基于ANSYS的胎带机布料臂架金属结构的有限元分析

严大考，钟艺谋，，张阳勇

（1．华北水利水电学院机械学院，河南郑州 450045;2．中国水利水电第四工程局有限公司，甘肃临夏 731600）

胎带机是一种移动式物料输送设备，广泛应用于水电、建筑、矿山等工程领域;主要由布料、上料、上车、轮胎式底盘、液压及电控等系统组成．布料臂架是胎带机的关键部件之一，属典型的大悬臂结构，其设计合理与否，直接影响胎带机的安全可靠运行．

ANSYS是现代产品结构设计中应用广泛的大型通用有限元分析软件，可对机械产品的金属结构进行计算分析．笔者基于ANSYS对最大幅度50 m的伸缩式布料臂架金属结构进行了系统的计算分析，并取得了较好的成果．

1 布料臂架的有限元分析模型

1．1 臂架结构组成

胎带机布料臂架金属结构主要由基础臂、中间臂、前臂等组成，如图1所示．臂架弦杆采用Q390D冷拔无缝等壁厚矩形钢管，横竖腹杆用45无缝钢管，板材用Q345D．

1．2 臂架结构的有限元模型

基于ANSYS软件平台，建立布料臂架的有限元计算模型，如图2所示．其中弦杆、横竖腹杆采用BEAM188单元，底面斜拉杆采用LINK8单元，板材采用 SHELL63 单元［1］．

布料臂架的边界条件复杂［2－3］，模型中约束条件及其伸缩臂架间的耦合形式依据胎带机的结构特点、实际工况来确定．进行有限元计算时考虑的载荷有臂架、皮带、托辊、溜管等自重，物料产生的载荷、风载及其他附加载荷等．

1．3 建立臂架模型的关键技术

在对布料臂架进行有限元计算分析时，既要考虑臂架的俯仰，又要考虑臂架的伸缩，因此涉及的计算工况较多．为便于快速建立各种工况下的有限元模型，提高计算效率和减少重复建模的工作量，采取如下措施．

1）采用APDL命令流方式，对布料臂架金属结构的有限元模型进行参数化建模，达到快速计算和分析不同尺寸的设计方案，提高设计效率及质量，降低设计成本等．

2）在对伸缩式布料臂架进行有限元计算分析时，需要考虑不同伸缩长度时的快速建模．采用调用数组的方式，将各节臂与滑道间的对应耦合节点进行编号并存贮于相应数组中，建模时依据不同伸缩长度进行节点快速自动耦合，从而实现快速建模．

3）布料臂架在不同的俯仰位置时，由于臂架自重、物料等载荷方向不断变化，为了实现快速、自动建模，将相关载荷依据命令流方式自动加载．

2 典型工况的计算分析

胎带机布料臂架计算工况较多［4－7］，主要考虑以下3种典型工况：工况1，布料臂架处于水平完全伸出状态;工况2，布料臂架处于水平状态，且从最大幅度缩回，分析伸缩不同长度时，其变形和应力情况;工况3，布料臂架处于完全伸出状态，考虑臂架俯仰不同角度时，其最大挠度和最大应力．

2．1 工况1

作用在臂架上的载荷：前臂端部的集中载荷（溜筒、改向滚筒组及其他附加载荷等），前臂、中间臂、基础臂自重及其皮带运输系统的自重，物料载荷，风载荷等．臂架受的载荷、约束等如图3所示．

图3 布料臂架的受载及约束简图

通过有限元分析计算，如图4和5所示，该工况布料臂架最大应力为 290．60 MPa（［σ390］ =293．23 MPa），最大变形为1 129 mm（［f］ =2 500 mm），满足强度和刚度要求，最大应力发生在基础臂的尾部上弦杆处．

布料臂架前臂最大应力值为195．64 MPa，出现在与中间臂下滑道接触的主弦杆位置．中间臂最大应力值为235．79 MPa，出现在与基础臂下滑道接触的主弦杆位置．

图4 工况1时布料臂架的应力云图

图5 工况1时布料臂架的变形云图

2．2 工况2

由于前臂和中间臂的最大应力位置在与滑道接触的弦杆处，考虑到不同伸缩长度时，滑道与臂架弦杆间的相对位置将发生变化，有可能造成滑道与臂架弦杆间的应力增大现象．因此需计算布料臂架从最大幅度缩回不同长度时，臂架的变形和应力情况，见表1．

表1 臂伸缩不同长度时的有限元计算结果

图6—9是布料臂架缩回至1 400 mm时应力云图及变形图．布料臂架缩回至1 400 mm时，臂架最大应力282 MPa，出现在基础臂尾部上弦杆的一侧，如图9所示;最大变形为1 033 mm，出现在布料臂架头部，如图10所示，强度和刚度满足要求．布料臂架前臂最大应力值为220．0 MPa，出现于与中间臂下滑道接触的主弦杆上，如图8所示．前臂在缩回过程中，其最大应力值有所增大．布料臂架中间臂最大应力值为225．5 MPa，出现在与基础臂下滑道接触的主弦杆位置，如图9所示．对比图9与图6可知，中间臂在缩回过程中，其最大应力值减小了．

为了更加清晰地描述各节臂在不同缩回行程的最大应力变化规律，特绘制了前臂、中间臂以及基础臂的最大应力变化曲线，如图10—12所示．

图10 缩回0～2 000 mm时基础臂的最大应力变化曲线

由图10—12可知，布料臂架在缩回过程中：

1）基础臂最大应力值呈递减趋势，且最大应力位于基础臂的尾部上弦杆处．2）前臂最大应力值呈现一定的波动性，且最大应力在中间臂下滑道接触的前臂主弦杆位置．

3）中间臂最大应力值呈递减特性，最大应力位于与基础臂下滑道接触的中间臂主弦杆位置．

2．3 工况3

作用在臂架上的载荷类型及大小与工况1一致，但需要考虑在不同俯仰角时载荷方向的变化．在计算布料臂架俯仰工况时，分别计算了臂架角度－15°，－10°，－5°，0°，10°，20°，30°7 个位置，计算结果如图13和图14所示．

从图13和图14可看出，布料臂架在0°（臂架处于水平状态，完全伸出）时，处于整个变幅过程最危险的位置．

通过对布料臂架的有限元计算，得出其在不同俯仰角时变幅油缸需提供的作用力大小，见表2．

表2 俯仰过程中变幅油缸的作用力

3 结语

通过对胎带机布料臂架进行了有限元计算分析，得出如下结果．

1）采用APDL命令流和数组调用等方式建立布料臂架金属结构有限元模型，可快速完成不同尺寸的臂架设计方案有限元分析计算，计算效率高，成本低，质量好等．

2）对布料臂架的金属结构进行了全面、系统的计算、分析及研究，研究成果对同类产品设计提供了技术支持．

3）由变幅油缸的作用力可确定变幅油缸的型号尺寸．

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