的振動頻率比較低，兩者振動頻率的差距不大，波峰和波谷的出現時間基本相同，與實際正常運行的時間相吻合。實驗結果也驗證了模態分析的結果，驗證了理論分析的正確性。

4 結 語

針對礦用帶式輸送機關鍵部件卸載滾筒機架和機頭主體機架在運行過程中容易發生故障且結構振動規律未知等問題，文中采用有限元分析方法，利用ANSYS workbench仿真實驗平臺分別對關鍵結構進行了模態分析，并在現場搭建實驗電路對模態分析結果進行實驗驗證，結果表明結構的振動特性與仿真結果趨勢大致相同，振動頻率特點與仿真結果相同，實驗結果驗證了仿真結果的正確性和合理性，為后期指導帶式輸送機機架結構的優化設計和避免引起結構共振等的研究提供一定參考。