帶式輸送機(jī)緊身封閉防護(hù)罩的研究與設(shè)計(jì)

張中盤，時(shí)瑛, 李寧鋼，史震，萬(wàn)書亭

（1.國(guó)能廣投北海發(fā)電有限公司，廣西北海 536000；2.華北電力大學(xué)河北省電力機(jī)械裝備健康維護(hù)與失效預(yù)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定 071003）

0 引言

為了實(shí)現(xiàn)國(guó)家能源“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)，推進(jìn)煤炭的綠色發(fā)展和高清潔化輸送[1]，現(xiàn)代大型皮帶輸送機(jī)設(shè)備正朝著智能化、高清潔化方向飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的帶式輸送機(jī)一般是露天布置的[2]，容易造成環(huán)境的污染，且易受雨雪、臺(tái)風(fēng)等天氣影響，在運(yùn)輸過(guò)程中受外部影響因素較多。

為此相關(guān)企業(yè)和科研人員設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了不同的帶式輸送機(jī)清掃器，以清除皮帶上的黏結(jié)物，起到防塵效果[3-4]。同時(shí)設(shè)計(jì)噴霧抑塵方案[5-6]，文獻(xiàn)[5]對(duì)煤塵污染治理進(jìn)行了研究，使噴嘴噴霧與防塵罩共同工作，實(shí)現(xiàn)了良好的除塵效果。文獻(xiàn)[6]采用噴霧除塵方法，為實(shí)現(xiàn)沉降抑制，該方法將噴出的霧水與空間里的煤塵黏合，避免了煤塵向周圍的空氣中擴(kuò)散，為皮帶機(jī)提供了一個(gè)良好的工作運(yùn)行環(huán)境。文獻(xiàn)[7]、[8]設(shè)計(jì)了不同類型的封閉式防護(hù)罩，實(shí)現(xiàn)了物料在輸送過(guò)程中的全封閉化，阻止了煤炭粉塵運(yùn)輸過(guò)程中造成的外溢；文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了一種帶式輸送機(jī)防塵防雨罩，有效地隔絕輸送的物料與外界的接觸；文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了一種大傾角帶式輸送機(jī)防護(hù)裝置，可以避免飛石、滾料傷人；文獻(xiàn)[11]實(shí)現(xiàn)了全封密式輸送，有效地防止了運(yùn)輸時(shí)的揚(yáng)塵問(wèn)題，提高了防護(hù)罩的環(huán)保性能。

為滿足電力發(fā)展需求，工程中所包含的部分帶式輸送機(jī)采取露天布置方式。在燃煤輸送時(shí)，為保證帶式輸送機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要防止運(yùn)行中的灰塵造成污染及因被雨水淋濕而改變濕度?，F(xiàn)有的戶外帶式輸送機(jī)普遍安裝功能單一的防雨罩、防塵罩，而對(duì)于沿海多臺(tái)風(fēng)地區(qū)的帶式輸送機(jī)，需具備一定的抗風(fēng)能力，為了解決上述存在的問(wèn)題，因此需要設(shè)計(jì)一種綜合防護(hù)性能優(yōu)越的緊身封閉防護(hù)罩。

1 緊身封閉防護(hù)罩設(shè)計(jì)思路

根據(jù)北海電廠地理位置、電力發(fā)展需求，提出了以下設(shè)計(jì)思路：1）為了防止受雨水淋濕及運(yùn)行中產(chǎn)生的灰塵造成的環(huán)境污染，采用倒U形緊身封閉式設(shè)計(jì)；2）為便于維護(hù)，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，可針對(duì)性地對(duì)某一節(jié)進(jìn)行操作，防護(hù)罩采用組合式結(jié)構(gòu)，拆裝簡(jiǎn)單，可快速開(kāi)關(guān)防護(hù)罩；3）為了保證防護(hù)罩抗風(fēng)性能，采用固定角鋼、封閉式門架、中間架、地基等多種固定支撐方式相結(jié)合，使其具備抵抗60 m/s風(fēng)速的能力；4）為便于觀察防護(hù)罩內(nèi)部情況，防護(hù)罩采用全透明的配雙面UV涂層的聚碳酸酯（PC）實(shí)心耐力板，使用壽命長(zhǎng)，具有高透明性，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決內(nèi)部出現(xiàn)的問(wèn)題，也可以提高設(shè)備的美觀度和設(shè)備的抗紫外線性能。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

所設(shè)計(jì)的帶式輸送機(jī)緊身封閉防護(hù)罩主要包括固定裝置和防護(hù)罩兩部分。防護(hù)罩采用固定角鋼、封閉式門架、中間架、地基多種固定支撐方式，內(nèi)部可通過(guò)中間架與皮帶機(jī)支架進(jìn)行連接，進(jìn)一步提高了整體強(qiáng)度，具備一定抗風(fēng)性能，如圖1所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)圖

2.1 固定裝置部分設(shè)計(jì)

如圖1所示，固定裝置包括2組地基6，2組地基6上端均設(shè)置固定角鋼5，固定角鋼5通過(guò)螺栓固定安裝U形封閉門架1，U形封閉門架1內(nèi)腔上部安裝橫梁2，內(nèi)腔中部安裝加強(qiáng)筋3，2組地基6之間共同安裝中間架7，中間架7位于U形封閉門架1內(nèi)側(cè)，中間架7和U形封閉門架1之間設(shè)置鎖緊掛鉤4。

1）U形封閉門架。緊身封閉防護(hù)罩結(jié)構(gòu)的封閉門架為獨(dú)立的門形支架，等間隔布置，組合式結(jié)構(gòu)，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，可針對(duì)性地對(duì)某一節(jié)進(jìn)行操作，極大減少了資源的浪費(fèi)。U形封閉門架頂部的橫梁和中部的加強(qiáng)筋可增強(qiáng)整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2）中間架。如圖2所示，中間架由工字鋼和L形角鋼焊接而成，其和U形封閉門架之間通過(guò)鎖緊掛鉤4連接，進(jìn)一步增強(qiáng)了帶式輸送機(jī)緊身封閉防護(hù)罩的穩(wěn)定性，防止極端天氣（如風(fēng)、雪、臺(tái)風(fēng)等）對(duì)于帶式輸送機(jī)防護(hù)罩的影響。

圖2 中間架

2.2 緊固密封部分設(shè)計(jì)

1）擰緊結(jié)構(gòu)。如圖3所示，U形封閉門架外表面設(shè)置圖3（a）所示的凸臺(tái)11，可與圖3（b）所示擰緊裝置配合加強(qiáng)固定。該擰緊裝置的緊固螺栓2頂部呈空心圓柱結(jié)構(gòu)，可使長(zhǎng)銷5順利穿過(guò)，達(dá)到固定效果，緊固螺栓2頂部空心圓柱結(jié)構(gòu)與頂部弧形壓條9 端部空心圓柱相匹配，方便長(zhǎng)銷5的抽取，從而便于頂部弧形壓條9的拆卸。

圖3 擰緊結(jié)構(gòu)圖

2）固定壓條。如圖1所示，PC防護(hù)罩8的上側(cè)和兩側(cè)之間連接處設(shè)置碳鋼壓條10，碳鋼壓條10通過(guò)螺栓與U形封閉門架1固定連接；PC防護(hù)罩8外表面安裝頂部弧形壓條9，用于增強(qiáng)PC防護(hù)罩8與U形封閉門架1的連接強(qiáng)度。

3）防護(hù)罩及密封性。防護(hù)罩采用的是透明聚碳酸酯（PC）材料抗風(fēng)耐力板，強(qiáng)度高，可抵抗一定的極端天氣，具備良好的透明度，可便于觀察物料輸送的具體情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決輸送過(guò)程出現(xiàn)的問(wèn)題。

U形封閉門架和PC防護(hù)罩之間設(shè)置有自粘密封條，提高防護(hù)罩的密封性，避免了揚(yáng)塵現(xiàn)象，可防止雨、雪等的滲入，改善了輸送過(guò)程的環(huán)境質(zhì)量。

3 風(fēng)荷載

3.1 平均風(fēng)荷載

對(duì)于防護(hù)罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)位置j處的平均風(fēng)荷載wmj的計(jì)算公式為

3.2 風(fēng)洞試驗(yàn)和風(fēng)荷載函數(shù)擬合

風(fēng)洞試驗(yàn)如圖4所示。根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)所得的各測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)，取來(lái)流風(fēng)速為60 m/s，經(jīng)式（1）計(jì)算得出防護(hù)罩表面測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓數(shù)據(jù)。結(jié)合測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓分布，將風(fēng)壓數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)擬合，傅里葉算法擬合精度較高，符合測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓分布實(shí)際情況，如圖5所示。

發(fā)展微電網(wǎng)的目的主要有三個(gè)：一是通過(guò)柴油機(jī)、小風(fēng)電、分布式光伏等獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)，解決與大電網(wǎng)聯(lián)系薄弱的農(nóng)村和偏遠(yuǎn)地區(qū)用電問(wèn)題；二是在可再生能源高滲透率地區(qū)，通過(guò)微電網(wǎng)這一穩(wěn)定的電力供應(yīng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)分布式可再生能源的消納和多種能源的高效利用；三是作為大電網(wǎng)的備用和補(bǔ)充，滿足對(duì)電能質(zhì)量和供電可靠性有特殊要求的用戶需要和特殊時(shí)期的應(yīng)急供電。

圖4 風(fēng)洞試驗(yàn)

圖5 傅里葉擬合

傅里葉擬合的公式可表達(dá)為

對(duì)防護(hù)罩表面各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行1～8階傅里葉擬合計(jì)算，對(duì)比不同運(yùn)算階數(shù)下風(fēng)壓數(shù)據(jù)傅里葉擬合效果，具體參數(shù)如表1所示。

表1 不同階數(shù)下傅里葉擬合效果參數(shù)

在曲線擬合過(guò)程中需結(jié)合工程實(shí)際，綜合考慮曲線形狀與擬合誤差。根據(jù)表1中的傅里葉擬合效果參數(shù)，2階傅里葉擬合函數(shù)的模型匹配度、輸出與輸入的匹配度較高，結(jié)合圖5的擬合形狀，可知2階函數(shù)擬合較符合實(shí)際，擬合的函數(shù)為

式中：a0=883.9，a1=1772，b1=222.3，a2=-35.67，b2=1085，w=1.821。

4 靜力學(xué)分析

4.1 仿真模型的建立

為保證計(jì)算結(jié)果的效率及準(zhǔn)確性，對(duì)防護(hù)罩結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的模型主要結(jié)構(gòu)包括護(hù)罩、門架、橫梁、固定角鋼、加強(qiáng)筋，如圖6所示。

圖6 仿真模型示意圖

對(duì)圖6所示簡(jiǎn)化模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，分析結(jié)構(gòu)時(shí)，采用適合梁結(jié)構(gòu)的BEAM188單元模擬橫梁、門架及固定角鋼；采用適合殼結(jié)構(gòu)的SHELL181模擬防護(hù)罩、加強(qiáng)筋。對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行合理的細(xì)化，經(jīng)網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證之后，網(wǎng)格劃分大小取0.03 m，共得到40 068個(gè)有限元節(jié)點(diǎn)、42 422個(gè)有限元網(wǎng)格單元。

4.2 約束及加載

對(duì)防護(hù)罩底部施加固定約束，約束防護(hù)罩底部固定角鋼所有節(jié)點(diǎn)的位移和轉(zhuǎn)角；同時(shí)對(duì)防護(hù)罩內(nèi)部加強(qiáng)筋也施加相同的固定約束，約束內(nèi)部加強(qiáng)筋各個(gè)節(jié)點(diǎn)的6個(gè)自由度。將平均風(fēng)載荷擬合的函數(shù)加載到模型上進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析。

4.3 材料屬性

C6AB帶式輸送機(jī)緊身封閉防護(hù)罩結(jié)構(gòu)中的門架、固定角鋼、橫梁、加強(qiáng)筋材料均采用Q235B鋼，透明防護(hù)罩則采用聚碳酸酯（PC）材料，其厚度為4 mm。材料屬性和性能指標(biāo)如表2所示。

表2 材料屬性

4.4 分析結(jié)果

對(duì)帶式輸送機(jī)緊身封閉防護(hù)罩主體結(jié)構(gòu)施加平均風(fēng)荷載后，根據(jù)圖7所示結(jié)構(gòu)云圖，位移變形量較為明顯的區(qū)域是兩側(cè)防護(hù)罩，其中迎風(fēng)面防護(hù)罩剛度較小，位移變形量最大，最大變形量為31.241 mm；防護(hù)罩與封閉式門架、橫梁等構(gòu)件的連接位置較易產(chǎn)生應(yīng)力集中，尤其體現(xiàn)在迎風(fēng)面，最大Von-Mises位于封閉式門架內(nèi)側(cè)，最大值為22.6 MPa，小于Q235B碳鋼材料屈服極限，符合強(qiáng)度要求。防護(hù)罩的最大Von-Mises為9.1 MPa，根據(jù)聚碳酸酯性能指標(biāo)，滿足強(qiáng)度要求。

圖7 平均風(fēng)荷載下結(jié)構(gòu)云圖

由上所述，該結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面一側(cè)受風(fēng)荷載影響后，位移變形較大，在實(shí)際應(yīng)用中較為危險(xiǎn)，需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，采取對(duì)側(cè)護(hù)罩內(nèi)部加設(shè)支撐橫梁的措施，橫梁的位置位于底部橫梁上方300 mm處，對(duì)結(jié)構(gòu)重新分析。

4.5 優(yōu)化后結(jié)果

對(duì)優(yōu)化后的緊身封閉防護(hù)罩進(jìn)行相同工況下的靜力學(xué)特性分析，優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)特性對(duì)比如表3所示。

表3 靜力學(xué)特性

根據(jù)表3優(yōu)化前后靜力學(xué)特性結(jié)果的對(duì)比可知，優(yōu)化后最大變形量明顯減少，僅為0.86 mm，降幅比例達(dá)97.2%；對(duì)于應(yīng)力的降低也起到一定作用，連接處最大Von-Mises為18.4 MPa，小于Q235B碳鋼的材料屈服極限，符合強(qiáng)度要求。防護(hù)罩區(qū)域最大應(yīng)力為3.63 MPa，符合聚碳酸酯的強(qiáng)度要求。相對(duì)于位移量的變化幅度，應(yīng)力變化幅度則較小，其中連接件的降幅為18.6%，防護(hù)罩區(qū)域的最大應(yīng)力降幅為60.1%。

圖8對(duì)比了優(yōu)化前后緊身封閉防護(hù)罩不同位置的靜力學(xué)特性變化，結(jié)合圖7、圖8（a）及表3可知，優(yōu)化前結(jié)構(gòu)的位移變形量較為明顯的區(qū)域位于側(cè)面防護(hù)罩，最大變形量位于迎風(fēng)側(cè)的防護(hù)罩，經(jīng)過(guò)優(yōu)化，側(cè)面防護(hù)罩最大位移變形量顯著降低，且主要集中在上護(hù)罩區(qū)域，其它位置的位移變形量較小，由此可見(jiàn)增加穩(wěn)固橫梁不僅降低了最大位移變形量，也使最大變形的位置從側(cè)護(hù)罩轉(zhuǎn)移至上護(hù)罩。

圖8 優(yōu)化前后對(duì)比柱狀圖

根據(jù)圖8（b）所示應(yīng)力變化柱狀圖，增加穩(wěn)固橫梁后，加強(qiáng)筋的應(yīng)力明顯增加，側(cè)護(hù)罩和門架的應(yīng)力均減小，上護(hù)罩和橫梁的基本保持不變?？偟膩?lái)看，優(yōu)化后加強(qiáng)筋、封閉式門架、橫梁等連接構(gòu)件的位置較易產(chǎn)生應(yīng)力集中，尤其體現(xiàn)在迎風(fēng)面一側(cè)，側(cè)護(hù)罩和上護(hù)罩區(qū)域的應(yīng)力則相對(duì)較小，與優(yōu)化前相似。可見(jiàn)優(yōu)化前后應(yīng)力的主要集中位置并未改變，但加強(qiáng)筋應(yīng)力集中較為明顯。

綜上所述，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)最大變形量顯著降低，主要變形位置從側(cè)護(hù)罩轉(zhuǎn)移至上護(hù)罩；封閉式門架與防護(hù)罩連接處及加強(qiáng)筋與防護(hù)罩連接處是受風(fēng)載荷影響最大的位置，在平均風(fēng)荷載下，防護(hù)罩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合要求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種帶式輸送機(jī)緊身封閉式防護(hù)罩，采用組合式封閉結(jié)構(gòu)形式，防護(hù)的同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)高清潔化物料輸送。根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)得到的風(fēng)壓分布規(guī)律，對(duì)緊身封閉防護(hù)罩結(jié)構(gòu)在60 m/s平均風(fēng)荷載下進(jìn)行了靜力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)其側(cè)護(hù)罩變形較大并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后變形量明顯降低，指出了優(yōu)化后主要變形位置從側(cè)護(hù)罩轉(zhuǎn)移至上護(hù)罩，且封閉式門架與防護(hù)罩連接處及加強(qiáng)筋與防護(hù)罩連接處是受風(fēng)載荷影響最大的位置，在平均風(fēng)載荷下，主體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合使用要求。