礦用帶式輸送機關(guān)鍵部件動力學(xué)特性分析*

王宇偉

(山西河曲晉神磁窯溝煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036500)

0 引 言

煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)中，帶式輸送機是重要的物料輸送機械設(shè)備，尤其是隨著煤礦開采深度和開采量的不斷增加，長距離帶式輸送機在煤礦物料輸送過程中發(fā)揮著重要的作用[1]。礦用帶式輸送機是以輸送帶作為承載部件的傳動系統(tǒng)，依靠輸送帶和滾筒之間的摩擦實現(xiàn)動力的傳遞[2]，機頭主體機架和卸載滾筒機架是輸送機重要的支撐結(jié)構(gòu)，在煤礦井下復(fù)雜工況和惡劣環(huán)境的影響下，非常容易引起支撐支架結(jié)構(gòu)的破壞，而且機架自身振動特性比較復(fù)雜，當(dāng)環(huán)境振動頻率與機架的振動頻率一致時會引起結(jié)構(gòu)的共振，從而對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴重的破壞，因此，機架也是帶式輸送機中的薄弱環(huán)節(jié)[3]。筆者基于模態(tài)理論，通過分析卸載滾筒機架和機頭機架的固有振動頻率，優(yōu)化卸載滾筒機架和機頭機架的結(jié)構(gòu)，得出其結(jié)構(gòu)的振型規(guī)律，這是保證設(shè)備結(jié)構(gòu)的正常運行，避免發(fā)生共振引起結(jié)構(gòu)的破壞，延長使用壽命的重要參考依據(jù)，也為后期結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化設(shè)計提供了參考。

1 礦用帶式輸送機結(jié)構(gòu)與參數(shù)特征

本次研究的帶式輸送機是以煤礦主井帶式輸送機作為分析和研究的對象，首先對帶式輸送機進行三維建模，建立帶式輸送機的分析模型。表1所列為山西晉神能源有限公司主井帶式輸送機型號及參數(shù)特征。

表1 帶式輸送機參數(shù)特征

根據(jù)帶式輸送機的參數(shù)特征，本次帶式輸送機帶寬為1 200 mm，帶速為4.5 m/s，電機的總功率為630 kW。在SolidWorks 2019中建立三維模型方案中，帶式輸送機驅(qū)動裝置位于機頭架所在的井口房內(nèi)，卸載滾筒布置在4.2 m的平面上。所有滾筒的材料全部為Q235鋼，軸的材料為45號鋼，托輥的直徑為160 mm，上下托輥的間距按照表1所示進行安裝。得到如圖1所示的帶式輸送機三維模型方案。

圖1 帶式輸送機機頭位置三維模型圖

帶式輸送機機頭主要由機頭架、機頭驅(qū)動滾筒、卸載滾筒、卸載滾筒架、改向滾筒等部分組成，其中輸送帶按照位置先后進行布置，驅(qū)動滾筒、改向滾筒分別由機頭主體機架和卸載滾筒機架進行支撐，在實際運行過程中，機頭主體機架受到多個滾筒的作用，結(jié)構(gòu)受力比較復(fù)雜，容易引起結(jié)構(gòu)連接位置的損壞，同時結(jié)構(gòu)受到輸送帶張力的間接作用，因而其固有振動特性比較復(fù)雜，振動比較嚴重。卸載滾筒機架受輸送帶張力和滾筒自重影響，容易造成結(jié)構(gòu)連接位置的松動，有可能引發(fā)事故。所以分析機頭主體機架和卸載滾筒機架的變化對于保證帶式輸送機的正常運行具有重要的作用。

2 礦用帶式輸送機關(guān)鍵部件動力學(xué)特性分析

2.1 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析理論

模態(tài)是指當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)遵循某一階固有頻率振動時，結(jié)構(gòu)點按照一定的函數(shù)關(guān)系響應(yīng)位移，這是系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)固有的振動特性。通過模態(tài)分析方法，能夠得知結(jié)構(gòu)受影響的頻率范圍以及各階模態(tài)的特性，就能夠預(yù)測結(jié)構(gòu)在某一個頻率范圍內(nèi)受到外部和內(nèi)部各種振源作用下的實際振動響應(yīng)[4]。在結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，通過使用模態(tài)分析可以明確結(jié)構(gòu)的固有振動特性，便于對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

文中采用有限元法進行結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，利用的是離散化的思想，將結(jié)構(gòu)分為不同的單元，對各個單元逐個進行求解[5]。可以建立模態(tài)分析的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)牛頓第二定律和機械動力學(xué)分析理論，建立的多自由度的系統(tǒng)的微分方程為[6]：

(1)

由于帶式輸送機機架結(jié)構(gòu)的阻尼對模態(tài)的影響非常小，可以忽略不計，此時有{F}=0，可以得到此時的動力學(xué)方程為：

(2)

根據(jù)二階齊次方程的解的形式，可以得到：

{x}={A}sin (ωt+φ)

(3)

將式(3)代入到公式(2)中并進行化解可以得到非零解時振幅的頻率方程：

|[K]-ω2[M]|=0

(4)

通過對上式進行求解可以得到n個特征值，其中每一個特征值都會對應(yīng)一個固有頻率，所以通過對頻率進行從小到大排序就可以得到i階的固有頻率特性，從而可以求解出結(jié)構(gòu)的固有振動特性。

2.2 卸載滾筒機架的模態(tài)分析

由帶式輸送機機頭位置的結(jié)構(gòu)可以看出，機頭主體機架和卸載滾筒機架是整個帶式輸送機的關(guān)鍵支撐部件，一方面與地基直接相連，一方面機架是滾筒的重要支撐構(gòu)件，受輸送帶張緊力的間接作用，是保證帶式輸送機正常運行的關(guān)鍵支撐結(jié)構(gòu)，在長時間運行過程中非常容易引起結(jié)構(gòu)的振動破壞。采用有限元分析軟件ANSYS workbench對機頭主機架和卸載滾筒機架進行動力學(xué)數(shù)值模擬[7-8]。

首先，將建立好的卸載滾筒機架另存為.x_t文件，然后打開workbench 14.5軟件，在軟件左側(cè)模塊樹中拖動geometry模塊和modal模塊到項目區(qū)，geometry的solution選項卡中右鍵數(shù)據(jù)傳輸?shù)絤odal模塊完成模態(tài)分析系統(tǒng)的搭建。

然后，將建立好的卸載滾筒機架文件導(dǎo)入到geometry中，數(shù)據(jù)自動傳遞到modal模塊。設(shè)置機架的材料屬性，打開材料庫，定義機架的材料為Q235鋼，對應(yīng)的彈性模量輸入為E=2.06×1011Pa，材料的密度為7 850，泊松比為0.3。定義材料后點擊mesh選項對機架結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格劃分，采用四面體網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格后的結(jié)構(gòu)節(jié)點數(shù)為182 743，單元數(shù)為62 776，網(wǎng)格劃分的結(jié)果如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分結(jié)果

完成網(wǎng)格劃分后對卸載滾筒機架定義固定約束，在機架與地面位置添加固定約束，在求解選項下添加模態(tài)求解的階數(shù)，最后對結(jié)構(gòu)的前六階模態(tài)進行求解計算，可以得到如圖3所示的模態(tài)振型云圖。

圖3 卸載滾筒機架模態(tài)分析云圖

由以上的分析可以看出卸載滾筒機架在固定約束作用下，結(jié)構(gòu)基頻為20.265 Hz，隨著階數(shù)的增加，結(jié)構(gòu)的振動頻率也在增加，第六階振動頻率為77.56 Hz，表2所列為機架部件前六階模態(tài)振型變化規(guī)律。

表2 機架部件前六階模態(tài)振型規(guī)律

從表2中可以看出，卸載機架滾筒的模態(tài)主要表現(xiàn)為機架位置處的彎扭變形，第一階模態(tài)表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)的彎曲變形，第二階模態(tài)振型表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變形，隨著階數(shù)的逐漸增加，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變形越來越明顯，結(jié)構(gòu)在第六階模態(tài)時表現(xiàn)為純扭轉(zhuǎn)變形，此時的頻率為77.56 Hz。

2.3 機頭主體機架的模態(tài)分析

機頭主體機架是帶式輸送機的重要支撐部件。對機頭主體支架的模態(tài)分析與卸載滾筒支架的分析步驟相同，在SolidWorks 2019中建立模型導(dǎo)入到ANSYS workbench中，通過定義材料屬性、添加約束、劃分網(wǎng)格、添加求解項等步驟對結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析計算，可以得出機頭主體機架的前六階模態(tài)振型，如圖4所示。

圖4中可以看出結(jié)構(gòu)的模態(tài)變形主要集中在與滾筒連接的部位，同時結(jié)構(gòu)振動頻率最高的位置集中在機架與滾筒連接部位，通過對機架主體前六階模態(tài)進行求解可以得到如表3所列的振型規(guī)律。

圖4 機頭主體機架關(guān)鍵部件模態(tài)分析云圖

表3 機頭主體機架部件前六階模態(tài)規(guī)律

從表3中可以看出，機頭主體機架的基頻為17.045 Hz，振型特性為彎曲變形，表現(xiàn)為在結(jié)構(gòu)與滾筒連接部位的位移變化，機頭主體機架主要表現(xiàn)為局部的扭轉(zhuǎn)和變形，第一階和第二階模態(tài)表現(xiàn)為機架的左側(cè)和右側(cè)部分同方向的變形，第三階和第四階模態(tài)表現(xiàn)為機架左右側(cè)的扭轉(zhuǎn)變形，第五階和第六階模態(tài)扭轉(zhuǎn)和彎曲同時發(fā)生，處于彎扭組合振型。

3 實驗與結(jié)果分析

通過對機頭主體機架和卸載滾筒機架進行動力學(xué)特性分析，可以得出結(jié)構(gòu)的振型變化主要表現(xiàn)為某個方向上的位移和變形。為了驗證機架的模態(tài)分析結(jié)論正確性，設(shè)計了實驗方案對結(jié)構(gòu)的模態(tài)進行現(xiàn)場實驗。實驗?zāi)康氖菫榱藱z測在受到外部振動信號時卸載滾筒機架和機頭主體機架的振型規(guī)律，驗證數(shù)值模擬的正確性。

采用北京東方振動和噪聲技術(shù)研究所設(shè)計的數(shù)據(jù)采集儀 INV3060S進行振動和噪聲數(shù)據(jù)的檢測，檢測裝置還包括三軸加速度傳感器、筆記本電腦、信號線、振動錘等?，F(xiàn)場實驗效果如圖5所示，檢測結(jié)果如圖6所示。

圖5 測點布置與現(xiàn)場實驗

圖6 實驗結(jié)果與分析

從以上的實驗結(jié)果可以看出，卸載滾筒機架在實際工作過程中的振動頻率普遍較高，然而機頭主體機架的振動頻率比較低，兩者振動頻率的差距不大，波峰和波谷的出現(xiàn)時間基本相同，與實際正常運行的時間相吻合。實驗結(jié)果也驗證了模態(tài)分析的結(jié)果，驗證了理論分析的正確性。

4 結(jié) 語

針對礦用帶式輸送機關(guān)鍵部件卸載滾筒機架和機頭主體機架在運行過程中容易發(fā)生故障且結(jié)構(gòu)振動規(guī)律未知等問題，文中采用有限元分析方法，利用ANSYS workbench仿真實驗平臺分別對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進行了模態(tài)分析，并在現(xiàn)場搭建實驗電路對模態(tài)分析結(jié)果進行實驗驗證，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)的振動特性與仿真結(jié)果趨勢大致相同，振動頻率特點與仿真結(jié)果相同，實驗結(jié)果驗證了仿真結(jié)果的正確性和合理性，為后期指導(dǎo)帶式輸送機機架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計和避免引起結(jié)構(gòu)共振等的研究提供一定參考。