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1、大跨距带式转载机中间架截面的优选分析温建刚 1 , 2( 11中国地质大学 (武汉 ) , 湖北 武汉430074; 21煤炭科学研究总院 太原研究院 , 山西 太原030006 )摘要 : 针对目前掘锚机后配套用大跨距带式转载机重量较大 、牵引困难及对巷道底板适应性差等问题 , 在对大跨距带式转载机结构形式及受力分析的基础上 , 采用有限元分析软件对主要 承载单元 中间架进行了较为详细的多截面形式及尺寸的优选分析 。优选后大跨距带式转载机 中间架的实际应用结果表明中间架截面形式和尺寸选取合理 , 中间架重量轻 , 且中间架未发生塌 腰及扭曲变形 , 使用效果明显提高 , 可为类似条件下的设计
2、提供参考 。关键词 : 大跨距带式转载机 ; 中间架截面 ;有限元 ; 横梁结构中图分类号 : TD42117 + 4文献标识码 :文章编号 : 1671 - 0959 ( 2010 ) 01 20105 203B1 概述带式转载机是给料破碎机和带式输送机之间的衔接装 置 , 其功能是将来自给料破碎转载机的煤转运到巷道主带 式输送机上 。对带式转载机的要求是运量大 、跨距大 、重 量轻及可靠性高 。但目前使用中的大跨距带式转载机存在 牵引困难 、对巷道底板适应性差等问题 , 究其原因是由于 中间架重量较大 。大运量 、大跨距必然加大带式转载机机 身载荷和重量 , 跨距大 、重量轻是本机设计中所
3、需解决的 主要矛盾 。带式转载机中间架设计的任务是在保证运量和 跨距的前提下尽量减少其重量 , 为此本文以 D ZQ100 /40 型 大跨距带式转载机的技术参数作为参考 , 从中间架结构和 截面形式及尺寸入手 , 探讨解决这一问题的技术方法和程 序 , 求得问题较合理的解决 。2 总体结构及工作原理D ZQ100 /40型大跨距带式转载机主要由挡煤板 、行走小 车 、机头部 、中间架和机尾部等五部分组成 (见图 1 ) 。带式 转载机采用桥形结构 , 即带式转载机的中间架设计成和机头 机尾相连的悬空布置形式 , 其机头部通过底座与行走小车以 铰接形式相连 , 机尾部铰接在给料破碎转载机的后面
4、 , 行走 小车骑在带式输送机机尾段的刚性导轨上 。带式转载机在给 料破碎转载机的牵引下可随掘锚机前进 , 同时可将来自给料 破碎转载机的煤转运到后续带式输送机上 。带式输送机中间架共布置了 9 节结构形式相同的单元 架 , 每架长 3125m , 单元架之间通过联接板和销轴连接 。单 元架采用 4根相同矩形钢管为上下主梁 、矩形钢管为立柱和 斜撑 、槽钢为左右连接的组焊式桁架结构 , 如图 2所示 。1 挡煤板 ; 2 机头部 ; 3 行走小车 ; 4 中间架 ; 5 联接板 ; 6 联接销 ; 7 垫片 ; 8 卡簧 ;9 带式输送机 ; 10 机尾部 ; 11 给料破碎转载机图 1 大跨
5、距带式转载机结构示意图的结构力学模型简化为受均布载荷 q的简支梁 。对中间架进行受力分析可得 :1) 单位长度运送物料质量为 :3 中间架受力分析根据 D ZQ100 /40型大跨距带式转载机与带式输送机及 给料破碎转载机的联接特点 , 以及通常情况下 , 带式转载 机上物料沿纵向是均匀分布的 , 可以将带式转载机中间架q = Q ( 1 )316v收稿日期 : 2009 - 10 - 26作者简介 : 温建刚 ( 1973 - ) , 男 , 山西祁县人 , 高级工程师 ,1996年毕业于沈阳建筑大学机械设计与制造专业 , 现在煤炭科学研究总院太原研究院运输支护机械研究所从事煤矿运输机械的研
6、究和设计工作 。105装备技术煤炭工程2010 年第 1 期式中q单位长度运送物料质量 ,Q 输送量 , 取 1000 t / h;v带速 , 取 3115m / s。方法建立 。中间架材料为 Q345, 将其材料属性输入系统 。kg /m;图 2 单元架结构图 3 中间架有限元模型2) 中间架静载受力为 :F = ( nL q + nW ) g式中F 中间架静载荷 , N;n 单元架数 ;L 单元架长度 , m;W 单元架质量 , kg。2) 网格划分 。采用横梁单元对中间架模型进行网格划分 , 最大限度减小单元数量过多造成的冗余自由度 。3) 运行算例 。模型经网格划分后进行后处理计算 ,
7、 得 到机架的应力和位移图解 (如图 4所示 ) , 并据此进行比较 , 得到最合理的截面设计形式 。412 截面形式优选在整体桁架结构固定的情况下 , 上下主梁矩形钢管 按 横置和竖置布置可将中间架截面分为四种形式 , 以 80mm 60mm 7mm 的矩 形钢管为例 , 排 列 方 式 如 图 5 ( a, b, c, d)所示 。中间架受相同外力作用时 , 截面尺寸相同而截面形式不同时 , 中间架内应力也不同 , 因此首先应选取合 理的截面形式 。根据前述有限元分析方法 , 在载荷相同的 条 件下 , 分别对这四种截面形式的中间架进行有限元分析 。经分析计算得出 4种截面形式的最大应力与
8、位移数值 ,如表 2所示 。( 2)根据设计要求 n = 9, L = 3125m ,W 单元架质量根据不同矩形钢管模型计算得出 。依据上述计算公式 , 可计算出机架静载受力情况 , 考虑 115 倍的动载系数 , 可得出中间 架的动载受力 。依据设计经验 , 选择以下几种重量递减的 矩形钢管作比较计算 , 如表 1所示 。表 1中间架的静载受力及动载受力矩形钢管/mm mm mm单元架质量 / kg中间架重 / kg静载受力 /N动载受力 /N100 70 7100 70 690 60 780 60 780 60 670 50 76951786396366065611785451896262
9、57515724545450564913866458163781373787277482773425129967151224551512205915118090151122401511013715表 24种截面形式最大应力与位移截面形式最大应力 /M Pa最大位移 /mm截面 1截面 2 截面 3 截面 416811178131991522116217162321125816276154 中间架截面优选分析411 中间架有限元分析中间架强度可以采用经典力学理论进行计算 , 但这种 计算方法 , 无 法 把 加 强 筋 对 中 间 架 强 度 的 影 响 计 算 在 内 , 且计算较繁琐 。采用
10、有限单元法对模型进行分析则可以很精确的计算出各主筋和加强筋对强度的影响 。为此 , 应用So lidwo rk s /CO SMO Swo rk s模块 的 横 梁 单 元 有 限 元 分 析 功 能 对中间架进行分析 , 现以 80mm 60mm 7mm 的矩形钢管 为例 , 说明分析步骤 。1) 建立有限元模型及添加约束 。单元架间由销轴连接 板连接 , 且配合间隙较小 , 为得出机架整体应力状态及位 移状态 , 将中间架之间的销轴连接简化为刚性连接 , 建立 机架有限元模型 。按照载荷特点对模型添加约束 , 并施加 均布力 , 如图 3 所示 。不同截面型式的有限元模型均按此106由表
11、2可知 , 最优截面形式为截面 1, 即采用上下部主梁同时竖置的布置方式 , 加强筋采用与主梁相同的矩形钢 管 , 这种形式可以达到最优的应力状态 。413 矩形钢管截面尺寸优选参照表 1中不同矩形钢管尺寸 , 按上下部主梁同时 竖 置的布置方式分别对中间架进行有限元分析 , 计算出不同截面尺寸的最大应力 , 最大位移及安全系数 , 如表 3所示 。 在矩形钢管截面选取时 , 考虑转载机的工作条件恶劣 ,要保证安全系数在 210 以上 , 同时要满足中间架的最大 挠度不超过 250mm , 所以由表 3可以确定 , 选取截面为 80mm60mm 7mm 的矩形钢管能够满足强度和刚度要求 , 且
12、重 量最轻 。2010 年第1 期煤炭工程装备技术表 3 不同矩形钢管截面中间架最大应力 ,位移及安全系数2) 分析结果优选出了中间架的截面形式和尺寸 , 降低了中间架得重量 , 优化了整机结构 , 可为系列化设计提 供 参考 。3) 采 用 优 选 的 截 面 形 式 和 尺 寸 后 , 有 效 降 低 了 D ZQ100 / 40型大跨距带式转载机的整 机重量 , 提高了掘 锚 机后配套 运 输 系 统 对 巷 道 底 板 的 适 应 性 , 加 快 巷 道 掘 进 速度 。矩形钢管尺寸/mm mm mm最大应力 /M Pa最大位移 /mm安全系数100 70 7100 70 690 60
13、 780 60 780 60 61511315618163191681119213154161681718719217162321121282120211021051179参考文献 : 70 50 7 22516 29511 1153 于锋钊 , 赵明扬 , 辛立明 , 等. 基于 AN SYS的龙门式直角坐标机器人横梁分析 J . 机械设计与制造 , 2008 , ( 5 ) :80 82.梁笑芳. 连续运输系统在神东矿区的应用 J . 煤炭技术 , 1 5 结论1) 采用横梁结构简化机架模型 , 应用有限元方法进行 分析 , 解决了经典力学所无法计算的中间架加强筋对整体 应力的作用 , 使计算更加准确 。 2 (责任编辑 赵巧芝 )2007 , ( 11 ) : 64 66.107