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双拉索机架带式转载机的优化设计与仿真分析

2023-09-05 62 上传者：管理员

摘要：目前，带式转载机已逐渐成为运输散状物料的关键性设备，被广泛应用到我国的各大工业领域中。然而，带式转载机在高低起伏的工况下运行时往往会由于机架较长而遭受较大的载荷冲击，严重影响了设备的工作效率以及稳定性。基于此，采用经典设计理论与软件相结合的方式进行了带式转载机双拉索机架的优化设计，搭配有限元仿真手段确定了拉索在机架上的最优配置，从而在一定程度上改善了带式转载机的受力状态，增加了设备的使用寿命。

关键词：
双拉索机架
带式转载机
有限元仿真
煤矿机械
设计优化
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随着我国煤矿机械化水平的不断提高，煤矿企业的高效运输生产也得到了进一步的发展。作为运输散装物料的关键性设备，带式转载机的可靠性及稳定性的好坏，在某种程度上影响着企业生产运输效率的高低[1]。针对带式转载机在不平路况上出现的机架载荷冲击问题，将带式转载机的双拉索机架进行设计优化就显得十分有意义。因此，本文在理论设计与软件计算相结合的情况下对带式转载机的双拉索机架展开了设计优化，同时采用有限元仿真进行了验证，以期其能改善机架的受力状态，提高设备的整体运输效率。

1、带式转载机的结构组成及原理

本文研究的带式转载机实际上是带式输送机的一种，又被叫作皮带转载机或胶带转载机。当设备在运行时，主要是凭借着输送带的持续运动来完成各种物料的运输任务，如煤炭、矸石或者水泥等散装物料，同时它还可以运输各种成件的生活物品[2]。因此，带式转载机的适用性非常广泛，出于设备的使用地点、服务对象或者运输环境的差异，如今的带式转载机已经衍生出了多种类型，但是其主要结构以及工作原理是没有变化的。如图1所示，为带式转载机的具体结构组成示意图。

图1带式转载机结构组成

其中，整个设备的重力都是依靠带式转载机的机架来支撑的，机架又具体分为了机头，机尾、中间架以及支腿。机架上部的输送带主要提供运输过程中的摩擦力以及承载物料的作用，紧紧的围绕在机架两侧的滚筒上形成一个完整的闭合式环状结构。同时，在运输物料的过程中，为了降低输送带的弯曲垂度，安装有托辊。托辊的作用主要是对输送带起到一个支撑的作用，降低了其在工作时的阻力。凭借着驱动滚筒以及带面的摩擦力驱使物料运行，而驱动滚筒一般情况下都设置在卸载物料的一端，这将更有利于拖动物料。拉紧装置则是在输送带运行的过程中，为其提供正常运行所需要的张紧力，能够有效防止输送带与滚筒之间由于摩擦力不足而出现打滑的现象。

2、带式转载机机架的设计与优化

2.1双拉索条件下机架的受力分析

为了改善带式转载机在高低起伏的路况下机架的载荷冲击问题，本文采用双拉索的形式来缓解机架的受力情况。考虑到设备在工作时，其上部的物料是沿纵向均匀分布的，因此可以将运行中的带式转载机力学结构模型简化为受力均匀的悬臂梁，如图2所示，为带式转载机机架的受力分析。

机架受到自身载荷重力，O点处为支座的反力F0x与F0y。两个拉索的拉力分别作用在A点与B点，对应的拉力大小为F1与F2。把物料的重力以及自身的重力看作是一个均匀分布的载荷q,O点位于悬臂梁的左端，从而得到了平面直角坐标系xoy。以整个带式转载机机架为研究对象，对其受力情况进行分析，可以建立以下平衡方程：

图2带式转载机机架的受力分析

式中：FAx、FAy为第一根拉索的拉力F1分别在X、Y轴方向上的分力，N;FBx、FBy为第二根拉索的拉力F2分别在X、Y轴方向上的分力，N;G1为电机的重力，N;q为梁上均布载荷（包括梁的自重和运输的料重），N;H为两个拉索节点处距离最左端梁的大小，m;x1为第一根拉索与梁最左端的距离，m;x2为第二根拉索与梁最左端的距离；α为第二根拉索与竖直方向的夹角，（°）；β为第一根拉索与竖直方向的夹角，（°）；L为机架的总长度，m。

从而就可以求得OA段的弯矩为：

AB段的弯矩为：

为了进一步确定带式转载机机架的最佳受力状态，寻找两根拉索的最合理位置，也就是x1与x2的取值最优解。通过前文的分析可知，无论是拉索的拉力大小、机架的支座反力大小又或是支架所受的弯矩，都是关于x1、x2的函数。所以，要想确定拉索位置的最优解，就需要在传统理论计算的基础上，采用MATLAB软件进一步优化计算。

2.2双拉索位置的确定

当拉索的悬吊位置发生变化时，整个架体所受的弯矩大小也会相应出现变化。如果出现机架所受弯矩最小的情况时，相应的机架变形程度也是最低的，由此可以将该位置的拉索悬吊点看作为其在带式转载机机架上端的最优位置点[3]。本着这个理念，将两条拉索在机架上的所处位置定义为设计变量，即x={x1;x2}，并以此为基础建立OA段弯矩的目标函数，经由MATLAB软件对所建立的目标函数展开优化计算，当对应的弯矩最小时就是双拉索的最佳位置x1、x2。

根据软件优化计算的最终结果，得到的最优设计变量x={7.13;1.8}；fval=-46 146.14。因此，第一根拉索的位置应该在x1=7.13 m处，第二根拉索的位置应该在x1x2=12.834 m处，这时机架所承受的弯矩为最小，对应的机架在运行过程中的变形程度也达到了最低，弯矩的最小值为-46 146.14 N·m。

2.3机架的强度校核

通过对拉索位置的受力分析可知，在拉索吊点B处的弯矩值最小，对应的B-B截面为悬臂梁的危险截面，需要对其进行强度校核。如图3所示，为危险截面的受力分析示意图。

图3危险截面的受力分析

通过F2以及已知条件，最终算出了各个力的大小，即F3=-47 695.2 N、F4=19 321.8 N、F5=35 628.6 N。经过比较可以发现F3是最大的力，因此机架在发生破坏时，是由该方向的力导致的，要对其进行强度的校核。此外，考虑到环境因素以及工作过程中路面不平稳的影响，在进行强度校核时，要将受力扩大1倍，机架受到的应力为：

式中：F3为机架的危险受力，N;d为B-B截面的面积，m2。

最终经过式（4）计算的应力σ=36.68 MPa。由于机架的材质多为Q235型钢，所以其安全系数取1.4，算出的许用应力[σ]为167.857 MPa，σ<[σ]，所以机架的强度符合要求。

3、带式转载机机架的有限元仿真

3.1机架模型的建立

根据上文机架的优化设计可知，双拉索条件下的机架受力情况可以得到明显的改善。同时借助MATLAB软件对拉索的吊点位置进行了计算，从而得到了最佳的悬吊位置。为了进一步验证上述的优化设计结果，又针对带式转载机机架进行了有限元分析。考虑到带式转载机机架的实际结构比较复杂，这将会使得整个有限元分析过程变得缓慢，所以本文在确保对重要部件影响不大的前提下，对构造的三维立体模型进行了适当简化。主要的考虑内容如下：

1）对于某些受力影响可以忽略的结构，例如具有焊缝的倒角、倒圆角等；

2）防止出现线面接触或者点面接触，最终建立的机架模型应该是面与面的接触、无间隙。其模型示意图如图4所示。

3.2有限元验证

在对机架的模型建立完毕后，展开求解运算。材料的许用应力为167.857 MPa，通过有限元分析得到的最大应力为34.222 MPa，满足强度要求。而前文中实际算出的最大应力值为36.68 MPa，这与仿真分析的应力大小极为接近，可以说明上文针对机架的优化设计是合理的。观察仿真模拟图可以发现，带式转载机在Y方向上产生了位移，且中间处的位移大小最大，为18.44 mm。根据材料刚度设计规范，其纵向位移的变化值小于总跨度的1/500，说明机架的刚度也是符合设计要求的。

图4机架部分模型

4、结语

本文以带式转载机为研究对象，简要介绍了设备的主要结构组成及工作原理。针对带式转载机在高低起伏的工况下运行时往往会由于机架较长而会遭受较大的载荷冲击问题。本文对其机架进行了优化设计。首先分析了双拉索条件下的机架受力，找出了拉索最佳悬吊位置，并进行了强度校核。最后采用有限元仿真手段对优化设计结果进行了验证，其结果表明，对机架的优化设计是十分合理的，能够在一定程度上改善带式装载机运行过程的稳定性。

参考文献:

[1]曹琳卿,陈光宁,程秀杰矿用桥式皮带转载机中间架结构的优选分析[J]中国重型装备, 2013(1):18-21.

[2]郭忠强,杜胜,高爱红,等桥式转载机刚性架有限元分析[J]煤炭技术, 2021,40(3):134-136.

[3]庞瑞礼.大跨距桥式胶带转载机中间架塌折的力学分析[J]中州煤炭, 2012(11):59-60;69.

文章来源:贾海和.带式转载机双拉索机架的优化设计与仿真分析[J].机械管理开发,2023,38(08):10-12.