带式输送机机架结构的优化分析

赵成龙

（晋能控股煤业集团高山煤业有限公司， 山西 大同 037000）

引言

带式输送机是进行物料输送的常用设备，具有输送距离长、效率高的优点，在煤矿等长距离大运量的输送中具有广泛的应用。随着煤炭生产效率的不断提升，对带式输送机运行速度及运载量的要求不断提高[1]，使得带式输送机的机架结构尺寸及重量也不断增加，以满足使用需求。由于传统的设计方法常依据经验设计，对带式输送机的性能分析不足，容易造成带式输送机机架结构的冗余[2]，不能充分发挥材料的性能，造成一定的浪费。针对带式输送机的机架结构，采用计算机优化设计的方式对其结构进行优化，在满足使用性能的同时以求降低机架的重量[3]，从而降低带式输送机的生产制造成本，提高煤矿输送的经济效益。

1 带式输送机机架结构优化步骤

采用有限元分析软件ANSYS 对带式输送机的机架结构进行优化设计及分析，在进行机架结构优化设计的过程中，ANSYS 依据分析- 评估- 修正的循环过程对结构不断进行评估及循环修正，从而得到机架结构的最优解[4]，实现优化设计。ANSYS 中提供了两种方法实现结构的优化设计，即零阶方法和一阶方法，一阶方法的优化设计基于目标函数对设计变量的敏感程度进行计算[5]，适用于精确的优化分析。机架的结构较大，采用零阶方法进行优化分析。

以某型号的带式输送机为例，结合机架的结构进行优化设计。带式输送机的机架结构多通过槽钢、H型钢及钢板等组合焊接而成[6]，槽钢及钢板主要起到连接及加强支撑的作用，所使用的量远小于H 型钢，针对H 型钢的使用进行优化设计。选取H 型钢的长度（L）、高度（H）、厚度（B）及侧边的宽度（w）为设计变量，如图1 所示。设计变量作为输入的参数，其最大值及最小值决定了变化的范围，ANSYS 计算过程中在指定的设计变量范围内进行寻优。

图1 H 型钢设计变量示意图

对机架的优化分析确定约束条件，在进行零阶优化的过程中，可以将约束条件分为性能约束及边界约束，性能约束即以机架的强度、刚度等为约束条件，边界约束即以机架设计变量的尺寸为边界条件进行约束。约束条件又可分为等式约束及不等式约束，带式输送机的机架结构采用不等式约束、性能约束及边界约束相结合的方式，机架结构选用的材质为Q235A，其许用应力为113 MPa，因此设定机架的应力约束条件为σ≤[σ]=113 MPa。

依据选用的H 型钢的结构尺寸，设定优化的边界约束条件为[10]：250 mm≤L≤432 mm；250 mm≤H≤498 mm；9 mm≤B≤45 mm；115 mm≤w≤200 mm。

对机架的结构进行优化设计，依据所选定的设计变量及约束条件，确定优化设计的目标函数。目标函数反映设计变量之间的相互关系，直接评价机架结构优化的优劣程度，在ANSYS 零阶优化中，有且只能有一个目标函数。以带式输送机机架的重量作为优化设计的目标函数，其表示如式（1）：

式中：ρ 为H 型钢的密度；g 为重力加速度；V 为构件的体积。

2 带式输送机机架结构优化结果及分析

2.1 带式输送机机架结构优化结果

采用ANSYS 零阶优化设计的方法，确定了设计变量、约束函数及目标函数，设定循环迭代10 次进行优化设计，所选用的H 型钢的初始尺寸为：

在ANSYS 中进行优化计算，图2 为在循环迭代过程中设计变量L 的变化曲线，图3 为在循环迭代过程中目标函数的变化曲线。

图2 设计变量L 的变化曲线

图3 目标函数的变化曲线

从图2 中可以看出，在优化迭代的过程中，设计变量L 呈反复震荡的变化趋势，随着迭代次数的增加，L 的参数逐渐变小呈收敛状态，其他设计变量的变化曲线不再列出。从图3 中可以看出，在寻优计算的过程中，目标函数的变化曲线也呈一定的上下波动的变化，随着迭代次数的增加，目标函数的值不断减小，得到进行优化分析的最小值。

依据优化分析的结果，可以得到多组的优化数据，由于H 型钢的尺寸标准，依据近似原则，将所得到的优化结果与H 型钢的尺寸标准进行对比，得到优化分析的结果为：

经过优化计算后得到H 型钢进行机架的设计，相对初始的参数，可使机架的质量降低33%，经过优化设计，达到了降低重量的作用，对优化后的机架的性能进行进一步分析。

2.2 带式输送机机架优化结构应力分析

依据优化的H 型钢参数对带式输送机机架进行建模，将模型导入到ANSYS 中进行机架结构的应力分析。机架结构选用的材质为Q235 碳素结构钢，设定弹性模量为206 GPa，泊松比为0.305。由于机架结构的尺寸较大且结构复杂，采用自由网格的形式，设定单元尺寸为0.01 m 进行网格划分处理。

在ANSYS 中限定机架底部3 个方向的平移及转动的自由度，机架主要受到驱动滚筒的作用力，对模型进行加载，对机架受到的应力作用进行分析。经过计算，得到机架的应力分布如图4 所示。从图4 中可以看出，经过优化设计后的带式输送机机架受到的最大应力位于立柱与斜支撑相互连接的位置处，最大应力值为22.8 MPa，小于材料的许用应力，满足系统的使用需求。

图4 优化后的机架应力（Pa）分布

通过上述分析可知，对带式输送机的机架结构采用零阶方法进行优化设计，可使机架的质量降低33%，对优化后的机架进行应力分析，机架所受到的最大应力作用仅为22.8 MPa，远小于材料的许用应力。这说明，经过优化设计的带式输送机机架在满足应力使用的基础上，可显著降低设备的重量，能够充分发挥材料的性能。

3 结语

带式输送机是煤炭输送的重要设备，机架作为带式输送机的主体结构，随着煤炭开采效率的不断提高，对带式输送机的性能提出了更高的要求，机架的结构也随之变得粗大，增加了带式输送机的生产制造成本。采用ANSYS 零阶方法对机架的结构进行优化设计，选定H 型钢的尺寸作为设计的变量，以机架的重量作为目标函数，设定相应的性能及边界约束条件，对带式输送机机架进行优化设计。经过优化设计后，对带式输送机机架进行建模分析，结果表明，经过优化设计的机架所受到的最大应力值远小于材料的许用应力，满足系统的使用需求，同时可使机架的质量降低33%，可有效降低带式输送机机架的重量，发挥材料的性能，降低机架生产制造的成本，提高带式输送机的综合经济效益，更好地进行煤矿的输送。