提高带式输送机机架稳定安全性的模态分析

杜文宇

（晋能控股煤业集团梵王寺煤矿筹备处， 山西 朔州 036002）

引言

带式输送机是煤矿生产中广泛使用的物料输送装置，可以满足煤矿生产中长距离、大规模的煤炭输送。带式输送机结构简单，易于布置，输送过程中运行平稳、能耗小，且便于进行维修保养，对煤矿的连续稳定输送具有重要的作用。带式输送机在井下的工作环境复杂，受到的载荷作用复杂多变[1]，特别是在带式输送机的启停阶段，容易引起带式输送机的振动。在长距离的输送过程中，输送带也容易引起振动作用，对带式输送机的结构造成一定的冲击。带式输送机的机架对滚筒起到支撑作用，机架结构的稳定性对带式输送机的运行起到重要的作用[2]。系统运行过程中受到的各种载荷引起的振动作用接近机架的固有频率时，会引起机架的共振，使得带式输送机的振动作用加强，加剧机架及滚筒的疲劳破坏，影响带式输送机的安全性[3]，不利于煤矿的正常生产工作。采用有限元数值分析的方式对带式输送机机架进行模态分析，分析机架的固有频率及振型，从而可以调整工作频率，避免引起共振现象，提高带式输送机机架的安全性，保证带式输送机运行的稳定性，提高带式输送机的使用寿命。

1 带式输送机机架分析模型的建立

以带式输送机的头架为例进行机架结构的稳定性分析，机架的结构振动可以看做由多个自由度组成的系统，每个自由度有各自独立的物理坐标进行描述，在线性的范围内，将多个主振动线性进行线性叠加[4]，每个主振动都有各自特定形态的自由振动形式。系统振动的频率则称之为系统的固有频率，系统振动的形态则称之为系统的模态[5]。机架系统的固有频率及振型与机架自身的结构相关而与外载荷作用无关。机架结构的固有频率越高，则说明单位质量的刚度越高，提高机架结构的刚度，则可以提高机架的固有频率[6]，使其动态性能更好。

采用有限元分析软件ANSYS 进行带式输送机头架的模态分析，首先建立机架的三维模型，在建模过程中，对机架的结构进行一定的简化处理，仅保留主体的结构及尺寸进行建模，这样既可以减小建模的工作量，也可以提高后续计算的效率，减轻对计算机算力的要求。

依据带式输送机的头架结构，选取槽钢结构件进行机架结构的快速建模，将模型导入ANSYS 中进行网格的划分处理[7]。由于带式输送机机架由多根杆件结构组成，形状不规则，采用自由网格的形式对其网格划分处理，得到机架的网格模型如图1 所示，共计得到单元网格为128 515 个，节点数为247 580。

图1 带式输送机机架网格模型

机架结构的材料采用Q235 碳素结构钢，设定其分析参数弹性模量为210 GPa，泊松比为0.25。在带式输送机运行过程中，机架固定在地面上，设定机架受到固定约束的作用，固定机架与地面的连接点[8]。机架出现不稳定的状态时的固有频率称之为薄弱模态，一般情况下，薄弱模态多出现在低阶模态，对带式输送机机架进行模态分析，对前十阶固有频率及振型进行分析。

2 带式输送机机架模态分析结果

对带式输送机机架的模态进行分析，对前十阶的固有频率及最大振型列举见下页表1，机架前三阶振型分布如下页图2 所示。

图2 带式输送机机架模态分析振型

表1 带式输送机机架的固有频率及最大振型

针对机架振型的结果进行分析，一阶振型的最大变形发生在立杆位置，立杆发生左右摆动的变形；二阶振型的最大变形发生在上连接杆位置，发生前后摆动，且左右斜杆的变形呈扩张收缩状态；三阶振型的最大变形发生在斜杆位置，发生左右摆动；四阶振型的最大变形发生在上连接杆[9]，发生大幅的前后摆动，且斜杆存在着一定的异向弯曲；五阶振型的最大变形发生在斜杆及上连接杆，上连接杆发生扭转变形；六阶振型的最大变形发生在下连接杆，发生上下摆动；七阶振型的最大变形发生在立杆及斜杆，立杆产生左右同向的弯曲变形，斜杆发生扭转变形；八阶振型的最大变形发生在斜杆、下横杆，产生扭转变形；九阶振型的最大变形发生在下横杆，产生左右同向的弯曲变形；十阶振型的最大变形发生在下横杆，产生扭转变形。

通过上述的分析可知，在机架的二阶、四阶、五阶及七阶模态时上连杆发生较大的弯曲或者扭转变形，在六阶模态时，下连杆发生较大的弯曲变形。在带式输送机的运行过程中，上下连接杆对机架起到连接作用[10]，使头架结构作为一个整体，不承受载荷作用，连接杆的变形对带式输送机运行的稳定安全性影响不大。

在机架的一阶、五阶、七阶及九阶模态时，立杆发生摆动或者弯曲变形，立杆作为主要的承载部件，承受滚筒及输送带的载荷，对立杆的变形要进行重点关注。立杆的弯曲变形，容易造成滚筒的位置偏差[11]，对输送带的运行造成波动，立杆的摆动会引起输送带的跑偏，造成输送带的磨损加剧，影响带式输送机的稳定运行。

在机架的三阶模态时，斜杆发生摆动变形，在五阶、七阶、八阶、九阶模态时，发生弯曲变形，斜杆与立杆焊接在一起，斜杆与立杆发生弯曲扭转变形时，容易造成焊接处的失效，造成带式输送机运行稳定安全性的下降[12]。对机架结构来说，应避免受到五阶到九阶相近的频率作用，即89.37～119.69 Hz 间的外在频率容易引起共振，影响带式输送机的安全稳定运行。

机架的弯曲机扭转变形是影响带式输送机机架动态性能的关键因素，低阶振型对带式输送机的结构质量影响较大，高阶振型主要受到外部振源的影响，对带式输送机的动态性能产生影响。如带式输送机的启停过程中造成的输送带的波动，这种振动具有随机性，容易引起机架的共振，应采取软启动制动装置，增加带式输送机运行的稳定安全性。

3 结语

带式输送机是进行煤矿输送的重要设备，在井下的复杂环境下，带式输送机受到多种载荷的冲击作用，容易引起带式输送机的振动，当接近机架结构的固有频率时，则会引起共振，造成带式输送机的变形增加，疲劳寿命缩短，影响运行的安全稳定性。针对带式输送机的头架结构，采用ANSYS 有限元分析的形式，对带式输送机头架结构进行模态分析，通过前十阶振型的分布得出立杆和斜杆的变形容易造成带式输送机的破坏，应避开89.37～119.69 Hz 的工作频率，从而避免引起共振，提高带式输送机运行的稳定安全性。