带式输送机不锈钢机架结构有限元分析

李明雷，张德岳，谢振华，刘亚楠

(1.大连盐化集团有限公司，辽宁大连 116309；2.中盐工程技术研究院有限公司，天津 300450)

1 前言

带式输送机具有结构简单、能耗低、工作阻力小、货载的破碎性小、耗电量低、管理维护方便等许多优点，在潮湿、尘土等恶劣环境下实现连续传送，在国内各行业应用广泛[1]。考虑制造成本、机械强度等因素，带式输送机的机架一般选用优质碳素结构钢，已经积累了很多经验。

大连盐化集团有限公司(以下简称“公司”)现设计一台带式输送机装卸原盐，由于原盐具有强烈的腐蚀性，因而选用304不锈钢制造输送机机架。在传统的机架结构设计计算中，一般根据材料力学、结构力学等进行设计和校核。这种设计方法只能对危险截面计算校核，计算精度受到限制[2]。

文章采用有限元方法计算机架的受力和变形情况。先在SolidWorks平台建立机架三维模型，然后分析受力条件后施加载荷，其次划分网格，最后计算机架受力情况。计算后得到机架应力云图和应变云图，分析受力和变形规律，为机架结构优化设计提供理论依据。

2 机架三维模型建立

公司设计的输送机长度30 m，宽度1 m，辊筒电机功率18.5 kW，输送量1 000 t/h，带速3 m/s。输送机下部焊接固定在旋转盘上，属于完全固定结构。根据设计选型手册[3]，输送机机架主梁用75×8的角钢等边角钢，连接筋用63×8等边角钢，下支撑用18A槽钢，然后用连接板焊接而成。用三维建模软件SolidWorks建立三维实体模型，如图1所示。

图1 机架三维模型Fig.1 Three-dimensional model of the transmisson frame

3 机架载荷分析与计算

机架所有材料使用304不锈钢，材料特性为弹性模量Ex=1.9×106MPa，泊松比μ=0.305，许用应力[σ]=135 MPa，密度ρ=7.85×103kg/m3。在机架上输送盐重量为3 t，假设均匀分布在机架长度上，动载荷为F=100 N/m。计算中考虑机架自重，取重力加速度G=9.81 m/s2。

机架倾斜放置，中间支撑焊接在转盘上，一端带滑轮与地面接触，另一端悬臂在空中。机架的中间支撑焊接在旋转盘，3个方向的位移自由度都被约束。机架一端与地面接触，可以滑动，只有Y方向的自由度被约束。机架另一端没有支撑，是悬臂梁结构。机架受力和固定情况如图2所示。

图2 机架的受力分析Fig.2 The force analysis of transmisson frame

SolidWorks Simulation是一个与SolidWorks完全集成的设计分析系统，提供了单一屏幕解决方案来进行应力分析、频率分析、扭曲分析、热分析和优化分析。SolidWorks Simulation凭借着快速解算器的强有力支持，可让设计员能够使用个人计算机快速解决大型问题。SolidWorks Simulation为了体现设计仿真一体化的解决方案，在无缝集成界面做了创造性的改变，将仿真界面，仿真流程无缝融入到SolidWorks的设计过程中。SolidWorks Simulation可以直接使用SolidWorks建立的三维模型。它网格化会创建 3D 四面实体单元、2D 三角形壳体单元及1D横梁单元，前处理和后处理比其他CAE软件方便简单。三维模型建成后，SolidWorks Simulation可根据零件情况自动选择单元模型并划分网。单元格越小，划分的越精细，单元数也会越多，计算量也就越大，计算所需时间越长。选用其默认的网格划分精度可以满足一般的设计要求。网格由一种类型单元组成，除非指定了混合网格类型[4]。计算中自动选择适合衍架结构的193横梁单元，单元最小51.31mm。计算模型选择静应力分析，不需要局部细化网格。以上设置完成后，运行此算例。

4 计算结果分析

在SolidWorks Simulation有Direct Sparse解算器、FFEPlus(迭代)两个计算器，对于一般计算自动选择Direct Sparse解算器。Direct Sparse解算器使用精确的数字方法求解方程式，可用于静态、热力、频率、线性动态和非线性算例，计算机可用内存足够多时速度较快。计算后，得到等效应力分布图如图3所示，位移云图如图4所示。

图3 等效应力云图Fig.3 The nephogram of equivalent stress

图4 位移云图Fig.4 The nephogram of displacement

从图3等效应力云图可以看出，最大应力出现在带式输送机悬臂段的根部，且最大应力达到108 MPa。带式输送机另一端由于接触地面，其根部最大应力较小为93 MPa。因此在制造过程中，要严格控制悬臂段根部焊接质量，避免微孔、裂纹和虚焊等缺陷，防止在以后使用中产生疲劳断裂。设计人员可将倾斜支撑段适当加长，稍微向外延伸，减小根部应力集中。机架使用304不锈钢焊制，其屈服强度为[σs]=205 MPa，最大应力小于材料的许用应力，安全系数1.52，符合设计要求。

从图4位移云图可以看出，最大位移出现在带式输送机悬臂段的头部，且最大位移达到43.5 mm。根据相关国家标准[5]，悬臂机架最大变形量Dmax=L/300，其中L是悬臂长度二倍，计算得最大允许变形量[δ]=100 mm。因此，比较后可知，输送机机架不会失稳。但是，设计中选用输送带长度时，需要考虑机架较大的变形量，安装输送带胀紧装置。

5 结论

用SolidWorks建立带式输送机机架三维模型，然后用SolidWorks的有限元分析插件SolidWorksSimulation进行静力学分析，进而从理论上得到机架在工作状态下的应变、位移等情况。设计者可直接观察机架三维等效应力云图和位移云图，得到受力的危险位置，从而优化机架结构。为带式输送机机架是设计提供了参考。