矿用带式输送机关键部件动力学特性分析*
时间：2023-02-12 14:20:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
王宇伟
(山西河曲晋神磁窑沟煤业有限公司，山西 忻州 036500)
煤矿生产系统中，带式输送机是重要的物料输送机械设备，尤其是随着煤矿开采深度和开采量的不断增加，长距离带式输送机在煤矿物料输送过程中发挥着重要的作用[1]。矿用带式输送机是以输送带作为承载部件的传动系统，依靠输送带和滚筒之间的摩擦实现动力的传递[2]，机头主体机架和卸载滚筒机架是输送机重要的支撑结构，在煤矿井下复杂工况和恶劣环境的影响下，非常容易引起支撑支架结构的破坏，而且机架自身振动特性比较复杂，当环境振动频率与机架的振动频率一致时会引起结构的共振，从而对结构产生严重的破坏，因此，机架也是带式输送机中的薄弱环节[3]。笔者基于模态理论，通过分析卸载滚筒机架和机头机架的固有振动频率，优化卸载滚筒机架和机头机架的结构，得出其结构的振型规律，这是保证设备结构的正常运行，避免发生共振引起结构的破坏，延长使用寿命的重要参考依据，也为后期结构的拓扑优化设计提供了参考。
本次研究的带式输送机是以煤矿主井带式输送机作为分析和研究的对象，首先对带式输送机进行三维建模，建立带式输送机的分析模型。表1所列为山西晋神能源有限公司主井带式输送机型号及参数特征。
表1 带式输送机参数特征
根据带式输送机的参数特征，本次带式输送机带宽为1 200 mm，带速为4.5 m/s，电机的总功率为630 kW。在SolidWorks 2019中建立三维模型方案中，带式输送机驱动装置位于机头架所在的井口房内，卸载滚筒布置在4.2 m的平面上。所有滚筒的材料全部为Q235钢，轴的材料为45号钢，托辊的直径为160 mm，上下托辊的间距按照表1所示进行安装。得到如图1所示的带式输送机三维模型方案。
图1 带式输送机机头位置三维模型图
带式输送机机头主要由机头架、机头驱动滚筒、卸载滚筒、卸载滚筒架、改向滚筒等部分组成，其中输送带按照位置先后进行布置，驱动滚筒、改向滚筒分别由机头主体机架和卸载滚筒机架进行支撑，在实际运行过程中，机头主体机架受到多个滚筒的作用，结构受力比较复杂，容易引起结构连接位置的损坏，同时结构受到输送带张力的间接作用，因而其固有振动特性比较复杂，振动比较严重。卸载滚筒机架受输送带张力和滚筒自重影响，容易造成结构连接位置的松动，有可能引发事故。所以分析机头主体机架和卸载滚筒机架的变化对于保证带式输送机的正常运行具有重要的作用。
2.1 结构模态分析理论
模态是指当系统结构遵循某一阶固有频率振动时，结构点按照一定的函数关系响应位移，这是系统或结构固有的振动特性。通过模态分析方法，能够得知结构受影响的频率范围以及各阶模态的特性，就能够预测结构在某一个频率范围内受到外部和内部各种振源作用下的实际振动响应[4]。在结构的设计过程中，通过使用模态分析可以明确结构的固有振动特性，便于对结构进行优化。
文中采用有限元法进行结构的模态分析，利用的是离散化的思想，将结构分为不同的单元，对各个单元逐个进行求解[5]。可以建立模态分析的数学模型，根据牛顿第二定律和机械动力学分析理论，建立的多自由度的系统的微分方程为[6]：
(1)
由于带式输送机机架结构的阻尼对模态的影响非常小，可以忽略不计，此时有{F}=0，可以得到此时的动力学方程为：
(2)
根据二阶齐次方程的解的形式，可以得到：
{x}={A}sin (ωt+φ)
(3)
将式(3)代入到公式(2)中并进行化解可以得到非零解时振幅的频率方程：
|[K]-ω2[M]|=0
(4)
通过对上式进行求解可以得到n个特征值，其中每一个特征值都会对应一个固有频率，所以通过对频率进行从小到大排序就可以得到i阶的固有频率特性，从而可以求解出结构的固有振动特性。
2.2 卸载滚筒机架的模态分析
由带式输送机机头位置的结构可以看出，机头主体机架和卸载滚筒机架是整个带式输送机的关键支撑部件，一方面与地基直接相连，一方面机架是滚筒的重要支撑构件，受输送带张紧力的间接作用，是保证带式输送机正常运行的关键支撑结构，在长时间运行过程中非常容易引起结构的振动破坏。采用有限元分析软件ANSYS workbench对机头主机架和卸载滚筒机架进行动力学数值模拟[7-8]。
首先，将建立好的卸载滚筒机架另存为.x_t文件，然后打开workbench 14.5软件，在软件左侧模块树中拖动geometry模块和modal模块到项目区，geometry的solution选项卡中右键数据传输到modal模块完成模态分析系统的搭建。
然后，将建立好的卸载滚筒机架文件导入到geometry中，数据自动传递到modal模块。设置机架的材料属性，打开材料库，定义机架的材料为Q235钢，对应的弹性模量输入为E=2.06×1011Pa，材料的密度为7 850，泊松比为0.3。定义材料后点击mesh选项对机架结构进行网格划分，采用四面体网格划分，划分网格后的结构节点数为182 743，单元数为62 776，网格划分的结果如图2所示。
图2 网格划分结果
完成网格划分后对卸载滚筒机架定义固定约束，在机架与地面位置添加固定约束，在求解选项下添加模态求解的阶数，最后对结构的前六阶模态进行求解计算，可以得到如图3所示的模态振型云图。
图3 卸载滚筒机架模态分析云图
由以上的分析可以看出卸载滚筒机架在固定约束作用下，结构基频为20.265 Hz，随着阶数的增加，结构的振动频率也在增加，第六阶振动频率为77.56 Hz，表2所列为机架部件前六阶模态振型变化规律。
表2 机架部件前六阶模态振型规律
从表2中可以看出，卸载机架滚筒的模态主要表现为机架位置处的弯扭变形，第一阶模态表现为结构的弯曲变形，第二阶模态振型表现为结构的扭转变形，随着阶数的逐渐增加，结构的扭转变形越来越明显，结构在第六阶模态时表现为纯扭转变形，此时的频率为77.56 Hz。
2.3 机头主体机架的模态分析
机头主体机架是带式输送机的重要支撑部件。对机头主体支架的模态分析与卸载滚筒支架的分析步骤相同，在SolidWorks 2019中建立模型导入到ANSYS workbench中，通过定义材料属性、添加约束、划分网格、添加求解项等步骤对结构进行模态分析计算，可以得出机头主体机架的前六阶模态振型，如图4所示。
图4中可以看出结构的模态变形主要集中在与滚筒连接的部位，同时结构振动频率最高的位置集中在机架与滚筒连接部位，通过对机架主体前六阶模态进行求解可以得到如表3所列的振型规律。
图4 机头主体机架关键部件模态分析云图
表3 机头主体机架部件前六阶模态规律
从表3中可以看出，机头主体机架的基频为17.045 Hz，振型特性为弯曲变形，表现为在结构与滚筒连接部位的位移变化，机头主体机架主要表现为局部的扭转和变形，第一阶和第二阶模态表现为机架的左侧和右侧部分同方向的变形，第三阶和第四阶模态表现为机架左右侧的扭转变形，第五阶和第六阶模态扭转和弯曲同时发生，处于弯扭组合振型。
通过对机头主体机架和卸载滚筒机架进行动力学特性分析，可以得出结构的振型变化主要表现为某个方向上的位移和变形。为了验证机架的模态分析结论正确性，设计了实验方案对结构的模态进行现场实验。实验目的是为了检测在受到外部振动信号时卸载滚筒机架和机头主体机架的振型规律，验证数值模拟的正确性。
采用北京东方振动和噪声技术研究所设计的数据采集仪 INV3060S进行振动和噪声数据的检测，检测装置还包括三轴加速度传感器、笔记本电脑、信号线、振动锤等。现场实验效果如图5所示，检测结果如图6所示。
图5 测点布置与现场实验
图6 实验结果与分析
从以上的实验结果可以看出，卸载滚筒机架在实际工作过程中的振动频率普遍较高，然而机头主体机架的振动频率比较低，两者振动频率的差距不大，波峰和波谷的出现时间基本相同，与实际正常运行的时间相吻合。实验结果也验证了模态分析的结果，验证了理论分析的正确性。
针对矿用带式输送机关键部件卸载滚筒机架和机头主体机架在运行过程中容易发生故障且结构振动规律未知等问题，文中采用有限元分析方法，利用ANSYS workbench仿真实验平台分别对关键结构进行了模态分析，并在现场搭建实验电路对模态分析结果进行实验验证，结果表明结构的振动特性与仿真结果趋势大致相同，振动频率特点与仿真结果相同，实验结果验证了仿真结果的正确性和合理性，为后期指导带式输送机机架结构的优化设计和避免引起结构共振等的研究提供一定参考。
猜你喜欢 机头带式机架 烧结工序机头电除尘效率提升改造技术研究昆钢科技(2022年4期)2022-12-30小型带式输送机机架动态仿真分析机械设计与制造(2022年10期)2022-10-12放疗中小机头角度对MLC及多靶区患者正常组织剂量的影响现代仪器与医疗(2021年5期)2021-12-02浅谈号角与带式扬声器 在家用或专业音频系统中的应用家庭影院技术(2020年11期)2020-12-28带式输送机用永磁低速大转矩变频直接驱动系统防爆电机(2020年5期)2020-12-14别忽略它的存在！“意大利新一代架皇”BAS Accordeon(雅歌顿)XL4 2.0发烧机架家庭影院技术(2019年12期)2020-01-19长距离越野带式输送机线路分析建材发展导向(2019年11期)2019-08-24最多支持36块显卡 德国水冷品牌AlphaCool推出矿机机架中国计算机报(2018年13期)2018-05-23主运带式输送机控制系统研究及设计山东工业技术(2016年15期)2016-12-01747-400F货舱机头门系统原理及故障分析中国科技纵横(2014年24期)2014-12-11
