輸送機拱形封閉防護罩結(jié)構(gòu)設(shè)計及極值風(fēng)載下的強度分析

0引言

為實現(xiàn)燃煤電站和港口輸送系統(tǒng)綠色、高清潔化輸送目標,同時避免外部環(huán)境對輸送機的影響,工程現(xiàn)場輸送機設(shè)備通常在其外側(cè)安裝防護罩,一方面可以減少煤塵外揚,另一方面保證了設(shè)備不受風(fēng)雨環(huán)境的影響。

拱形煤棚作為一種防護結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)與輸送機拱形封閉防護罩類似。吳碧野等^[1]通過多種結(jié)構(gòu)方案的比較,得出適宜的干煤棚結(jié)構(gòu)形式。劉春等^[2]則設(shè)計了三種燃煤電站封閉防護罩結(jié)構(gòu)并成功應(yīng)用于工程現(xiàn)場。張中盤等^[3]設(shè)計了一種緊身封閉式防護罩,通過風(fēng)洞試驗所得數(shù)據(jù)開展了在平均風(fēng)載荷作用下的靜力學(xué)分析,并進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

輸送機拱形封閉防護罩多從防止煤炭粉塵排放污染以及雨雪天氣影響的角度進行設(shè)計。為確保結(jié)構(gòu)不被風(fēng)載荷破壞,孫一飛等^[4]研究了封閉形式對煤棚表面風(fēng)載荷的影響,為結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能設(shè)計提供了參考。為滿足輸煤電站和碼頭的綠色發(fā)展,設(shè)計一種符合工程實際的拱形防護罩,并研究其在極值風(fēng)載荷作用下的抗風(fēng)強度具有重要的現(xiàn)實意義。

1輸送機拱形封閉防護罩結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文所述封閉式輸送機的結(jié)構(gòu)特點是將傳統(tǒng)輸送機托輥組中兩側(cè)的托輥改為短小的側(cè)托輥,與高分子材料側(cè)滑板配合,側(cè)滑板除對兩側(cè)膠帶起到支撐作用外,摩擦方式也由滾動摩擦變?yōu)榛瑒幽Σ?在膠帶自身的重力作用下,能夠和側(cè)滑板之間形成良好的密封效果,配合緊身封閉護罩,使膠帶的運輸段在一個密閉的環(huán)境中運行。同時加裝防護罩,使帶式輸送機從尾部改向滾筒到頭部驅(qū)動滾筒的承載段形成一個完整的密閉結(jié)構(gòu),從而實現(xiàn)封閉、清潔化輸送。封閉式帶式輸送機結(jié)構(gòu)圖如圖1所示^[3],拱形封閉防護罩結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

拱形封閉防護罩對輸送機起到防護作用,防護罩采用分段組合式結(jié)構(gòu),連接固定結(jié)構(gòu)均可實現(xiàn)快速拆裝,方便維護檢修。拱形封閉防護罩安裝在1.6 m帶寬常規(guī)帶式輸送機外,整體高度不高于2.3 m;輸送機兩側(cè)預(yù)設(shè)有20 cm高的混凝土擋水沿,擋水沿上方設(shè)有預(yù)埋鐵(用于封閉護罩的安裝附件固定)。拱形封閉防護罩的支撐結(jié)構(gòu)為獨立的門型支架,并按照1.2 m間隔布置,門架之間有加強橫梁連接,提高整體強度;防護罩內(nèi)消防管道、抑塵水管道及感溫電纜可借助該橫撐進行安裝,門型支架固定于擋水沿上。門型支架具有抗腐蝕能力,采用冷噴鋅防腐工藝,能夠延長設(shè)備的整體使用壽命,門架骨架材料為40 mm×80 mm×3 mm矩形鋼管,加強橫梁連接采用40 mm×40 mm×3 mm矩形鋼管。

2拱形封閉防護罩極值風(fēng)載荷分析

為驗證輸送機拱形封閉防護罩結(jié)構(gòu)抗風(fēng)強度,首先通過MATLAB對防護罩所受風(fēng)載荷進行擬合計算,將各測量點的平均壓力數(shù)據(jù)擬合為風(fēng)壓分布函數(shù)。

采用二階傅里葉進行擬合的風(fēng)載荷函數(shù)如式(1)所示。經(jīng)驗證,二階擬合函數(shù)的曲線分布與實際工況相符合,故可以結(jié)合該函數(shù)進行后續(xù)極值風(fēng)載荷的計算。

其中,a₀=883.9,a₁=1772,b₁=222.3,a₂=-35.67,b₂=1 085,w=1.821。

3上護罩在極值風(fēng)載荷下的強度分析

為提高計算效率和精度,簡化了帶式輸送機的拱形封閉防護罩結(jié)構(gòu)模型,忽略了對整體強度分析影響很小的零件、細小的圓弧和倒角。將輸送機拱形封閉防護罩底部與預(yù)埋鋼板焊接部位、中間架與加強筋連接處設(shè)置為6個自由度的固定約束。在上護罩區(qū)域施加極值風(fēng)載荷,根據(jù)計算所得數(shù)據(jù),結(jié)構(gòu)不同區(qū)域所受極值風(fēng)壓不同,上護罩部分區(qū)域承受絕對值為4 700 Pa的極值風(fēng)載荷,故將該極值載荷加載到該區(qū)域進行強度分析。

當(dāng)極值風(fēng)載荷作用于拱形封閉防護罩時,上護罩區(qū)域主要承受負壓作用。由于負壓的ANSYSAPDL 定義是從外向內(nèi),因此,帶式輸送機的拱形封閉防護罩在ANSYSAPDL中應(yīng)施加+4700Pa的極值風(fēng)載荷。應(yīng)力分析結(jié)果如圖3所示,此時封閉式門架與上護罩的接觸區(qū)域容易發(fā)生應(yīng)力集中,最大Von—Mises 位于封閉式門架的轉(zhuǎn)角位置,為62.3MPa,這符合Q235B碳鋼材料的強度要求。

圖4顯示了位移變形情況,護罩中間區(qū)域及迎風(fēng)面區(qū)域的變形較為明顯,最大位移變形位于上護罩的頂部,為9.115 mm,變形量較小。

4側(cè)護罩在極值風(fēng)載荷下的強度分析

在側(cè)護罩區(qū)域施加極值風(fēng)載荷,根據(jù)計算可知,側(cè)護罩區(qū)域所承受的極值風(fēng)壓與上護罩區(qū)域不同,其最大風(fēng)載荷絕對值為2 910 pa,故對側(cè)護罩局部區(qū)域施加-2 910 pa極值載荷進行強度分析。

對于側(cè)護罩極值風(fēng)載荷工況,與上護罩區(qū)域不同的是所受極值風(fēng)載荷大小不同,方向也不同,當(dāng)極值風(fēng)載荷作用于拱形封閉防護罩時,側(cè)護罩區(qū)域主要承受正壓力作用。由于正壓力在ANSYS APDL中的方向定義是從內(nèi)向外,因此,ANSYS APDL載荷添加操作過程中需對側(cè)護罩的迎風(fēng)面施加-2 910 pa的極值風(fēng)載荷,如圖5所示,側(cè)護罩與橫梁連接位置較易產(chǎn) 生應(yīng)力集中,最大應(yīng)力在橫梁的下側(cè)區(qū)域,為28.6Mpa。

位移變形如圖6所示,最大位移變形區(qū)域在每節(jié)側(cè)護罩的中間位置,由于防護罩材料剛度較小,故其 變形偏大,高達85.393 mm。

5拱形封閉防護罩結(jié)構(gòu)改進

根據(jù)對拱形封閉防護罩的靜力學(xué)分析,發(fā)現(xiàn)在極值風(fēng)載荷作用下主體結(jié)構(gòu)側(cè)護罩變形較大,需進一步優(yōu)化,避免此處因變形過大造成不良后果。為此,在拱形封閉防護罩底部固定角鋼上方增設(shè)支撐橫梁,如圖7所示,并對結(jié)構(gòu)重新進行了分析。

上護罩在極值風(fēng)載荷下不同位置優(yōu)化前后對比如圖8所示,在極值風(fēng)載荷工況下上護罩連接零件的應(yīng)力降幅為23%,改進后的結(jié)構(gòu)符合材料強度要求。

側(cè)護罩在極值風(fēng)載荷下不同位置優(yōu)化前后對比如圖9所示,優(yōu)化后的最大變形量明顯減小,其中側(cè)護罩變形量降幅比例最大,達到98%,其他位置與優(yōu)化前情況基本一致。相對于位移變形量,應(yīng)力變化幅度較小,側(cè)護罩連接零件的應(yīng)力降幅約為36%,加強筋處應(yīng)力明顯增加,門架區(qū)域應(yīng)力有所降低,其他位置基本未發(fā)生變化。

總體而言,優(yōu)化后主要變形區(qū)域在上護罩區(qū)域。另外,雖然門架應(yīng)力較優(yōu)化前有所降低,但應(yīng)力主要集中區(qū)域未發(fā)生變化,整體結(jié)構(gòu)符合各項性能要求。

6結(jié)論

拱形封閉防護罩作為帶式輸送機的防護裝置,旨在減少煤塵造成的環(huán)境污染,消除外界環(huán)境(雨水、臺風(fēng)等氣候條件)對帶式輸送機造成的潛在風(fēng)險和危害。本文通過Solidworks建立輸送機拱形封閉防護罩簡化模型,分析了其在極值風(fēng)載荷作用下的靜力學(xué)特性,以驗證結(jié)構(gòu)可行性,并對輸送機拱形封閉防護罩結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,得到如下結(jié)論及建議:

1)在極值風(fēng)載荷工況下,優(yōu)化效果顯著,優(yōu)化后的最大變形量明顯減小,其中側(cè)護罩變形量在極值風(fēng)載荷工況下降幅比例最大,達到98%;相對于位移變形量,優(yōu)化前后應(yīng)力變化幅度較小,且應(yīng)力集中位置沒有顯著改變,但加強筋的應(yīng)力集中程度有所增加。

2)門架與加強筋是受風(fēng)載荷影響最大的區(qū)域,容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。優(yōu)化后,主體結(jié)構(gòu)受風(fēng)載荷影響減弱,各項指標均滿足設(shè)計要求,并成功應(yīng)用于工程現(xiàn)場。

[參考文獻]

[1]吳碧野,武岳,戴君武,等.超大跨度干煤棚結(jié)構(gòu)選型研究[J].建筑結(jié)構(gòu),2021(增刊1):562一568.

[2]劉春,史震,萬書亭.帶式輸送機封閉罩結(jié)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用[J].機電信息,2023(8):38一41.

[3]張中盤,時瑛,李寧鋼,等.帶式輸送機緊身封閉防護罩的研究與設(shè)計[J].機械工程師,2022(11):152一155.

[4]孫一飛,張磊杰,劉慶寬,等.封閉形式對大跨度煤棚風(fēng)荷載影響研究[J].工程力學(xué),2019(增刊1):234一239.

2024年第15期第14篇