用于移动带式输送机的桁架式伸缩臂的设计分析

设计理论与方法

机械管理开发

MECHANICAL MANAGEMENT AND DEVELOPMENT

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D01:10.16525/j.cnki.cnl4-1134/th.2019.06.012

用于移动带式输送机的桁架式伸缩臂的设计分析

白鹏程

(阳煤三矿生产调度指挥中心，山西阳泉045000)

摘要：在生产过程中，不同的输送长度，需要定制各自的带式输送机,从而造成设备的利用率较低，由此设计 了伸缩臂用于移动带式输送机中。以设计的三段式的桁架式伸缩臂为例，对其进行了静力学仿真分析。结果显 示，所设计的结构可以满足系统使用的刚度需求，实现不同输送长度的调整。关键词：带式输送机桁架式伸缩臂有限元仿真分析中图分类号:TH22

文献标识码:A

文章编号：1003-773X( 2019 >06-0026-02

引言

带式输送机是矿产开采中采用的重要输送设 备，可以用来输送煤炭、石块、金属矿石等各种散粒 状物料，特别是在煤炭的生产开采中具有广泛的应 用。日常生产中，常用的带式输送机多为悬臂式结 构，这种带式输送机使用者只能在固定位置，不便于

生产的调整。为了适应生产的调整，增加输送系统的 灵活性，人们将悬臂式的带式输送机加装在移动的 机械底盘上，从而形成了移动带式输送机。

移动带式输送机方便灵活，简易的移动带式输 送机常应用于粮食输送、包裹输送等场合中，这种简 易的带式输送机整体结构简单，输送能力有限。在大 型的煤炭等矿产生产中，常采用移动伸缩式带式输 送机，采用桁架式的伸缩臂作为输送机构，结合多行 走轮的形式，该设备在使用中，自动化程度高,运输、 行走等方便灵活，且能满足煤矿生产中的大载荷、长 距离的输送需求[1]。图1所示为一种履带移动带式 输送机结构图，在其工作过程中，煤炭等物料由入料 口落入输送皮带上，输送系统进行物料的输送，带式 输送机的桁架结构是针对不同的输送皮带而设计 的，从而最大限度地减小地面不平整对皮带运行的 影响。在不同的应用中，可以根据需要定制皮带长 度，为了提高设备使用的适应性，采用了伸缩臂的桁 架结构来实现不同长度的调节[2]。本文采用有限元 分析方法分析一种桁架式伸缩臂的设计，来确定所 设计的结构能满足使用的要求。1

桁架式伸缩臂的设计

桁架式伸缩臂是移动带式输送机的重要部件， 其设计质量对于生产过程的安全运行有着至关重要 的影响。桁架式伸缩臂采用三段式的结构分布，三段 组成分别定义为基础臂、中间臂以及前臂。伸缩臂的

收稿日期:2018-12-13

作者简介：白鹏程（1982—），男，本科，毕业于山西煤炭职工联 合大学，综采助理工程师，从事开拓工作。

1 一人料装置;2—转盘机构;3—履带及其动力系统;4 一输送 系统;5—桁架;6—铰接机构;7—行走轮;8—出料装置

图1

移动带式输送机结构

工作空间如图2示意，从图中可以看出，桁架式伸缩 臂三段的长度分别表示为L, 乂:义,、//,、//2,表示三段 桁架之间的搭接需要的长度，由此可以得出，图示的 桁架式伸缩臂的最大伸出长度可表示为：

=L\\+L2+L}—H\\—H2 ■Lmsx

式中:i™表示最大可达到的伸出长度。

依据现场生产的需要，最大伸出长度1_定为 60 m，根据上式，依次设定匕、[2』3、//,、//2各参数气 由带式输送机桁架式伸缩臂改向滚筒及使用皮带的 参数，初步确定三段悬臂的截面尺寸，依据伸缩臂承 受的载荷对其进行结构的优化。带式输送机在使用 过程中，悬臂主要承受载荷包括作用于头部的集中 载荷、作用于整个悬臂桁架的均布载荷以及滚筒的 自重作用于悬臂的一侧。三段悬臂的结构初步确定， 采用迭代优化的方式来确定三段悬臂之间的位置尺 寸关系，依次得到基础臂、中间臂以及前臂的结构尺 寸如下页图3所示。为了验证所得到的结构，对所设 计的结构采用有限元方法进行分析。2桁架式伸缩臂结构分析

有限元分析最早应用于飞机结构上设计的问题 处理中，近年来，随着计算机及数学技术的发展，有

2019年第6期白鹏程:用于移动带式输送机的桁架式伸缩臂的设计分析

• 27 •

基础臂

i1----22 m

\\八八八八八/—1

严

23 m________1 \\中间臂

22 m

图3

桁架式伸缩臂结构尺寸

限元被广泛地应用到力学问题的分析中，并在结构 设计优化方面取得了丰富的成果。在这之中，ANSYS 是广泛应用的有限元分析的软件，能处理结构、流 体、磁场等问题，特别是对于结构设计有着重要的指 导作用。ANSYS在进行分析中，一般可分为三部分， 即前处理、求解及后处理[4]。本文采用常用的ANSYS 对所设计的结构进行静态分析，对结构在承载下的 应力及变形进行分析，以验证结构的刚性。根据 ANSYS分析的三个部分，对桁架式伸缩臂进行静态 分析，可以分为建立有限元模型、施加载荷及求解、

数据处理及结果分析三个步骤。1) 对桁架式伸缩臂建立有限元模型，依据设计 尺寸，桁架式伸缩臂最大伸出长度为60 m，分为三 段式设计，从图3中可以看出，三段长度相差不大， 依次为23、22、22 m;三段均采用不同结构的无缝钢 管焊接而成，有限元模型的建立是进行仿真分析的 基础。在建立模型时，为简化为梁结构计算时的工作

量及考虑较小部件对仿真结果的影响，需要对桁架 式伸缩臂结构进行一定的简化，根据分析的问题，只 参考主要因素来进行建模。本文采用Pro/E建立桁 架式伸缩臂的实体模型，首先建立基础臂、中间臂及 前臂的实体模型，在中间需要搭接的位置，以最大伸 出长度时的状态为分析模型的状态，将三段悬臂装 配完成，经过简化后，直接导人到ANSYS中进行应 用，得到桁架式伸缩臂的有限元模型。采用建模方式 简便快捷，可以很好地实现模型的构建，且便于修 改。除了利用ANSYS与CAD(计算机辅助设计)软 件良好的对接之外，还可以采用在ANSYS环境中创 建实体模型以及直接创建节点和单元的方式来进行

模型创建。

2) 建立了桁架式伸缩臂的有限元模型后，对其进行施加载荷及求解。分析桁架式伸缩臂在实 际使用过程中所承受的载荷，主要包括集中在头部 的接收物料时的集中载荷，作用于前臂的支撑点处， 输送物料过程中，物料对于伸缩臂的均布载荷及自 身自重，作用于整个桁架结构的支撑上，传动过程中 驱动滚筒的重量通过尾部的支撑点作用于桁架结构 上，将这些载荷依据作用位置施加到桁架式伸缩臂 有限元模型中。载荷确定以后，还要对其进行施加约 束条件，桁架式伸缩臂在应用过程中受到的约束主 要包括:伸缩臂尾部的连接，基础臂支撑点处受到的 连接[5]，将载荷和约束施加到模型中，得到桁架式伸

缩臂在载荷和约束限定下的有限元求解模型，如图

4所示。

.1

图4

桁架式伸缩臂有限元求解模型

3)确定了桁架式伸缩臂的求解模型之后，即可 对其应力及变形情况进行求解，添加结果应力及变 形分析，得到系统求解结果。桁架式伸缩臂的应力分

布如图5所示，从图中可以看出，在最大伸出长度的 状态下，整体应力分布较为均勻，没有明显的应力集 中存在，在三段悬臂的应力分布中，以基础臂的整体

分布略大,而前臂的最小。最大应力出现在前臂与中

间臂的搭接处，得到最大应力值为268 MPa,依据起

重机设计手册查询，所使用的无缝钢管的最大许用 应力值为293 MPa,可以看到，桁架式伸缩臂结构中

最大应力值小于材料的许用应力，满足使用要求。桁

架式伸缩臂变形图如图6所示，从图中可以看出，最 大变形量出现在悬臂的最外端，其最大值为1 192

mm，依据起重机设计手册查询，最大允许变形量为

3 600 mm,桁架式伸缩臂的变形量远小于允许值，满 足使用要求。

图6

桁架式伸缩臂位移(mm)变化图

通过上述的有限元静力学分析可知，所设计的 桁架式伸缩臂应力及变形量均满足使用要求，这说 明桁架式伸缩臂满足使用过程中的刚度需求，可以

应用于生产活动中。同样，在实际生产活动中，伸缩 臂还要承受一些其他的载荷及冲击振动的影响。3

结语

移动带式输送机以其灵活的特点，有着广泛的 应用，对于不同的应用场景，为了便于调整输送的 长度，本文采用三段式的伸缩臂，设（下转第34页）

需要 • 34 •

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机械管理开发

第34卷

求，并能合理地避开掘进机的工作频率，防止共振的产生。

参考文献

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[4] 王国法.液压支架技术[M].北京:煤炭工业出版社，1999.

模式/阶

图6底座模态分析结果

(编辑：贾娟）

Analysis and Research on Top Beam and Base of Hydraulic Support

in Advance Support

Wu Liangjie

(Shanxi Lu'an Guozhuang Coal Industry Co” Ltd” Changzhi Shanxi 046100)

Abstract： This paper expounds the selection process of the top beam and base of the advance support hydraulic

support, carries on the finite element analysis to the top beam and the base of the advance support hydraulic support, determines the required structure and draws the structure diagram. The modal analysis of the top beam and the base of the advance support hydraulic support is carried out, the strength of the support is determined to meet the working requirements, and the working frequency of the tunneling machine can be avoided reasonably, and the resonance can he prevented.

Key words： advance support; hydraulic support; finite element analysis; modal analysis

(上接第27页）

计了桁架式伸缩臂结构用于带式输送机，可以实现 不同输送长度带式输送机的适用性。经过有限元分

析，所设计的桁架结构满足系统的刚度需求，可以 应用于实际运输中。

参考文献

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徽理:丨:大学,2016.

(编辑：赵琳琳）

Design and Analysis of Truss Telescopic Arm for Moving Belt

Conveyor

Bai Pengcheng

(Yangquan No. 3 Coal Mine Production Dispatching Command Center, Yangquan Shanxi

045000)

Abstract： In order to improve the efficiency and flexibility of the transportation, the belt conveyor is often used. In the

production process, different conveying lengths are different, and the respective belt conveyors are required to be customized, so that the utilization rate of the equipment is lower, and the telescopic arm is designed to he used for moving the belt conveyor. In this paper, a three-section three-section type telescopic boom is used as an example, and the static simulation analysis is carried out. The results show that the designed structure can meet the rigidity requirement of the system and realize the adjustment of dififerent delivery lengths.

Key words： belt conveyor; tniss telescopic arm; finite element; simulation analysis