基于有限元的管带输送机桁架护栏新结构的分析

花福志

（福建龙净环保股份有限公司，福建 龙岩 364000）

圆管状带式输送机（简称管带机）的研发源自20世纪70年代的日本，是在常规带式输送机的基础上演变而来的一类全新散装物料传输技术，它可以实现散装物料的封闭式传输，具有输送线路能够沿空间曲线布置和大角度倾斜布置的优势，而且环保性较高[1]。圆管状带式输送机的工作原理与常规带式输送机基本相同，都是通过摩擦驱动使输送带带着物料迁移，但也有一些不同之处，例如圆管状带式输送机采用按一定距离规划的正六边托辊组把输送带卷成圆管状，将散状物料包裹起来传输，即圆管状带式输送机在尾部过渡段接收物料后，逐渐将输送带卷成圆管状后进行封闭传输，直至头部过渡段再逐步展开成平形，最终完成卸料。圆管状带式输送机的中间输送带部分是通过托辊组把输送带卷成圆管状，将物料包裹密闭传输，不会出现飞扬、散落的情况，并且能够预防外部杂物混入传输物料，规避传输的物料遭到雨淋或者是日晒等不可避免的伤害；由于回程分支传输带也为圆管状，因此不必担心在传输带上的物料在传输路途中掉落，实现了无害化传递。此外，不需要在沿途设置封闭结构防止物料洒落污染环境。圆管状带式输送机密闭式的输送，既环保又经济的运输方式，将成为环保、清洁输送工程的必然选择[2]。

在实际工程使用中，几千米长的管带机通常要布置许多段桁架。为了保障管带机的日常运行维护，则需在桁架两侧设置检修走道，而为了满足《固定式钢梯及平台安全需求》（GB4053.3-2009），还必须在检测维修走廊的外侧安装安全栏杆，也被称之为护栏。

在传统设计中，为了提升栏杆的强度，同时满足栏杆刚度需求，将护栏竖杆设计焊接在走廊的支撑型钢架中，使护栏竖杆不能统一设置间距，如图1所示。但这样就造成每个不同桁架的护栏不一样，增加了护栏种类，每种护栏都需要单独设计制作图，从而增加了出图量，并且因为护栏的种类繁多而增加施工安装的负担。为了促使栏杆的设计及加工通用标准化，降低栏杆类型，即不管桁架是否相同，每个桁架走道上的护栏均可只用一种护栏。本设计方案提出将栏杆竖杆直接安装焊接到走道角钢上，不需安装焊接在走道的支撑型钢上，使所有护栏竖杆都能等间距设计，方案如图2所示。但经过实际应用试验，该方案只需要很小的推力就会引起护栏很大的变形和摆动，无法满足使用要求。虽然加大走廊角钢型号可以锐减栏杆的变形与摆动，但是过量加重走廊角钢型号也会丧失这一设计方案的性价比。

图1 常规设计的护栏

图2 通用化设计的护栏

根据结构验算及工程实际运用后反馈，用角钢L63×8作为走道角钢的通用护栏，护栏刚度可以满足使用要求。通过有限元分析也佐证了这种结构的刚度符合使用要求。目前，用角钢L63×8作为走道角钢的通用化护栏已经得到了广泛应用，但是由于该结构的走道角钢需采用角钢L63×8，比原来的走道角钢L63×6重，经济性不够理想，因此利用有限元分析的方法，研究既能满足使用要求又具有较高经济性的护栏新结构是必要的。

1 有限元分析法概述

有限元分析法是20世纪50年代基于电子计算机发展而演变而来的一类求解数理方程的数值计算方式，是处理项目具体问题的一类高效数值计算方式。该方法是将弹性理论、计算数字与计算软件充分融合所形成的一类数值分析技术，因为这一方法的科学性、高效与迅速，促使其不断进步成为求解各个范畴数理方程的一类科学近似计算方式。

有限元分析的基础规律是以构架力学中的迁移法为根基，将要探讨的连续体划分为有限个单元的组成体，各单元仅在节点区域连接。有限元分析优先对单元特征开展探讨，紧接着参考各个单元在节点区域的稳定与协调要素，构建节点迁移与节点力之间的联系方程，获得节点迁移分量，从而获得节点的应变与应力。假如单元符合问题的收敛性需求，那么随着单元规格的降低，解的近似水平将不断优化，近似解最终收敛于准确解。给这些单元编制边界要素、载荷等，再采用计算机对其迁移矩阵、刚度矩阵开展核算解析，将获得的解析解通过表达式体现出来。对常规的线性静力学分析，其基本平衡方程如下：

式（1）中，[K]是由全部的单元刚度矩阵组成的总刚度矩阵；{u}是节点位移列阵；{F}是按照节点编号顺序形成的节点载荷列阵。

在科学技术范畴中，对钢构架的诸多力学问题以及物理难题，民众已经获得了其应当遵从的基本方程与相应解析要素。可是能够通过解析方式获得精准解的只是少部分方程，这些方程性质较为单一且存在钢构架的几何形状较为规整的问题。对于大部分烦琐的钢构架问题，因为具备非线性，解决区域几何形状较为艰难，所以无法获得解析解。随着数学工具越发丰富，研究人员采用了另一类方式——数值方式，也就是有限单元法，它是一类至关重要的数值方式。40年以来，有限单元分析法的运用已经从弹性力学平面问题延伸至空间难题、板壳问题。因为静力平衡难题拓展至稳定性问题、动力问题以及波动难题，探讨的对象从弹性力学延伸至塑性、黏弹性、塑料性以及符合材质等。这对钢构架的力学以及物理难题的精准解提供了帮助。

近几十年，随着计算机技术的持续进步，一大批专业有限元计算软件诞生，著名的有限元分析软件有ANSYS、ABAQUS、 NASTRAN、 LS-DYNA、 MARC、 ADINA等，它们各具特色，为计算机仿真行业的发展发挥了重要作用。随着时代发展，部分软件逐渐退出舞台，目前在商业领域工程运用占有率最高的主要是ANSYS和ABAQUS两款软件。

ANSYS和ABAQUS两种软件都是专业的有限元计算软件，在全球范畴内均具备广泛的客户群体。ANSYS较早进入我国，软件在侧重线性分析的客户群体中广受认可，其在计算机资源的运用、用户界面研发等方面均有着不小的价值与作用。ABAQUS软件则侧重更烦琐和更有挑战性的项目，经过几十年发展，在诸多领域均能够通过其开展仿真探讨剖析，这一软件侧重非线性力学探讨。ABAQUS软件突出的非线性剖析能力在规划与探讨的高端客户群体中得到了大家的广泛认同，也广泛应用在航天航空等高难项目上。ABAQUS软件的另外一大优势是具备突出的前处理能力，有助于研究人员迅速构建模型以获得精准成果。

ABAQUS被大家认同为是功能最突出的有限元软件，能够剖析烦琐的固体力学构架系统，尤其是可以驾驭非常庞大烦琐的问题与模仿高度非线性难题。ABAQUS不仅能够实现单一零碎的力学与多物理场的探讨，并且还能够实现系统级别的探讨与剖析。ABAQUS的系统级别剖析的特征相较于其他的剖析软件而言是独一无二的。其能够处理从较为简单的线性剖析到富含挑战性的非线性模拟等各类难题。ABAQUS有着丰富多样的单元库，能够模仿任何具体形状。ABAQUS也有着较为多样的材料库，能够模拟大部分经典项目材质的能力，囊括金属、橡胶、聚合物、复合材料、钢筋混凝土、可压缩泡沫及土壤岩石等。作为一种通用的模拟工具，应用ABAQUS不仅能够接近结构分析（应力位移）问题，而且能够研究热传导、质量扩散、电子元器件的热控制（热-电耦合分析）、声学、土壤、压电分析等广阔领域中的问题。

由于ABAQUS优秀的分析能力和模拟复杂系统的可靠性使得ABAQUS在各国的工业和研究中广泛的应用，ABAQUS产品在大量的高科技产品研究中都发挥着巨大的作用。本次采用基于有限元软件ABAQUS的分析方法对新结构护栏进行分析。

表1 实验模型设置

2 绘制仿真试验模型

2.1 模型假设

以某管带机某段直线桁架为例，护栏按照通用化护栏形式进行设计，即护栏的竖杆全按等间距1 000 mm布置，不用考虑走道支撑槽钢间距；护栏的竖杆采用直径为33.5 mm的焊接管；根据规范要求设置护栏高度1 200 mm；走道的两支撑槽钢（即走道支撑型钢）间距按1 900 mm布置；走道角钢采用L63×6；槽钢与走道角钢相接触的部分宽度为48 mm（如图3所示）。

图3 模型图 （单位：mm）

对模型进行如下假设：一是假设支撑槽钢为刚体，假设竖杆为33 mm宽的刚体；二是假设走道角钢与支撑槽钢之间的焊接是理想的焊接形式；三是不考虑钢格板对走道角钢的加强作用[3]。

2.2 绘制模型

在ABAQUS/CAE中按上述尺寸绘制1 900 mm长的模型，模型只需要绘制走道角钢、支撑槽钢、护栏竖杆3个部分。

（1）现行的用角钢L63×8作为走道角钢的通用化护栏模型如图4所示。

图4 用角钢L63×8作为走道角钢的护栏模型

（2）新结构：走道角钢采用角钢L63×6，且将外侧走道角钢改为朝下放置，这样可以将需要仰焊的位置改为俯焊，降低施工难度另外设置一块t2的折弯钢板（图中箭头所指）联接内外两侧的走道角钢，一端焊接在外侧走道角钢中间位置（焊两个位置），另一端焊接在内侧走道角钢下端面（焊一个位置），三维模型如图5所示。

图5 新结构护栏的模型

输入钢材材料的模型数据，完善泊松比、弹性模量等数据。设立边界条件：走道支撑槽钢与走道角钢的焊接处定义为固定边界，并且考虑护栏竖杆按等距随机布置后会出现的最不利情况，即护栏两相邻竖杆在最靠近中间位置时的情况。根据相关标准，在每个竖杆顶端施加200 N的水平推力。测量竖杆上端头的位移量来判定护栏的刚度[4]。

2.3 建立实验分组

为了判断新结构的可行性，将新结构通过实验与现行的通用化结构对比，故设置了两种结构的实验对照。1号模型为现行的走道角钢L63×8通用化护栏结构；2号模型为新通用化护栏结构，采用走道角钢L63×6加t2折弯板。

3 实验结果

计算处理结果如图6、图7所示，在水平力的作用下，走道角钢产生了扭曲变形。走道角钢与支撑槽钢固定位置的应力较大。读取该处走道角钢应力值和竖杆顶部的位移量，得出的结果见表2。

图6 现行结构角钢L63×8实验结果

图7 新结构角钢L63×6（加联接板）实验结果

表2 实验结果

通过对实验结果比较，新结构竖杆顶位移比现行结构的略有减少，减少了3.82%，刚度是完全可以满足使用要求的。而新结构每米重量比现行结构的轻，约轻了12.84%，经济性较为突出[5-6]。

4 结语

根据仿真实验对比得出：新结构护栏既能满足使用要求又有较高经济性，因此新结构护栏可以取代现行角钢L63X8作为走道角钢时的护栏。后续将该实验成果应用到管带输送机桁架结构设计安装中，不仅为项目节省物料成本，同时将继续研究在项目中的实用性。