基于ANSYS的某型号带式输送机机架的模态分析

基于ANSYS的某型号带式输送机机架的模态分析*

李倩，王耀耀，刘学军

(河南机电高等专科学校 汽车工程系，河南 新乡 453000)

摘要：当带式输送机输送带的振动频率与机架的频率接近时，容易发生共振，从而影响带式输送机的整体性能。文章以某型号长距离、大运量水平带式输送机机架作为研究对象，利用有限元仿真软件ANSYS对其进行模态分析。通过分析得到了带式输送机机架前6阶固有频率值和振型图，进而得出设备容易发生共振的频率值，对以后输送机机架的优化设计提供了重要的理论基础。

关键词：带式输送机；机架；模态分析；ANSYS

收稿日期：2015-06-25

中图分类号：TH122

0引言

带式输送机是散状物料的主要运输工具之一，由于它具有效率高、可靠性强、工作安全等特点，被广泛应用于冶金、矿山、港口、建材等领域。目前，由于带式输送机在现代运用范围越来越广泛，逐步向长距离、大运量、高速化发展，这就使得输送机在运动过程中的振动问题日益突出[1]。所以，传统的静态设计方法已经无法满足现代化生产对设备性能的要求，而对带式输送机进行的动态特性分析正成为保证设备安全、高效、经济的主要手段[2-3]。

机架作为带式输送机的重要部件，对带式输送机起着支撑作用，其重要作用决定了它对设备整体动态特性的影响更加突出。传统的静态分析方法是在静力学基础上按静止或匀速运行状态对带式输送机系统进行受力分析，致使机架的动态特性对整个系统的影响被忽略了。实际上，由于现在研究的带式输送机都是长距离、大运量的，这就使机架对带式输送机的影响不容小觑。当机架的振动频率与输送带的自振频率相等时，会使输送带发生共振现象，使输送带内受到很大的动张力，对带式输送机的设计和运行都产生了不良影响。因此要真实、有效反映输送机的整体性能，必须研究机架的动态特性。目前国内对输送带、托辊和拉紧装置的动态和静态性能研究得比较多且比较成熟，而对整体机架研究的比较少。

1建立有限元模型

带式输送机机架的结构主要有工字钢、槽钢和薄板组成，在建立带式输送机机架有限元模型时，在保证计算单元与实际结构一致的情况下，为了力求计算方便并使计算结果可靠，要对带式输送机机架进行合理的简化[4]。在建立带式输送机机架有限元模型时，去掉了一些栏杆、加强筋和一些影响较小的结构特征(如倒圆角、定位孔等)。结构的主要参数完全依照实际产品结构，所采用的主要单元类型有SOLID92和BEAM188。这里需要说明的是为了使得研究结果准确可靠，本文原本欲分别采用SOLID92(实体单元)和BEAM188(梁单元)两种单元在对带式输送机采用两种方式分别进行建模分析。但在实际的模拟仿真中发现，由于用实体单元建立的模型过于巨大，其计算所占用的CPU运算量和内存大小远远超过一般电脑的承受能力，而且由于模型太大，导致原本一些简单的运算结果变得不准确，所以最后只能采用BEAM188单元进行网格划分。

网格划分对于有限元分析有着重要的作用，正确的网格划分不仅可以节约计算时间，往往是求解成功的钥匙[5]。根据设计要求，机架的材质选用的是碳素结构钢，牌号为Q235，其主要参数有：质量密度为ρ=7850kg/m3，弹性模量E=2.06e+11Pa，屈服强度σs=235MPa，泊松比μ=0.305，最后得用梁单元(BEAM188)建立带式输送机机架的有限元模型。

2设定边界条件

边界条件的确定对之后带式输送机机架有限元分析的结果有着重要的影响。根据实际情况，机头架和机尾架底部与门式支腿的底部均放在地面上，故将这些进行固定全约束，设定所有自由度为零，即All DOF=0 。

3对有限元模型进行模态分析

模态分析是对机械结构和固有特性如固有频率、阻尼比和振型等参数进行计算和实验分析的过程。振动模态是弹性结构固有的、整体的特性，与外部载荷无关，根据理论分析与实验研究可知，在众多阶模态中，系统的薄弱模态一般是低阶模态[6]。因此，本文只对水平带式输送机整体机架的前6阶模态进行仿真分析，得出了机架结构的前6阶固有频率、最大位移值和振型图。

在以BEAM188(梁单元)建立的长距离、大运量带式输送机整体机架进行模态分析时，分为两种情况来分析，一是不考虑托辊、滚筒、输送带和输送物料重量的情况下来进行模态分析，另外一种是考虑托辊、滚筒、输送带和输送物料重量的情况下来进行模态分析。模态分析所得出的机架结构6阶固有频率值、最大位移值如表1所示，而两种情况下的振型图基本类似，故以第二种情况为代表列出前6阶振型图，分别如图1、2、3、4、5、6所示。各阶振型图中，a点为最小位移值处， b点为最大位移值处。

表1　机架前六阶固有频率和最大位移值

图1　1阶振型图

图2　2阶振型图

图3　3阶振型图

图4　4阶振型图

图5　5阶振型图

图6　6阶振型图

4模态计算结果及分析

根据振型图我们可以看出在考虑托辊、滚筒、输送带和输送物料重量的情况下，带式输送机机架在1阶固有频率(0.357 1Hz)下主要表现为侧向弯曲和扭转变形，从头部到尾部弯曲逐渐加大；在2阶固有频率(0.524 36Hz)下带式输送机机架变形以纵向变形为主，其中以头部和中间架变形比较大；在3阶固有频率(0.547 09Hz)下输送机机架变形主要以纵向变形为主，变形情况从头部到尾部弯曲逐渐增大；在4阶固有频率(0.755 13Hz)下输送机机架变形侧向和纵向变形都比较明显；在5阶固有频率(0.823 69Hz)下输送机机架变形主要以纵向变形为主并有轻微的扭转变形；在6阶固有频率(0.892 34Hz)下输送机机架主要以纵向变形为主，在整个机架都表现出变形情况。

不考虑托辊、滚筒、输送带和输送物料重量的情况下带式输送机机架变形与考虑了这些部件的机架变形基本类似，只是在5阶固有频率(0.958 28Hz)下不考虑上述部件的带式输送机机架的变形主要以扭转变形为主，在6阶固有频率(0.988 76Hz)下输送机机架的变形纵向变形和扭转变形都较为明显。

5结论

本文通过模态分析理论运用ANSYS软件对长距离、大运量水平带式输送机机架建立了有限元模型, 并仿真分析研究了带式输送机机架前6阶的固有频率和振型图。通过分析可以得出如下结论：

(1)通过对水平带式输送机机架振型图的分析，带式输送机机尾架比机头架的变形大，故在设计输送机机架时应加强对带式输送机机尾架的设计，加强机尾架的刚度。

(2)通过对第4、5、6后三阶振型图的分析，可以得出带式输送机机架的变形主要表现为中间架的变形，所以通过对中间架的改变，可以实现对整体机架的优化, 为以后带式输送机的设计和优化提供了理论依据。

(3)根据第一种情况和第二种情况的对比，第二种情况也就是在考虑托辊、滚筒、输送带和输送物料重量的情况下，固有频率和最大变形量都相对减少了，说明在刚度变化情况较小的情况下结构质量增大，固有频率和最大变形量都有所降低。

(责任编辑吕春红)

参考文献:

[1]王志强.带式输送机在矿山的应用现状和发展[J] .世界采矿快报，2008(l4)：35-38.

[2]郑学谦.带式输送机整机和头部支架的CAD/CAE技术研究[D] .河南：郑州大学，2007.

[3]赵娜.带式输送机的动态研究与仿真[D] .山西：太原理工大学，2002.

[4]陈永衡，张雪雁，康忠民.带式输送机动态特性优化设计与计算机仿真[J] .辽宁工程技术大学学报,2003，22(3)：403-404.

[5]刘春辉，关志伟，孟亚东,等.ATM驱动带式输送机的建模与仿真[J] .计算机仿真,2011，28(8)： 409-412.

[6]林忠钦.车身覆盖件冲压成形仿真[M] .北京：机械工业出版社，2004.

Modal Analysis on the Frame of a Belt Conveyor Based on ANSYS

LI Qian, et al

(Henan Mechanical and Electrical Engineering College,Department

of Automotive Engineering,Xinxiang 453000,China)

Abstract:It's easy to have a resonance when the vibration frequency of the belt is in closed to the frequency of the frame in the same belt conveyor, which also affects the whole performance of the belt conveyor. Based on the conveyor frame of a belt conveyor of long distance and large capacity, the modal analysis of the conveyor frame has been completed by the finite element analysis software ANSYS in this paper. Through the analysis get the first six natural frequency and mode shape charts of the belt conveyor and obtain the frequency values?in which the belt conveyor is easy to have a resonance. This project provides an important theoretical basis for the optimization design?of the belt conveyor.

Key word: belt conveyor; frame; modal analysis; ANSYS