輸送機(jī)拱形封閉防護(hù)罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及極值風(fēng)載下的強(qiáng)度分析

0引言

為實(shí)現(xiàn)燃煤電站和港口輸送系統(tǒng)綠色、高清潔化輸送目標(biāo),同時(shí)避免外部環(huán)境對(duì)輸送機(jī)的影響,工程現(xiàn)場(chǎng)輸送機(jī)設(shè)備通常在其外側(cè)安裝防護(hù)罩,一方面可以減少煤塵外揚(yáng),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(hù)結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)與輸送機(jī)拱形封閉防護(hù)罩類似。吳碧野等^[1]通過(guò)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(jì)了三種燃煤電站封閉防護(hù)罩結(jié)構(gòu)并成功應(yīng)用于工程現(xiàn)場(chǎng)。張中盤(pán)等^[3]設(shè)計(jì)了一種緊身封閉式防護(hù)罩,通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)開(kāi)展了在平均風(fēng)載荷作用下的靜力學(xué)分析,并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

輸送機(jī)拱形封閉防護(hù)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(jìn)行設(shè)計(jì)。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(duì)煤棚表面風(fēng)載荷的影響,為結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能設(shè)計(jì)提供了參考。為滿足輸煤電站和碼頭的綠色發(fā)展,設(shè)計(jì)一種符合工程實(shí)際的拱形防護(hù)罩,并研究其在極值風(fēng)載荷作用下的抗風(fēng)強(qiáng)度具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1輸送機(jī)拱形封閉防護(hù)罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所述封閉式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將傳統(tǒng)輸送機(jī)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(duì)兩側(cè)膠帶起到支撐作用外,摩擦方式也由滾動(dòng)摩擦變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦,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(hù)罩,使膠帶的運(yùn)輸段在一個(gè)密閉的環(huán)境中運(yùn)行。同時(shí)加裝防護(hù)罩,使帶式輸送機(jī)從尾部改向滾筒到頭部驅(qū)動(dòng)滾筒的承載段形成一個(gè)完整的密閉結(jié)構(gòu),從而實(shí)現(xiàn)封閉、清潔化輸送。封閉式帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示^[3],拱形封閉防護(hù)罩結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

拱形封閉防護(hù)罩對(duì)輸送機(jī)起到防護(hù)作用,防護(hù)罩采用分段組合式結(jié)構(gòu),連接固定結(jié)構(gòu)均可實(shí)現(xiàn)快速拆裝,方便維護(hù)檢修。拱形封閉防護(hù)罩安裝在1.6 m帶寬常規(guī)帶式輸送機(jī)外,整體高度不高于2.3 m;輸送機(jī)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(hù)罩的安裝附件固定)。拱形封閉防護(hù)罩的支撐結(jié)構(gòu)為獨(dú)立的門(mén)型支架,并按照1.2 m間隔布置,門(mén)架之間有加強(qiáng)橫梁連接,提高整體強(qiáng)度;防護(hù)罩內(nèi)消防管道、抑塵水管道及感溫電纜可借助該橫撐進(jìn)行安裝,門(mén)型支架固定于擋水沿上。門(mén)型支架具有抗腐蝕能力,采用冷噴鋅防腐工藝,能夠延長(zhǎng)設(shè)備的整體使用壽命,門(mén)架骨架材料為40 mm×80 mm×3 mm矩形鋼管,加強(qiáng)橫梁連接采用40 mm×40 mm×3 mm矩形鋼管。

2拱形封閉防護(hù)罩極值風(fēng)載荷分析

為驗(yàn)證輸送機(jī)拱形封閉防護(hù)罩結(jié)構(gòu)抗風(fēng)強(qiáng)度,首先通過(guò)MATLAB對(duì)防護(hù)罩所受風(fēng)載荷進(jìn)行擬合計(jì)算,將各測(cè)量點(diǎn)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(jìn)行擬合的風(fēng)載荷函數(shù)如式(1)所示。經(jīng)驗(yàn)證,二階擬合函數(shù)的曲線分布與實(shí)際工況相符合,故可以結(jié)合該函數(shù)進(jìn)行后續(xù)極值風(fēng)載荷的計(jì)算。

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

3上護(hù)罩在極值風(fēng)載荷下的強(qiáng)度分析

為提高計(jì)算效率和精度,簡(jiǎn)化了帶式輸送機(jī)的拱形封閉防護(hù)罩結(jié)構(gòu)模型,忽略了對(duì)整體強(qiáng)度分析影響很小的零件、細(xì)小的圓弧和倒角。將輸送機(jī)拱形封閉防護(hù)罩底部與預(yù)埋鋼板焊接部位、中間架與加強(qiáng)筋連接處設(shè)置為6個(gè)自由度的固定約束。在上護(hù)罩區(qū)域施加極值風(fēng)載荷,根據(jù)計(jì)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(hù)罩部分區(qū)域承受絕對(duì)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(jìn)行強(qiáng)度分析。

當(dāng)極值風(fēng)載荷作用于拱形封閉防護(hù)罩時(shí),上護(hù)罩區(qū)域主要承受負(fù)壓作用。由于負(fù)壓的ANSYSAPDL 定義是從外向內(nèi),因此,帶式輸送機(jī)的拱形封閉防護(hù)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(shí)封閉式門(mén)架與上護(hù)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(mén)架的轉(zhuǎn)角位置,為62.3MPa,這符合Q235B碳鋼材料的強(qiáng)度要求。

圖4顯示了位移變形情況,護(hù)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(hù)罩的頂部,為9.115 mm,變形量較小。

4側(cè)護(hù)罩在極值風(fēng)載荷下的強(qiáng)度分析

在側(cè)護(hù)罩區(qū)域施加極值風(fēng)載荷,根據(jù)計(jì)算可知,側(cè)護(hù)罩區(qū)域所承受的極值風(fēng)壓與上護(hù)罩區(qū)域不同,其最大風(fēng)載荷絕對(duì)值為2 910 pa,故對(duì)側(cè)護(hù)罩局部區(qū)域施加-2 910 pa極值載荷進(jìn)行強(qiáng)度分析。

對(duì)于側(cè)護(hù)罩極值風(fēng)載荷工況,與上護(hù)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(hù)罩時(shí),側(cè)護(hù)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(guò)程中需對(duì)側(cè)護(hù)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(hù)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(hù)罩的中間位置,由于防護(hù)罩材料剛度較小,故其 變形偏大,高達(dá)85.393 mm。

5拱形封閉防護(hù)罩結(jié)構(gòu)改進(jìn)

根據(jù)對(duì)拱形封閉防護(hù)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(hù)罩變形較大,需進(jìn)一步優(yōu)化,避免此處因變形過(guò)大造成不良后果。為此,在拱形封閉防護(hù)罩底部固定角鋼上方增設(shè)支撐橫梁,如圖7所示,并對(duì)結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行了分析。

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

側(cè)護(hù)罩在極值風(fēng)載荷下不同位置優(yōu)化前后對(duì)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(hù)罩變形量降幅比例最大,達(dá)到98%,其他位置與優(yōu)化前情況基本一致。相對(duì)于位移變形量,應(yīng)力變化幅度較小,側(cè)護(hù)罩連接零件的應(yīng)力降幅約為36%,加強(qiáng)筋處應(yīng)力明顯增加,門(mén)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(hù)罩區(qū)域。另外,雖然門(mén)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(xiàng)性能要求。

6結(jié)論

拱形封閉防護(hù)罩作為帶式輸送機(jī)的防護(hù)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(tái)風(fēng)等氣候條件)對(duì)帶式輸送機(jī)造成的潛在風(fēng)險(xiǎn)和危害。本文通過(guò)Solidworks建立輸送機(jī)拱形封閉防護(hù)罩簡(jiǎn)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(yàn)證結(jié)構(gòu)可行性,并對(duì)輸送機(jī)拱形封閉防護(hù)罩結(jié)構(gòu)進(jìn)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(hù)罩變形量在極值風(fēng)載荷工況下降幅比例最大,達(dá)到98%;相對(duì)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(méi)有顯著改變,但加強(qiáng)筋的應(yīng)力集中程度有所增加。

2)門(mén)架與加強(qiáng)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(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求,并成功應(yīng)用于工程現(xiàn)場(chǎng)。

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2024年第15期第14篇