带式输送机头部支架的有限元分析.pdf

7 0 现 代 制 造 技术 与 装 备 2 0 0 7 第3 期总 第1 7 8 期 带式输送机头部支架 的有限元分析 郑学谦 t 秦 东晨 t 梁 颖 i ． 郑州大学机械工程学院 ， 郑州 4 5 0 0 0 1 2 ． 中原工学 院机电学院， 郑州 4 5 0 0 0 7 摘 要 用三维实体造型软件 P r o E创建 带式输送机头部支架三维模型， 将带式输送机头部 支架三维模 型 导入 ANS YS软件对其进行有限元分析， 分析结果表明头部 支架的强度和刚度满足设计要求。 关键词 带式输送机 头部 支架 有限元分析P r o ／ E A NS Y S 1 引言 带式输送机作为输送散状物料的主要设备，因其具有 输送能力大、 结构简单 、 费用低 、 维护方便等特点而被广泛 应用于冶金 、 煤炭 、 电力 、 建材和码头等部门。对带式输送 机的设计 目前多采用传统的设计方法 。传统的结构设计 ， 首先是凭借经验判断结构的初始方案 ， 包括总体布置 、 材料 选择 、 结构尺寸和制造工艺等， 然后进行结构分析 ， 最后在 力学分析的基础上校验其是否可行，甚至有的未校验 。传 统设计的主要缺点是设备多笨重且造成材料浪费。 本文 以焦作市科瑞森机械制造有限公 司为河南预联 巩义市 设计制造 的带式 输送机的头部支架为例 ， 利用 实体建模软件 P r o ／ E和有 限元分 析软件 A N S Y S各 自的优 点 ， 对其进行实体建模 、 有限元分析 。该带式输送机 的主 要技术参数为 电机功率 P9 0 K w， 名义长度 L 1 4 6 ． 5 0 5 m， 带宽 B1 ． 2 m， 带速 V2 5 m ／ s ， 输送量 Q1 0 0 0 t ／ h， 倾 斜 角 0 。， 提升高度 H0。 2 建 立模 型 带式输送机的头部支架是尺寸相同的两个平面刚架通 过三个槽钢焊接而成 的一个空间结构。用 P r o ／ E建立 的带 式输送机头部支架的三维实体模型如图 1所示。由于该模 型具有对称性 ， 在对支架做有限元分析时 ， 为了在分析计算 时节省机时， 现取模型的二分之一部分作为分析对象 ， 其三 维模型如图 2所示。利用通用的数据交换格式 I G E S标准 ， 将 P r o ／ E建 立的头部支架 的三维实体模型导人 到 A N S Y S 中， 建立支架的 A N S Y S有限元分析模型， 如图 3所示。 图 1 头 架三 维 实体 模 型 图 2 二 分 之一 头 架三 维 实 体模 型 图 3 头架 的 有 限元 模 型 图 4 头 架的 受 力分 析 图 维普资讯 自动化 与控制 7 1 3 有 限元计算分析 整个头部支架都 是用槽钢 和钢板组焊而成 ，支架 的 材料特性为 弹性模量 E X 2 ． 1 E 5 MP a ， 泊松 比 0 ． 2 8 ， 需 用应 力 【 盯】 1 5 0 MP a 。 3 ． 1 网格划分⋯ 由于其结构的特殊性 ， 要采用六面体单元相对较难 ， 最简 单 的方 法是 采用 四面 体单 元 。在此 选择 S t r u c t u r a l S o l i d和 T e t 1 0 n o d e 9 2 ，并且设置单元 尺寸 E l e m e n t e d g e l 。 舢 为 3 0， 然后采 用 自由网格划分方式生 成有 限元 网 格 ， 划分后的四面体实体单元 2 7 3 2 1 个 ， 节点数 5 4 7 3 8个 ， 如 图 3所 示 。 3 ． 2 边界条件 支架 的底 部采 用螺栓 与地 基连 接或 直接 与地 面焊 接 ， 因此 ， 支架三个方 向的位移 自由度都被约束 。 3 ． 3载荷分析 1 前立柱受力分 析l 2 I 带式输送机头架 的受力分析如图 4所示 。传动滚筒 上所需的圆周驱动力为 F uc fl g [ q R o q R I _十 2 q B q o l q G H g F s l 1 ． 5 90 ． 0 2 31 4 6 ． 5 0 59 ． 8 1 1 8 ． 4 5 6 ． 4 3 21 7 ． 6 6 1 1 1 ． 1 1 】 十 2 5 2 3 4 6 8 0 1 6 1 9 8 N 按胶带不打滑条件 F ≥ 1 ； 得 出 1 2 1 4 8 ． 5 N 图 5 头 架 的 Vo n Mis e s应 力云 图 厂 ■ ■ 一 、 ／ 昔 2 ≤ f 一1 6 0 M P a ， 其 中 盯 F 惫； F 惫 最大米塞斯等效应力远小 于 1 6 0 M P a ， 满足强度要求。 4 结束语 通过对带式输送机 头部 支架有限元模型进行分析计 算 ，计算结果表 明该机头部支架 的强度和刚度远小 于许 用值 。从经济的角度考虑 ，可 以通过改变梁 的横截面尺 寸、 支架 的结构形状 、 支撑位置等对支架进行优化设计 ， 在满足各处刚度和强度要求的前提下 ，以达到充分利用 材料、 降低支架的重量 ， 从而达到降低费用的 目的。 按胶带允许最大下垂度 F ≥ 参考文献 I Z 鱼 2 1 8 9 2 9 N 80． 01 取 F z 1 8 9 2 9 N， 则 F 1 F 2 F o 3 5 1 2 7 N 因此 ， 立柱所受的水平分力 F F F 2 C O S 9 。 5 3 8 2 3 N 垂直分力 F Ib F 2 X s i n 9 。 2 9 6 1 N 弯矩 M1 3 1 5 F 1 b 9 3 2 7 1 5 N mm 2 斜支撑受力分析 沿斜面的分力 2 F 2 s i n 4 ． 5 。 s i n 4 9 ． 5 。 2 2 5 9 N 垂直斜面的分力 F 2 F 2 s i n 4 ． 5 。 c o s 4 9 ． 5 。 1 9 2 9 N 弯矩 M2 2 1 6 F 』4 8 7 9 4 4 N m m 3 ． 4计算结果分析 1 支架的强度分析 支架 所用材料是碳 素结构刚 Q 2 3 5 一 A ， 其许用 强度 为 【 盯】 1 5 0 MP a 。支架所受最大应力分布在前立柱与底 板交接处的外部 ，如图 5所示 ，最 大 Mi s e s 等效应力 为 7 8 ． 4 9 9 M P a ， 远小于 1 5 0 MP a ， 满足强度要求。 2 支 架 的 刚度 分 析 _3 _ 受弯构件的允许挠度为 Y[ J 5 0 02 ． 3 5 mm；其中 k 为 受 弯 构 件 的跨 度 。而 支 架 前 立 柱 的 最 大 偏 移 量 D M X 0 ． 2 2 2 4 5 6 m m， 其远小于 2 ． 3 5 m m， 因此刚度满足要求。 3 角焊缝的强度分析『 4 _ 直角角焊缝在垂直于其轴线和平行 于该轴线的各 种力 单独或综合作用下 ， 其强度计算公式为 [ 1 ]刘 相新 ， 盂 宪 颐 主 编 ． AN AY S基 础 与应 用 教 程 [ M] ． 北 京 机 械 工 业 出 版社 ， 2 0 0 6 [ 2 ]北京起重运输机械研究所， 武汉丰凡科技开发有限责任公司 主编． D TⅡ A 带式输送机设计手册[ M] ． 北京 冶金 工业出 版社 ， 2 0 0 3 [ 3 1 、 沈煜主编． 材料力学[ M] ． 北京 高等教育 出版社 ， 1 9 8 8 [ 4 】汪菁 ， 胡 玉琳 ． 直 角角焊缝 强度计 算 的探 讨【 J 】 ． 河 南科学 ， 1 9 9 8， 1 6 1 9 3～9 8 F i n i t e El e me n t s An a l y s i s o f He a d F r a me Us e d o n Be l t Co nv e yo r Z H EN G X u e q i a n ， Q I N D o n g e h e n ，L I A N G Y i n g z 1 ．C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，Z h e n g z h o u U n i v e mi t y ， Zh e n g z h o u 45 00 01； 2．Co l l e g e o f El e e t r o me c h an i c s ，Zh o n g y u an Un i v e r - s i t y o f T e c h n o l o g y ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 7 Ab s t r a c t P r o E i s u s e d t o b u i l d t h e t h r e e d i me n s i o n al s o l i d mo d e l an d ANS YS i s u s e d t o p e r f o r m fin i t e e l e me n t an aly s i s f o r t h e h e a d f r a me o f t h e b e l t c o n v e y o r ．Th e ana l y s i s r e s u l t s h o ws t h a t the d e s i g n me e t s t h e r e q uir e me n t o f rig i d i t y and s t r e n g t h． Ke y wo r d s b e l t c o n v e y o r ， h e a d f r a me， fi n i t e e l e me n t a n aly s i s， P r o ／ E，ANS YS 维普资讯