選煤廠圓管帶式輸送機桁架梁結構的優化設計

席亞峰

（西山煤電西曲選煤廠， 山西 古交 030200）

0 引言

圓管皮帶輸送機是一種環境友好型的連續輸送裝置，正逐漸受到國民經濟各個部門的關注，在港口、冶金、電力、石油化工等行業中的應用，主要用于輸送煤、礦粉、硫鐵礦渣等[1]。本文應用有限元分析方法，對圓管皮帶輸送機的桁架梁進行了靜力、模態分析和結構優化設計，以提高其可靠性、節省設計時間、減輕系統質量、降低制造成本等方面的應用，有著重要的發展意義。

1 桁架梁結構設計及載荷分析與計算

1.1 圓管帶式輸送機桁架梁結構特點

圓管帶式運輸機的桁架梁結構，其主要功能是安裝托輥窗口，圓形傳送帶由其內部通過，而機架梁節距和形狀尺寸則主要由滾筒框架的排列、構造及尺寸決定。按其截面形狀可分為矩形、三角形、上圓、下矩形等，矩形框架按輥數分為一輥式、二輥式、三輥式和六輥式[2]。常規傳送段托輥的排列方式為單邊六輥式。

從以上可以看出，圓管皮帶運輸機的托輥數量和排列方式各不相同，但是由于托輥窗的外形多為矩形，所以大部分的桁架梁采用了箱形結構在選用圓管皮帶運輸機桁架梁的橫截面形狀時，為了方便安裝托輥窗口，同時也要方便在桁架平面上進行節點和外部桁架的連接，并要考慮到各種不同的桿件。在壓力桿構件中，必須保證壓力桿在兩軸的橫斷面上的臨界應力是相等的。桁架外框架的弦桿必須有足夠的橫向剛性，以免在運輸時發生橫向彎曲。圓管皮帶運輸機桁架梁的節點板結構與一般桁架結構相似，但要注意的是，節點板的排列不會對托輥窗體的布置造成影響，而且節點的設計要保證托輥窗口的布置簡單，便于焊接。

1.2 圓管帶式輸送機桁架梁結構載荷分析與計算

圓管皮帶輸送機的輸送皮帶是在常規皮帶輸送機的基礎上經過重大技術改造而形成的。在輸送帶經過托輥時，為保證其圓管形狀，需要在輸送帶上增加一種特定的骨架，以保證輸送帶的剛度達到工作要求。圓管皮帶輸送機的傳送帶結構是以橡膠為外包層，以纖維芯材或鋼絲繩為基材，以膠黏劑為隔離層，將帶芯黏結在一起。對于使用纖維芯型輸送帶類型，其輸送帶自重qB由式（1）求得：

式中：qB1為帶芯的單層質量，kg/m2；dB1、dB2為芯材上、下層覆蓋層厚度，mm；Z 為帶芯層數；B 為輸送帶的寬度，mm。

圓管皮帶輸送機輸送的物料種類繁多，能輸送粉料、顆粒、塊體，還能輸送高含水量的黏性物質。通常，最大顆粒尺寸不能大于管道直徑的1/3，輸送物料的整體填充比為環形管道的75%，最大不應超過80%。合理的填充率應綜合考慮物料的種類、密度、溫度等基本性質，以保證物料的運輸過程相對平穩，避免物料遭到損壞。在計算物料的載荷qG時，按照材料的粒徑對密度的影響，按照材料負荷在管道內的分布情況，其計算公式如下：

式中：qG為每段物料的質量，kg/m；Iv為容積輸出量，m3/s；ρ 為物料堆集密度，kg/m3；v 為輸送帶速度，m/s。

1.3 圓管帶式輸送機桁架梁校核計算

空間桁架結構因其材料節約、重量輕、剛度大、傾斜角度大、能進行空間轉向等優點而具有一定的特殊性[3]。本文在此對其結構強度進行計算校核。在水平設置的無彎曲桁架梁僅承受豎向荷載的情況下，桁架梁上弦承壓，是一種壓桿；而梁下弦受拉力的影響，為拉桿；在實際工作條件下，橫向風向荷載對桁架梁也有一定的影響，因此，弦桿會承受兩個方向的荷載，其強度條件如下：

式中：FN為弦桿截面上的軸向作用力，N；Aj為弦桿的凈截面積，mm2；σ 為弦桿截面上受力最大值，N/mm2；[σ]為材料的許用應力，N/mm2。

在水平彎曲段的桁架梁上，既有豎向荷載，又有橫向荷載，弦桿為非軸向受力構件，因而產生偏心彎矩Mx，其強度狀況如下：

式中：Mx為一個節間內由于水平彎曲引起的水平偏心彎矩，N·m；Wx為弦桿X 方向截面模量，mm3。

2 圓管帶式輸送機桁架梁結構有限元分析

2.1 桁架梁結構性能參數

為方便對圓管皮帶輸送機的桁架梁進行優化設計，采用ANSYS 自帶的APDL 參數化建模語言，對其進行了有限元參數化建模。

1）直線段：跨度L=22 m、梁高1.4 m、梁寬0.754 m、上下弦桿采用等角鋼∠140×12、豎桿和橫梁用等角鋼∠50×6、斜桿用等邊角鋼∠63×6、托輥窗鋼板厚6 mm；

2）彎曲段：弧長L=19.6 m，彎曲半徑R=150 m，梁高1.4 m，梁寬0.754 m，上弦和下弦用等角鋼∠140×12，豎向和橫向支撐用等角鋼∠50×6，斜桿為等邊角鋼∠63×6，托輥窗鋼板厚6 mm。

2.2 桁架梁結構有限元模型網格劃分及靜力學分析

2.2.1 桁架梁結構有限元模型網格劃分

在有限元分析過程中，網格劃分是否合理是一個非常關鍵的步驟，網格劃分的好壞直接關系到計算結果的準確性。本文所述桁架梁的構造方法是人工和自動化分割，其網格線密度較高。邊界處理是有限元計算中的一個重要問題，它是有限元計算的核心。如果沒有足夠的約束，或有過多的限制，則會使結算不精確，甚至計算不出。在進行有限元計算時，要保證整體剛性矩陣不是奇異矩陣，只有這樣，才能保證所求數值的存在且唯一。為了更好地模擬工程中的實際狀況，采用BEAM188 單元進行整體桁架仿真，SHELL63仿真了托輥窗口和桁架節點上的相應結點。桁架梁結構采用了交接約束，在左端和右下角分別施加X、Y、Z三個方向的約束。

在有限元方法中，受力是通過節點來傳遞的，而在桁架梁中，荷載是從桁架上的桿子傳給桁架的，因此，在協同作用下，它會被集中到桁架梁的上部節點上。本文選擇了一種具有代表性的圓管皮帶運輸機桁架梁的直線段，由于該處的張緊力是輸送機中最大的點，所以該彎曲部分選擇了第二個橫向彎弧段接近9的桁架梁。

2.2.2 桁架梁結構靜力學分析

直線段桁架梁受力最大值為66.98 MPa，上弦桿在跨中位置處產生最大應力，桁架梁結構的最大靜撓度亦出現在跨中位置為16.163 mm。依據設計規范，其垂直變形與跨徑之比應小于1/500。從這一點可以看出，直線段桁架結構既能達到強度和剛度的要求，又能承受較大的應力和變形，具有較好的優化空間。水平彎節段桁架梁受力最大值發生在兩個支點位置的豎桿；桁架梁靜變形最大值發生在跨度中心位置處，即

從上文分析中可以看出，桁架梁能達到強度和剛度的要求，并且在結構的應力和變形方面具有相當的富余，其結構符合優化的標準，整個桁架梁結構總體積為0.432 87×108mm3。

3 圓管帶式輸送機桁架結構優化結果分析

對桁架梁進行優化，首先，對框架梁進行了參數優化分析。基于有限元計算，建立了以桁架梁模型中截面尺寸作為輸入參數，最大等效力值作為輸出參數的參數化優化模型。多目標驅動優化就是從給定的設計點中選擇最優的設計點，從而使多目標優化問題得到更好的解決方案，以最大等效應力目標設為最小值，重要程度設置為最高。將產生3 組候選的優化設計點A、B、C，如表1 所示。

表1 桁架截面優化結果示意表

如表1 所示，在三個最佳設計點中，兩類桁架梁的斷面尺寸比優化前減小，并且都在允許的應力[σ]范圍內，然后將三個優化點A、B、C 的值分別插入設計點，得到的結果是A 點的大小更符合桁架梁的最佳值，而當材料承受的最大等效應力值為-154.87 MPa 時，材料的強度達到了156.43 MPa，則優化點A即為最優解。本文對圓管帶式輸送機機架梁采用了多目標優化設計，在此基礎上，得到了三個最佳方案，并用最佳點插入法得到了最優的截面尺寸。與最優方案相比，優化后的桁架梁截面尺寸顯著降低，導致材料應力值增大，但經上述分析，其應力值仍然在安全范圍內，但質量減少了472 kg，下降了14.8%。可見，通過對管帶機的結構進行優化，不僅可以減少其質量，而且還可以使其材料性能得到最大程度的提高。

4 結語

基于圓管皮帶運輸機桁架梁受力情況，根據其實際工作情況，對其荷載構成進行了分析。重點介紹了圓管皮帶運輸機直線段以及彎曲段桁架梁的受力狀況，并對其性能和作用模式進行了研究。最后依據靜力學分析結果，應用ANSYS 軟件的最優設計模塊進行了圓管皮帶運輸機桁架梁的優化設計，使得其機架結構得到了減輕，為從事相關行業人員提供了理論基礎。