廖湘輝，趙 楚，韋仕龍，席明龍

（三峽大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院，湖 北 宜昌 443002）

0 引 言

梭式皮帶布料機(jī)是水利水電工程施工中一種重要的施工機(jī)械。桁架作為布料機(jī)的主要構(gòu)架，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度決定著布料機(jī)的工作可靠性和安全穩(wěn)定性。因此，對(duì)布料機(jī)整體桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析是布料機(jī)安全設(shè)計(jì)中一項(xiàng)極為重要的工作。目前對(duì)布料機(jī)采用的分析方法都只是進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到其整機(jī)變形和應(yīng)力分布結(jié)果，但當(dāng)布料機(jī)發(fā)生堵料時(shí)，其實(shí)際承受的是時(shí)間-歷程沖擊載荷，在沖擊載荷作用下布料機(jī)的受力十分復(fù)雜，變形和應(yīng)力都會(huì)增大，將處于更加危險(xiǎn)的狀態(tài)。故在靜力學(xué)分析中得到的結(jié)果并不真實(shí)，有必要利用瞬態(tài)分析模塊對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的分析計(jì)算。

本文利用ANSYS軟件對(duì)梭式皮帶布料機(jī)進(jìn)行整體建模，所建模型參數(shù)見文獻(xiàn)[1]，該布料機(jī)立柱總高21.96 m、最大布料半徑為22 m，主要針對(duì)其伸縮臂桁架的強(qiáng)度和變形進(jìn)行靜力學(xué)分析、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，以驗(yàn)算其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變形能否滿足混凝土輸送施工的要求，并提出相應(yīng)改進(jìn)建議，為今后布料機(jī)結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供參考。

1 布料機(jī)靜力學(xué)分析

1.1 邊界約束及加載

根據(jù)梭式皮帶布料機(jī)的實(shí)際安裝情況，對(duì)其立柱底部的4個(gè)支點(diǎn)進(jìn)行邊界約束ux、uy、uz。本文僅對(duì)堵料工況下的布料機(jī)進(jìn)行整機(jī)靜力學(xué)分析?？紤]到啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)的振動(dòng)影響，除風(fēng)載荷外，其他所有載荷均乘以起升系數(shù)1.1，而堵料物料的質(zhì)量則乘以沖擊系數(shù)2.0[5]。

（1）風(fēng)載荷。按6級(jí)大風(fēng)進(jìn)行計(jì)算，Pw=187 N/m，以線載荷的形式施加在立柱左側(cè)的弦桿上。

（2）集中載荷。傳動(dòng)滾筒處總質(zhì)量F1=1925 N，從動(dòng)滾筒處總質(zhì)量F2=1826 N，前端錐管處總質(zhì)量F3=15500 N，尾端錐管處總質(zhì)量F4=3300 N。其中兩滾筒處的總質(zhì)量均布加載在2個(gè)節(jié)點(diǎn)上，兩錐管處的總質(zhì)量均布加載在4個(gè)節(jié)點(diǎn)上。

（3）基本桁架均布載荷。基本桁架所受的總等效均布載荷qa=583 N/m，以線載荷的形式施加在基本桁架的下端弦桿上。

（4）伸縮臂桁架均布載荷。伸縮臂桁架所受的總等效均布載荷qb=566.5 N/m，以線載荷的形式施加在伸縮臂桁架的上端弦桿上。

此外，布料機(jī)的機(jī)構(gòu)自重通過定義重力加速度g與材料密度ρ來施加。

1.2 靜力學(xué)計(jì)算結(jié)果

布料機(jī)在堵料工況下的靜力學(xué)計(jì)算結(jié)果如圖1所示。計(jì)算結(jié)果表明:布料機(jī)整體結(jié)構(gòu)的變形量隨著立柱高度和伸縮節(jié)跨度的增大而增大，最大變形出現(xiàn)在22 m跨度的末端，最大變形量為369.0 mm。最大應(yīng)力位于基本桁架靠走道一側(cè)的加強(qiáng)筋板上，最大應(yīng)力值為160.96 MPa。布料機(jī)的整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力偏小，局部稍大。整機(jī)強(qiáng)度有較大的盈余量。

圖1 布料機(jī)堵料工況下的位移云圖和應(yīng)力云圖

2 布料機(jī)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

在ANSYS軟件的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析模塊中，通過設(shè)置載荷步可以模擬布料機(jī)在堵料過程中所承受的時(shí)間-歷程沖擊載荷，計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際情況。

2.1 布料機(jī)承受的恒定載荷

與靜力學(xué)分析相比，瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析中布料機(jī)所受的載荷只有前端錐管處的集中載荷變成了時(shí)間-歷程沖擊載荷，其他部件所受的約束和載荷均未變。

2.2 前端錐管處的時(shí)間-歷程載荷

由相關(guān)性能參數(shù)可求得該布料機(jī)從堵料開始到堵料最大所需的時(shí)間為t=7.41 s。堵料過程中，前端錐管處的集中載荷隨時(shí)間線性遞增。在t=0 s時(shí)刻，載荷為正常工況下的載荷，即F1=5500 N；在t=7.41 s 時(shí)刻，F(xiàn)2=（m1+m2+m3）×g，其中，m1為錐管以及溜管的總質(zhì)量，m1=300 kg；m2為正常工況下的物料質(zhì)量，m2=200 kg；m3為堵料最大時(shí)堵住的物料質(zhì)量，m3=500 kg；經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)2=10000 N。堵料達(dá)到最大值后，布料機(jī)釋放溜管以及里面的物料，只剩下錐管的質(zhì)量50 kg（即500 N）。故前端錐管處的時(shí)間-歷程沖擊載荷可設(shè)置為如表1所示的載荷步。

表1 時(shí)間-歷程載荷步的設(shè)置

2.3 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果

加載計(jì)算完成后，在POST26后處理器中選取伸縮臂桁架最前端 “V”形支撐尖角處節(jié)點(diǎn) （節(jié)點(diǎn)號(hào)為1656）為變量節(jié)點(diǎn)，定義其在Y方向上的位移變量，再通過數(shù)學(xué)微分得到速度變量和加速度變量。讀取各個(gè)變量的極限時(shí)刻點(diǎn)。

在POST1后處理器中，讀取在各個(gè)變量極限時(shí)刻時(shí)布料機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)，分析結(jié)果可以得知與布料機(jī)變形量及應(yīng)力值關(guān)系最緊密的是節(jié)點(diǎn)的位移變量。當(dāng)位移變量取得極限值時(shí)，布料機(jī)的變形量及應(yīng)力值也都同時(shí)取得極限值。因此需重點(diǎn)分析布料機(jī)在位移極限時(shí)刻時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)。從計(jì)算結(jié)果可知:布料機(jī)在承受時(shí)間-歷程沖擊載荷的過程中，在正向位移極限時(shí)刻6.6 s時(shí)其最大瞬時(shí)正向變形量為483.4 mm，同時(shí)最大應(yīng)力值為214.51 MPa；在反向位移極限時(shí)刻10.21 s時(shí)其最大瞬時(shí)反向變形量為94.3 mm，最大應(yīng)力值為48.49 MPa。與靜力學(xué)分析中得到的結(jié)果相比較，最大瞬時(shí)正向變形量和應(yīng)力值都有很大的增大，而反向變形量和應(yīng)力值雖然都不大，但嚴(yán)重影響布料機(jī)的穩(wěn)定性和疲勞壽命，應(yīng)盡量減小甚至消除。

3 布料機(jī)釋放質(zhì)量時(shí)刻改進(jìn)建議

根據(jù)布料機(jī)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果提出猜想:釋放錐管處質(zhì)量時(shí)刻布料機(jī)的瞬時(shí)正向位移大小對(duì)其反向沖擊變形有影響，且釋放質(zhì)量時(shí)刻布料機(jī)的瞬時(shí)正向位移越小，則反向沖擊變形也越小 ；反之，釋放質(zhì)量時(shí)刻布料機(jī)的瞬時(shí)正向位移越大，則反向沖擊變形也越大。

3.1 獲取正向位移較小時(shí)刻點(diǎn)

假定布料機(jī)桁架強(qiáng)度足夠大，將堵料最大值設(shè)置為550 kg，則從堵料開始到堵料最大所需的時(shí)間為t=8.15 s，求解布料機(jī)的后期響應(yīng)，設(shè)置相應(yīng)載荷步見表2。

表2 時(shí)間-歷程載荷步的設(shè)置

加載求解結(jié)束后，依舊選取1656號(hào)節(jié)點(diǎn)為變量節(jié)點(diǎn)，提取1656號(hào)節(jié)點(diǎn)在7.0～8.2 s時(shí)間段內(nèi)的位移-時(shí)間曲線如圖2所示。由圖2可知，在7.0～8.2 s時(shí)間段內(nèi)，1656號(hào)節(jié)點(diǎn)的位移出現(xiàn)了3次峰值，經(jīng)進(jìn)一步精確截取時(shí)間坐標(biāo)軸可以得到三個(gè)峰值的對(duì)應(yīng)時(shí)刻分別為7.25、7.65、8.10s。根據(jù)猜想若在位移取得峰值的時(shí)刻釋放質(zhì)量則可以減小甚至消除布料機(jī)的反向沖擊變形，從而提高布料機(jī)的安全穩(wěn)定性和疲勞壽命。

圖2 局部位移-時(shí)間曲線

3.2 在位移較小時(shí)刻釋放錐管質(zhì)量

以位移峰值對(duì)應(yīng)時(shí)刻為參照，對(duì)釋放質(zhì)量時(shí)刻做微量調(diào)整，從而保證布料機(jī)的最大堵料設(shè)定值為整數(shù)。得到3種不同的改進(jìn)方案:①方案a。設(shè)定布料機(jī)最大堵料質(zhì)量為490 kg，對(duì)應(yīng)釋放時(shí)刻為7.26 s；②方案b。設(shè)定布料機(jī)最大堵料質(zhì)量為515 kg，對(duì)應(yīng)釋放時(shí)刻為7.63s；③方案c。設(shè)定布料機(jī)最大堵料質(zhì)量為545kg，對(duì)應(yīng)釋放時(shí)刻為8.07s。3種改進(jìn)方案分別設(shè)置為如表3所示的載荷步進(jìn)行仿真，求得其瞬態(tài)解。

表3 時(shí)間-歷程載荷步的設(shè)置

加載求解結(jié)束后，查看在3種不同方案下1656號(hào)節(jié)點(diǎn)的瞬態(tài)響應(yīng)及位移-時(shí)間曲線，并將在3種不同方案下得到的結(jié)果與初始方案結(jié)果進(jìn)行比較?？芍?，其中正向最大變形量和應(yīng)力值變化都小于0.12%，在此不作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)的反向沖擊變形量變化情況如表4所示。

表4 改進(jìn)前后反向變形結(jié)果對(duì)比

由表4可知，在正向位移較小時(shí)刻釋放質(zhì)量可以有效地減小布料機(jī)的反向沖擊變形，有利于布料機(jī)的整體穩(wěn)定性和疲勞壽命。作為本文研究對(duì)象的該型布料機(jī)，筆者認(rèn)為方案a是最理想的改進(jìn)方案，該方案既減小了正向最大變形量和應(yīng)力值，還完全消除了反向沖擊變形和應(yīng)力，而且相對(duì)于初始設(shè)定值500 kg，該方案的設(shè)定值改變幅度最小。

4 結(jié) 論

本文以某型梭式皮帶布料機(jī)為研究對(duì)象，利用ANSYS軟件建立其整體有限元簡化模型，通過靜力學(xué)和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，得到其在堵料工況下的整機(jī)變形和應(yīng)力分布情況，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)堵料后期釋放錐管處質(zhì)量時(shí)刻的選擇提出了改進(jìn)建議，綜合分析得到以下主要結(jié)論:

（1）堵料工況下布料機(jī)的整體受力較好，變形滿足混凝土輸送施工要求，應(yīng)力強(qiáng)度有較大盈余。

（2）堵料工況下，由于沖擊而產(chǎn)生的時(shí)間-歷程載荷會(huì)增大布料機(jī)的最大變形量和應(yīng)力值。將瞬態(tài)分析中得到的結(jié)果與靜力學(xué)分析中得到的結(jié)果進(jìn)行比較，最大變形量增大31.0%，最大應(yīng)力值增大33.3%。在日后布料機(jī)的安全性設(shè)計(jì)中應(yīng)給予重視。

（3）釋放錐管處質(zhì)量瞬間，布料機(jī)的正向位移越小，則反向沖擊變形也越小，反之亦然。在正向位移較小時(shí)刻釋放質(zhì)量有利于布料機(jī)的整機(jī)穩(wěn)定性和疲勞壽命，可為布料機(jī)的安全性設(shè)計(jì)提供理論參考依據(jù)。

［1］廖湘輝，楊懸，劉歡，等.基于ANSYS的梭式皮帶布料機(jī)結(jié)構(gòu)分析及改進(jìn)建議［J］.水力發(fā)電，2012，38（12）:38-40.

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