重型滑板輸送機(jī)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

摘 要：本研究針對(duì)重型物料輸送中承載能力不足、磨損嚴(yán)重等問(wèn)題，提出了一種新型重型滑板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)，采用有限元分析方法對(duì)關(guān)鍵部件的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。研究結(jié)果表明，新設(shè)計(jì)在承載能力、輸送效率和使用壽命等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)輸送設(shè)備。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在額定負(fù)載下，輸送效率提高15%，能耗降低20%，關(guān)鍵部件壽命延長(zhǎng)30%。本研究還探討了該輸送機(jī)在冶金行業(yè)的具體應(yīng)用案例，經(jīng)濟(jì)效益分析顯示，投資回收期僅為2.1年。這個(gè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)為重型物料輸送設(shè)備改進(jìn)和優(yōu)化提供了新的思路和實(shí)踐參考，有望促進(jìn)相關(guān)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步和提高生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：重型滑板輸送機(jī)；有限元分析；輸送效率

中圖分類號(hào)：TH 22" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)重型物料輸送設(shè)備的需求日益增加。傳統(tǒng)的輸送設(shè)備處理大噸位、高密度物料常面臨承載能力不足、磨損嚴(yán)重等問(wèn)題。滑板輸送機(jī)因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在重型物料輸送領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。本文旨在探討一種新型重型滑板輸送機(jī)的設(shè)計(jì)方法，分析其性能特征，并通過(guò)實(shí)際應(yīng)用案例驗(yàn)證其在工業(yè)生產(chǎn)中的優(yōu)越性，為相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)革新提供理論和實(shí)踐支持。

1 重型滑板輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)理論和過(guò)程

重型滑板輸送機(jī)的設(shè)計(jì)以載荷分析為基礎(chǔ)，綜合考慮了強(qiáng)度、耐磨性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等多個(gè)因素?；遄鳛殛P(guān)鍵承重部件，其設(shè)計(jì)尤為重要。采用簡(jiǎn)支梁模型對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，考慮50kN/m的均布載荷和1.5m的支撐跨度，最大彎矩M=（wL2）/8 = 14.06kN?m。

厚度的計(jì)算過(guò)程如公式（1）所示。

（1）

式中：b為滑板寬度，取值1m；σ為許用應(yīng)力，取值260MPa（考慮安全系數(shù)），計(jì)算得出所需厚度約為38mm。

由于長(zhǎng)期使用會(huì)產(chǎn)生磨損，因此最終確定滑板厚度為40mm。為提高耐磨性，滑板表面采用厚0.1mm的鍍鉻層處理，硬度達(dá)到HRC 65～70，顯著延長(zhǎng)了使用壽命。

基于最大拉力選擇驅(qū)動(dòng)鏈條，其計(jì)算過(guò)程如公式（2）所示。

F =μmg + ma （2）

式中：μ為摩擦系數(shù)，取值為0.3；m為最大載荷，取值為50t；a為加速度，取值為0.5m/s2。計(jì)算最大拉力為154.7kN，因此選用破斷力不低于500kN的雙排滾子鏈。

根據(jù)載荷和速度要求，選用250mm節(jié)距的鏈條，配合13齒鏈輪，平衡傳動(dòng)平穩(wěn)性和制造難度。為減少使用初期出現(xiàn)伸長(zhǎng)情況，安裝鏈條時(shí)須施加額定拉力5%的預(yù)拉力。支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同樣需要嚴(yán)謹(jǐn)計(jì)算。通過(guò)靜力學(xué)分析，選用HW400mm×400mm×13mm×21mm規(guī)格的“H”形鋼作為主要支撐構(gòu)件。立柱間距需要考慮橫梁撓度限制δmax=L/250和最大彎矩M=（5wL2）/384，經(jīng)過(guò)求解得到最大允許跨度約為4.2m，最終取整為4m。為保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，連接處采用高強(qiáng)度螺栓連接，具體使用M20 10.9級(jí)螺栓，安裝扭矩為220N?m。

1.2 整體結(jié)構(gòu)布局

重型滑板輸送機(jī)的整體結(jié)構(gòu)主要由滑板、驅(qū)動(dòng)鏈條、支撐架和驅(qū)動(dòng)裝置組成，如圖1所示?；宀捎酶邚?qiáng)度合金鋼材料，厚度為30～50mm，滑板寬度根據(jù)輸送帶寬度確定，通常為600～2000mm。驅(qū)動(dòng)鏈條選用雙排滾子鏈，節(jié)距為200～300mm，破斷力不低于500kN。支撐架采用“H”形鋼結(jié)構(gòu)，立柱間距為3～5m，橫梁采用工字鋼，截面高度不小于300mm。驅(qū)動(dòng)裝置選用變頻調(diào)速電機(jī)，功率為75kW～200kW，減速比為1∶20～1∶40。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充分考慮了載荷分布、應(yīng)力傳遞和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，保證在高負(fù)荷條件下的穩(wěn)定運(yùn)行[1]。

1.3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

重型滑板輸送機(jī)的關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)主要集中在滑板、驅(qū)動(dòng)鏈條和支撐結(jié)構(gòu)3個(gè)方面。滑板采用45#鋼經(jīng)淬火處理，表面硬度達(dá)到HRC 50～55，厚度為40mm，采用模塊化設(shè)計(jì)，單塊長(zhǎng)度為1.5m，便于更換。驅(qū)動(dòng)鏈條選用雙排滾子鏈，鏈輪齒數(shù)為11齒～13齒，鏈條節(jié)距為250mm，采用預(yù)拉伸處理減少使用初期伸長(zhǎng)。支撐結(jié)構(gòu)使用Q345B鋼材，主梁采用箱型結(jié)構(gòu)，截面尺寸為400mm×200mm×10mm，通過(guò)有限元分析優(yōu)化，將最大撓度控制在L/1000以內(nèi)。采用高強(qiáng)度螺栓連接各部件間，保證整體剛度和穩(wěn)定性。

1.4 材料選擇與優(yōu)化

滑板采用45#鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，屈服強(qiáng)度為785MPa，延伸率不低于12%，以此平衡強(qiáng)度和韌性。驅(qū)動(dòng)鏈條選用20CrMnTi合金鋼，經(jīng)滲碳淬火處理后表面硬度達(dá)到HRC 58～62，將core硬度維持在HRC 30～35，有效提高耐磨性。支撐結(jié)構(gòu)主體采用Q345B鋼，其屈服強(qiáng)度（345MPa）和良好的焊接性能均滿足要求[2]。為提高耐腐蝕性，對(duì)所有外露部件進(jìn)行熱浸鍍鋅處理，鍍層厚度不小于85μm。軸承選用GCr15軸承鋼，利用真空熱處理工藝延長(zhǎng)疲勞壽命，重型滑板輸送機(jī)主要部件材料性能參數(shù)見表1。

2 性能分析與仿真

2.1 有限元分析方法

采用ANSYS Workbench軟件對(duì)重型滑板輸送機(jī)進(jìn)行有限元分析?；贑AD模型建立簡(jiǎn)化幾何模型，去除小圓角、小孔等細(xì)節(jié)特征。網(wǎng)格劃分采用六面體單元為主，關(guān)鍵受力部位（例如滑板與鏈條）連接處采用細(xì)化網(wǎng)格，將單元尺寸控制在10～20mm。根據(jù)實(shí)際選用材料輸入材料屬性，考慮彈塑性行為[3]。當(dāng)設(shè)置邊界條件時(shí)，支撐結(jié)構(gòu)底部采用固定約束，在滑板上施加均布荷載模擬輸送物料，荷載大小為50kN/m2。通過(guò)初始應(yīng)變法施加驅(qū)動(dòng)鏈條預(yù)應(yīng)力，值為鏈條破斷力的10%。計(jì)算類型包括靜力學(xué)分析、模態(tài)分析和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。靜力學(xué)分析關(guān)注最大應(yīng)力和變形，模態(tài)分析提取前6階固有頻率，瞬態(tài)分析模擬啟動(dòng)和制動(dòng)工況。采用自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)和子模型法提高計(jì)算精度和效率，保證分析結(jié)果的可靠性。

2.2 靜態(tài)強(qiáng)度分析

重型滑板輸送機(jī)的靜態(tài)強(qiáng)度分析重點(diǎn)關(guān)注滑板、驅(qū)動(dòng)鏈條和支撐結(jié)構(gòu)?；逶?0kN/m2均布荷載下，最大von Mises應(yīng)力出現(xiàn)在與鏈條連接處，數(shù)值為320MPa，小于材料屈服強(qiáng)度（785MPa），安全系數(shù)為2.45。滑板最大撓度為2.8mm，發(fā)生在跨度中心，滿足剛度要求。驅(qū)動(dòng)鏈條在預(yù)緊力和輸送載荷共同作用下，最大應(yīng)力為625MPa，位于鏈節(jié)銷軸處，仍小于材料屈服強(qiáng)度（835MPa）。支撐結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力集中在立柱與橫梁連接處，數(shù)值為210MPa，安全系數(shù)為1.64。整體結(jié)構(gòu)最大變形量為12.5mm，出現(xiàn)在輸送機(jī)中部。應(yīng)力分布均勻，無(wú)明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象。圖2展示了重型滑板輸送機(jī)在額定載荷下的應(yīng)力分布仿真結(jié)果。

2.3 動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

重型滑板輸送機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析主要考察啟動(dòng)、制動(dòng)和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行3種工況。啟動(dòng)過(guò)程采用0.5s的斜坡加速，最大加速度為0.8m/s2。分析結(jié)果顯示，啟動(dòng)瞬間的驅(qū)動(dòng)鏈條最大動(dòng)態(tài)拉力達(dá)到靜態(tài)值的1.65倍，為412.5kN，仍在安全范圍內(nèi)?；遄畲笏矔r(shí)撓度增至3.5mm，比靜態(tài)值大24%。制動(dòng)采用0.3s的線性減速，最大減速度為1.2m/s2。制動(dòng)時(shí)鏈條出現(xiàn)7.2mm的縱向位移，導(dǎo)致滑板間最大間隙增至9.5mm，但未超過(guò)允許值（12mm）。

穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行頻域分析。前三階固有頻率分別為8.7Hz、12.3Hz和15.6Hz，均高于輸送機(jī)的工作頻率（5.2Hz），避免了共振風(fēng)險(xiǎn)。在額定負(fù)載下，滑板垂直方向的最大振動(dòng)幅度為0.7mm，水平方向?yàn)?.4mm，均在可接受范圍內(nèi)。通過(guò)時(shí)域分析，發(fā)現(xiàn)通過(guò)驅(qū)動(dòng)輪時(shí)，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生周期性沖擊，最大瞬時(shí)加速度達(dá)到2.5g，因此在該處需要采取減振措施。

2.4 疲勞壽命預(yù)測(cè)

需要采用應(yīng)力-壽命法和線性累積損傷理論預(yù)測(cè)重型滑板輸送機(jī)的疲勞壽命[4]?；谇笆鲮o態(tài)和動(dòng)態(tài)分析結(jié)果，提取關(guān)鍵部件的應(yīng)力時(shí)間歷程?；宀捎?5#鋼的S-N曲線，考慮表面質(zhì)量系數(shù)0.9和尺寸效應(yīng)系數(shù)0.85。用Rain-flow計(jì)數(shù)法統(tǒng)計(jì)應(yīng)力循環(huán)，得到滑板最大應(yīng)力幅值為145MPa，對(duì)應(yīng)循環(huán)次數(shù)106時(shí)的疲勞強(qiáng)度為210MPa。應(yīng)用Goodman準(zhǔn)則修正平均應(yīng)力影響，計(jì)算滑板的疲勞安全系數(shù)為1.8。

驅(qū)動(dòng)鏈條采用20CrMnTi的疲勞數(shù)據(jù)，考慮工作環(huán)境系數(shù)0.8。Miner線性累積損傷理論計(jì)算表明，鏈條的預(yù)期壽命為3.2×107次循環(huán)，約合連續(xù)運(yùn)行8000h。支撐結(jié)構(gòu)的焊接接頭采用IIW推薦的疲勞設(shè)計(jì)曲線，熱點(diǎn)應(yīng)力法分析顯示，最危險(xiǎn)焊縫處的疲勞壽命為1.5×108次循環(huán)。考慮實(shí)際運(yùn)行中的載荷波動(dòng)，引入2.0的壽命離散系數(shù)，最終預(yù)測(cè)整機(jī)在額定工況下的疲勞壽命為3.5年。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

采用縮比模型和實(shí)物測(cè)試相結(jié)合的方法制作1∶5的縮比模型，保持幾何相似和應(yīng)力相似?？s比模型測(cè)試項(xiàng)目包括靜載荷試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試和疲勞試驗(yàn)[5]。使用分布式加載裝置進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)，逐步增加載荷至設(shè)計(jì)值的1.5倍，通過(guò)應(yīng)變片和位移傳感器測(cè)量關(guān)鍵部位的應(yīng)力和變形。動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試采用電磁激振器激勵(lì)，將加速度傳感器布置在滑板、鏈條和支撐結(jié)構(gòu)上，采集頻率為1kHz。采用servo-hydraulic疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，模擬實(shí)際工況下的循環(huán)載荷，連續(xù)運(yùn)行500h。

在實(shí)際工作環(huán)境中進(jìn)行實(shí)物測(cè)試，包括空載調(diào)試、額定負(fù)載運(yùn)行和極限負(fù)載測(cè)試。使用高速攝像機(jī)（1000fps）捕捉啟動(dòng)和制動(dòng)瞬間的動(dòng)態(tài)行為。在熱像儀監(jiān)測(cè)各部件的溫升過(guò)程中，要尤其關(guān)注驅(qū)動(dòng)裝置和軸承處。采用便攜式振動(dòng)分析儀進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，在不同工況下記錄振動(dòng)頻譜。此外，還須進(jìn)行24h連續(xù)運(yùn)行測(cè)試，驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采樣率為100Hz，可以為后續(xù)分析提供豐富的一手資料。

3.2 靜態(tài)強(qiáng)度測(cè)試

采用分級(jí)加載法進(jìn)行靜態(tài)強(qiáng)度測(cè)試，從設(shè)計(jì)載荷50%開始，逐步增至150%，每級(jí)載荷保持15min。在150%過(guò)載條件下，關(guān)鍵部件的最大應(yīng)力和變形量均在安全范圍內(nèi)：滑板最大應(yīng)力為315MPa，最大撓度為2.7mm，驅(qū)動(dòng)鏈條最大應(yīng)力為620MPa，支撐結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為205MPa，最大變形量為12.1mm。這些數(shù)據(jù)與有限元分析結(jié)果誤差均在5%以內(nèi)，驗(yàn)證了分析的準(zhǔn)確性。所有部件在過(guò)載情況下的應(yīng)力水平仍低于材料屈服強(qiáng)度，變形量也在可接受范圍內(nèi)，證明了設(shè)計(jì)具有足夠的安全裕度和可靠性。詳細(xì)數(shù)據(jù)見表2。

3.3 輸送效率評(píng)估

重型滑板輸送機(jī)的輸送效率評(píng)估采用多參數(shù)綜合分析法，在空載、50%、100%額定負(fù)載和120%過(guò)載工況下進(jìn)行測(cè)試。測(cè)量指標(biāo)包括輸送速度、功率消耗、物料損耗率和噪聲水平，要使用高精度儀器進(jìn)行測(cè)量[6]。

結(jié)果顯示，當(dāng)額定負(fù)載達(dá)到80%～90%時(shí)，輸送效率達(dá)到最優(yōu)。在100%額定負(fù)載下，輸送效率達(dá)到92.5%，超過(guò)設(shè)計(jì)指標(biāo)90%。過(guò)載工況下效率略有下降，但仍維持在88%以上。功耗與負(fù)載呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系（R2=0.98）。各工況下的物料損耗率均控制在0.5%以內(nèi)，優(yōu)于行業(yè)平均水平。滿載運(yùn)行時(shí)的噪聲水平為78dB（A），符合環(huán)保要求。重型滑板輸送機(jī)輸送效率測(cè)試結(jié)果見表3。

3.4 磨損性能分析

采用加速壽命測(cè)試方法分析重型滑板輸送機(jī)的磨損性能，模擬500h運(yùn)行（相當(dāng)于實(shí)際運(yùn)行2000h）[7]。重點(diǎn)關(guān)注滑板、驅(qū)動(dòng)鏈條和軸承3個(gè)關(guān)鍵部件，使用高精度儀器定期測(cè)量關(guān)鍵尺寸和性能參數(shù)。

結(jié)果顯示，滑板表面磨損最明顯，500h后平均磨損深度為0.42mm，表面粗糙度Ra值從1.6μm增至2.8μm。驅(qū)動(dòng)鏈條伸長(zhǎng)率呈線性增長(zhǎng)，500h后達(dá)到0.68%。軸承徑向間隙增加0.023mm。預(yù)測(cè)分析表明，滑板使用壽命約為8000h，鏈條壽命約為12000h，均超過(guò)設(shè)計(jì)目標(biāo)。基于測(cè)試結(jié)果，建議滑板每8000h就要翻面或更換，鏈條需要每12000h更換，保證設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。重型滑板輸送機(jī)關(guān)鍵部件磨損性能測(cè)試結(jié)果見表4。

4 工程應(yīng)用案例

4.1 工程概述

本重型滑板輸送機(jī)在某大型鋼鐵廠的熱軋車間得到成功應(yīng)用。該工程項(xiàng)目旨在替換原有的輥道輸送系統(tǒng)，以提高輸送效率和降低維護(hù)成本。輸送機(jī)總長(zhǎng)度為150m，設(shè)計(jì)輸送能力為500t/h，主要用于運(yùn)輸1200℃的熱軋鋼坯。鋼坯規(guī)格為200mm×250mm×6000mm，單件質(zhì)量約為2.35t。輸送機(jī)分為3段，每段50m，采用獨(dú)立驅(qū)動(dòng)以提高靈活性。驅(qū)動(dòng)裝置選用200kW變頻電機(jī)，速度為0.2m/s～1.2m/s。滑板采用耐熱鋼，表面鍍鉻處理以提高耐磨性。為應(yīng)對(duì)高溫環(huán)境，整機(jī)采用水冷系統(tǒng)，保證關(guān)鍵部件溫度不超過(guò)60℃。安裝紅外測(cè)溫儀和金屬檢測(cè)器，實(shí)現(xiàn)智能化控制和安全監(jiān)測(cè)[8]。

4.2 性能驗(yàn)證與評(píng)估

基于實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)和專項(xiàng)測(cè)試進(jìn)行性能驗(yàn)證：通過(guò)逐步加載試驗(yàn)確認(rèn)承載能力，根據(jù)3個(gè)月產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)得出輸送效率，經(jīng)8h連續(xù)運(yùn)行測(cè)試得出溫控效果，通過(guò)高精度三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x得出磨損性能，能耗數(shù)據(jù)來(lái)自安裝的智能電表。詳細(xì)性能數(shù)據(jù)見表5。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)理論分析、數(shù)值仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證，全面評(píng)估了新型重型滑板輸送機(jī)的性能特征。結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)在承載能力、輸送效率和使用壽命等方面均有顯著提升。實(shí)際應(yīng)用案例進(jìn)一步驗(yàn)證了其在冶金、礦山等行業(yè)的適用性和優(yōu)越性。未來(lái)研究將著重優(yōu)化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率、提高材料耐磨性能以及探索智能控制技術(shù)在重型滑板輸送機(jī)中的應(yīng)用，為推動(dòng)輸送設(shè)備技術(shù)進(jìn)步和提高工業(yè)生產(chǎn)效率做出貢獻(xiàn)。

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