基于ANSYS 仿真分析的帶式輸送機驅動頭架與優化研究

喬 怡

（晉能控股裝備制造集團大同科大煤機有限公司， 山西 大同 037000）

引言

驅動頭架作為帶式輸送機的重要組成部分，其質量將會直接影響到驅動頭架的工作效率和應用安全性，最終影響到企業整體經濟效益[1]。因此，為有效提高驅動頭架質量，研究中將采用有限元分析法對帶式輸送機驅動頭架不同工況條件下的應力狀態和結構位移情況進行分析研究，進而確定驅動頭架應力集中點和危險部位，并對其進行改進優化，以保障驅動頭架的使用質量及安全，為后續驅動頭架結構設計及優化提供一定理論參考。

1 帶式輸送機驅動頭架的結構及分類

帶式輸送機驅動頭架主要由支柱、斜撐桿、底座橫梁以及連接槽鋼等構件共同組成，常見的驅動頭架可根據形狀劃分為角形驅動頭架和矩形驅動頭架兩種，具體情況如圖1 和圖2 所示。

圖1 角形驅動頭架

圖2 矩形驅動頭架（單位：mm）

此外，帶式輸送機驅動頭架還可以根據材料劃分為型鋼驅動頭架和板式驅動頭架兩類，具體情況如圖3 和圖 4 所示[2-3]。

圖3 型鋼驅動頭架

圖4 板式驅動頭架

2 基于ANSYS 仿真的帶式輸送機驅動頭架模型構建

2.1 實體模型構建

本次研究中的帶式輸送機驅動頭架主要由鋼板、槽鋼等材料通過焊接螺栓連接等方式連接而成，由于驅動頭架整體受力情況較為復雜，所以為簡化計算過程，應在保障驅動頭架原有結構情況下，對其中受載荷、應力影響相對較小位置進行適當簡化，進而獲取到圖5 中驅動頭架實體模型。

圖5 驅動頭架實體模型示意圖

2.2 力學模型簡化

由于本研究中所采用的驅動頭架螺栓連接處所受力對驅動頭架整體受力情況影響較小，所以在進行有限元分析過程中，為簡化計算過程，提高分析效率，會將原本螺栓連接簡化為焊接連接。

3 基于ANSYS 仿真的帶式輸送機驅動頭架有限元分析

將簡化后的實體模型導入到ANSYS 軟件中，通過ANSYS 軟件進行驅動頭架有限元分析。

3.1 材料屬性設置

在進行有限元分析前，應先結合驅動頭架實際，合理設置材料屬性，具體屬性見表1。

表1 驅動頭架有限元模型材料屬性參數

3.2 模型網格劃分

在模型網格劃分前，應在ANSYS 軟件內置的諸多單元類型中優先選擇較為簡單的單元類型，從而在盡可能反映驅動頭架實際受力情況的前提下，保障計算效率和精準性。

由于驅動頭架整體結構較為復雜，在綜合分析后，最終選擇Solid92 單元，并設置有6 個節點，每個節點設置3 個自由度，可實現X 軸、Y 軸以及Z 軸三個方向位移傳遞。

對于網格劃分，研究中將會采用流體力學方法進行網格劃分，此種劃分方法所劃分出的網格更加精細流暢，更適用于驅動頭架這種整體結構較為復雜的實體模型網格劃分。具體劃分過程中，為綜合計算效率和計算進度等多種要求，最終確定網格精度為+100，單元尺寸為10 mm，最終劃分出116 948 個實體單元，節點數量為36 815，完成網格劃分后的有限元模型如圖6 所示。

圖6 驅動頭架有限元模型的網格劃分

3.3 仿真結果分析

結合實際情況來看，帶式輸送機驅動頭架主要存在以下兩種工況。

1）帶式輸送機啟動時，驅動頭架需要克服機體、物料等靜止慣性力以及整體輸送機系統的輸送助力，此過程中所產生的動載荷要大于正常工作狀態下的動載荷。通常情況下，帶式輸送機啟動會采用軟啟動方式來降低動載荷。

2）在特殊條件下，帶式輸送機將會出現輸送帶跑偏情況。此種工況下雖然輸送機還可以正常運行，但輸送帶的一側將會與滾筒邊緣相互重合，進而導致輸送帶中心線偏移，驅動頭架所承受的載荷分布將會表現出不均勻情況，嚴重影響驅動頭架的使用壽命，屬于一種相對危險的工況。

對以上兩種工況條件下驅動頭架受力情況進行應力分析，最終獲取到以下有限元分析結果，如圖7、圖 8、圖 9、圖 10 所示。

圖7 驅動頭架應力（MPa）云圖

圖8 驅動頭架X 方向上位移（mm）圖

圖9 驅動頭架Y 方向上位移（mm）圖

圖10 驅動頭架Z 方向上位移（mm）圖

3.3.1 驅動頭架強度分析

通過以上有限元分析結果可知，在帶式輸送機啟動工況下，驅動頭架的最大應力值為78.117 MPa，最大應力點位于驅動頭架水平支撐桿和斜撐桿相連處；驅動頭架支柱上最大應力處于50～60 MPa 區間，該最大應力區間位于支柱下部臨近驅動頭架底座橫梁位置；而驅動頭架底座橫桿上應力值則相對較低。

在輸送帶跑偏工況下，驅動頭架的最大應力值為57.474 MPa，最大應力點位于驅動頭架水平支撐桿和斜撐桿相連處；驅動頭架支柱上最大應力處于40～50 MPa 區間，該最大應力區間位于支柱下部臨近驅動頭架底座橫梁位置；同樣，驅動頭架底座橫桿上應力值相對較低。

3.3.2 驅動頭架剛度分析

通過以上有限元分析結果可知，在帶式輸送機啟動工況下，驅動頭架沿X 方向上的最大位移值為0.016 433 mm，最大位移點位于驅動頭架安設滾筒軸承處，此數值遠小于驅動頭架X 方向上的允許撓度標準值6 mm，所以此位移值符合要求；驅動頭架沿Y方向上的最大位移值為0.416 69 mm，最大位移點位于驅動頭架橫撐桿和斜撐桿相互連接處，此數值遠小于驅動頭架Y 方向上的允許撓度標準值6 mm，所以此位移值符合要求；驅動頭架沿Z 方向上的最大位移值為1.549 8 mm，最大位移點位于支柱頂端橫梁上，此數值遠小于驅動頭架Z 方向上的允許撓度標準值7 mm，所以此位移值符合要求。

在輸送帶跑偏工況下，驅動頭架沿X 方向上的最大位移值為0.026 068 mm，最大位移點位于輸送帶偏向側橫撐桿與斜撐桿相互連接處上方拐角位置，此位移值符合要求；驅動頭架沿Y 方向上的最大位移值為0.317 82 mm，最大位移點位于輸送帶偏向側橫撐桿與斜撐桿相互連接處下方拐角位置，此位移值符合要求；驅動頭架沿Z 方向上的最大位移值為1.192 9 mm，最大位移點位于輸送帶偏向側的支柱頂端橫梁上，此位移值符合要求。

3.3.3 驅動頭架焊縫強度分析

通過以上有限元分析可知，驅動頭架焊縫處最大應力值為70 MPa，而驅動頭架的許用應力為160 MPa，此應力值符合要求。

4 帶式輸送機驅動頭架優化及實踐應用

通過有限元分析可知，驅動頭架雖然各項參數值均符合標準要求，但相對于Q235 鋼150 MPa 的許用應力，各類參數值均有著較大的富余空間，所以可以適當對驅動頭架整體結構進行優化。具體優化方案為將撐桿板、加勁板的厚度分別從原本的25 mm 和20 mm 優化為20 mm 和15 mm；立柱截面和底座橫截面高度分別從原本的630 mm 和450 mm 優化為600 mm 和400 mm；橫撐桿與斜撐桿相互連接處采用半徑為400 mm 的圓角進行過渡；去除底座橫梁加勁板。將優化后的帶式輸送機驅動頭架應用到工程實踐，最終發現此方案不僅有效降低驅動頭架生產成本，還可以保障驅動頭架運行中的安全性，達成經濟性和安全性目標，可以在后續驅動頭架結構設計及優化中參考應用。

5 結語

通過有限元模型分析發現，現有帶式輸送機驅動頭架各項參數均符合標準要求，但卻存在較大參數富余，所以為保障驅動頭架經濟性，研究中分別從橫桿板、加勁板、立柱界面、底座橫截面、橫撐桿與斜撐桿相互連接處等方面進行合理優化，最終不僅有效降低驅動頭架生產成本，還可以保障驅動頭架應用安全性，所以研究具有一定應用價值，可在后續驅動頭架結構設計及優化中進行參考應用。