基于有限单元法的接煤板板结构分析

 李建光

 国能黄骅港务有限责任公司

摘 要：接煤板广泛应用于散料港口的多种设备上，如皮带机、堆料机、取料机、装船机等主力机型上，是散料港口清洁化生产的主要装置和有效设施。接煤板不但施工工艺简单，而且对于散料的清洁生产非常有效；但是，港口行业多年来对接煤板不够重视。早些年，为了管理简单，省掉了接煤板结构；近几年，才开始重视接煤板结构。其设计与施工，大多凭借工人们的经验，进行施工，很少对其进行受力分析和结构设计。随着我国环保生产的力度加大，接煤板的使用范围逐渐增加，但是其设计过程，依然是传统的凭着经验进行施工，很少有人对其力学性能进行研究。

关键词：有限单元法； 接煤板； 结构分析

0 概述

接煤板结构在散料运输行业既古老，又年轻的一种装置，因为其历史悠久，由于早些年对环保生产不够重视，因此，很多散料运输的设计者、制造者和使用方，对其逐年轻视。近些年，由于我国非常重视环境保护，尤其是生产企业，像散料运输企业，洒落是其不可避免的一种生产现象。如何减轻和避免洒落，是散料运输行业自始至终都追求的目标，减轻洒落的方式有很多，有源头做法，就是采用水洗煤，在矿区增加洗灰去尘的工序，或者选择优质的煤源；有的是途中选择洒水或者化学药剂，采用增加湿度减小起尘或者化学药剂凝固形成保护外壳，防止气流将粉尘带走的中途控制洒落的方式；最后就是，终极防洒落的方式，那就是接煤板结构的应用。当然，现实中的技术方案，可以说多种多样，比如回程皮带的清扫器，分多道清扫器布置，各自具有不同的专属功能，但是，不管方式有多少种，都只能减小洒落，不能避免洒落。理论上，接煤板结构是唯一一个具有避免洒落的方式和结构。

1. 散料运输机械上的接煤板应用

接煤板在散料港口设备上的应用非常广泛，如装船机、取料机、堆料机等都有接煤板，但是线路最长的还是皮带机，如果说皮带机都是线段，而装船机、取料机和堆料机的接煤板可以说是点，其应用的量远远小于皮带机，因此，本次研究仅考虑皮带机上的接煤板应用。

2. 接煤板结构设计

本文重点研究皮带机的接煤板，其结构设计具有自己独特的特点。皮带机的长度不像堆料机或者取料机等设备的长度，通常在50米以内，其设计以整体设计为主。而大型散料港口的皮带机长度，短的几百米，长的几千米，国外还有几十千米的皮带机，其以等截面面积的结构和周期性往复的结构组成。所以皮带机的接煤板设计，选择重复性结构，搭接而成，重复性的搭接，这样有利于制作，可以节约大量的工时；更重要的是，有利于现场安装，不至于因为编号复杂而导致错误。

2.1 接煤板支撑结构及安装方式的选择

首先，根据现场安装需要采用采用标准的骨架和标准的尺寸不锈钢板，而后依次焊接即可。皮带机的机架长度为1200米，皮带的宽度为1.8米，考虑到托辊架尺寸及托辊架横梁的尺寸，采用3米的宽度足够承接回程皮带的洒落物，而且能够延伸过皮带机钢结构，便于安装，接煤板两侧设置走廊，便于行人通过检查皮带机和接煤板清理煤尘等作业。接煤板两侧平行设置宽度为3米的两条槽钢，垂直与槽钢间隔1米焊接一根角钢，这些作为接煤板的骨架；而后在骨架上焊接3米见方的必须钢板，钢板厚度为3mm，材质为304不锈钢。槽钢型号为12，高度120mm，宽度为53mm，槽钢底部厚度为5.5mm；角钢采用5号等边角钢，角钢边长50mm，钢板厚度为5mm。

图1 接煤板骨架尺寸及接煤板尺寸

2.2 接煤板骨架及接煤板强度设计

单块接煤板的面积为3*3=9（平方米），接煤板承接的物料厚度通常在2厘米以下，在此考虑极限情况下为5厘米的厚度，煤炭比重通常在0.85-0.95之间，取值0.95，单块接煤板上的煤炭重量为9*0.05*0.95*1000*9.8=4189.5（N)。对于两侧槽钢而言，其受力为框架受力，所受的载荷为面载荷。由于不是简单的杆件受力，因此，不对其进行材料力学计算，后续直接进行有限元计算。

3 接煤板结构有限元分析

3.1 接煤板振动频率的计算

最初的设计是功能设计与可行性设计，就是根据皮带机的宽度和现场可供支撑的槽钢的宽度设计了接煤板的宽度以及板材的厚度选型。考虑到设计方案的成败问题，现场工艺工程师们急需知道，功能能够满足的情况下，接煤板结构是否会发生共振，因此对接煤板进行了模态分析。接煤板尺寸如图1所示，采用两端槽钢固定，当时未考虑加固，就是看看接煤板的振动频率与托辊的频率是否一致，防止出现振动情况。对接煤板进行三维实体建模，然后加载到有限元软件ANSYS WORKBENCH中进行模态分析，分析结果如下。

第一阶模态分析

第二阶模态分析

第三阶模态分析

第四阶模态分析

第五阶模态分析

第六阶模态分析

图2 接煤板模态分析图

接煤板的振动频率，发生共振的频率如表1所示。

表1 接煤板发生共振的阶数和对应的频率表

3.2 计算振源的振动频率

皮带机上接煤板的振源只有一个，就是托辊，由于轴承损坏等原因，造成托辊运行过程中偏心振动，造成振动。皮带与托辊之间可以看做是纯滚动，二者的线速度相同，皮带每运行一个托辊辊子周长的距离，托辊的振动便进行一个周期。因此，托辊的振动频率，就是在1秒钟内，完成了几个振动周期，就是托辊的振动频率。皮带的速度为5m/s，托辊的直径为159mm，所以托辊的振动频率为5×1000÷（159×3.14）=10（Hz）。同理，改向滚筒的直径在1000mm左右，只有在皮带机架上的滚筒对接煤板的振动造成影响，这样的滚筒数量较少（大部分驱动站的滚筒，直接安装在地面的机架上，少部分在配重小车的架子上，都对接煤板的振动，不造成影响），其振动频率为，5×1000÷（1000×3.14）=1.59（Hz），其振动频率在1.59Hz以下，因此，可以判定接煤板不会发生共振。

3.3 接煤板框架的受力分析

由于接煤板支架为平面框架结构，不是简单的构件，因此其强度计算不能通过简单的材料力学强度公式进行计算。其强度通过有限元软件ANSYS WORKBENCH进行计算。本次计算过程中，将接煤板的框架在CREO软件中建立按照1:1的比例进行三维实体建模，再把CREO软件中建立三维几何模型导入有限元软件ANSYS WORKBENCH中，进行网格划分，得到有限元网格化的实体，也就是工程上常说的有限元模型，有限元模型是由大量的节点和网格组成，本次计算过程中，采用SOLID187单元进行网格划分，适合几乎所有的机械结构分析，通用性非常好。本次有限元计算中，为了考虑计算的经济性和计算的可行性，未对热轧角钢的圆角进行建模。这在有限元计算中为常用的简化手段，一是为了节约计算资源和计算时间；二是，防止过多的细节，造成后期节点计算的错误，如本次计算过程中，由于本身就是一个框架结构，角钢的截面积的长宽比就很大，如果过多的处理角钢的界面信息，会导致计算的错误不能出结果和计算失真等多重问题。

图3 接煤板框架受力图

由图3可知，框架的结构强度足够，可以说大部分区域都在20MPa以内，中间的30角钢受力略大，也在60MPa以内，应力在大于这个数值的部分是由于角钢圆角未做处理造成的，实际应力在60MPa以内。通过本次改造，也可以看出，在改造过程中，中间角钢部分，优先采用50角钢，采用30角钢，强度也没有问题。即使本次分析过程中，接煤板的位置只能容下清煤工具，进不去人。本次分析，将接煤板的载荷，考虑得是极限情况，现实中，不可能有5公分厚的落煤，平铺在接煤板上。

4. 结论

本文通过对皮带机结构的分析，设计了具有接洒落煤等弃落物功能的接煤结构，按照功能进行结构设计，并根据极限情况的落物重量推算接煤板的载荷，首先考虑到托辊及滚筒的运转产生的振动，计算出托辊及滚筒的振动源的振动频率；而后，通过有限元计算接煤板的固有频率，比较二者的范围，防止出现共振，导致接煤板开裂。又由于接煤板骨架，结构较为复杂，用普通的杆单元或者梁单元，无法计算其受力情况，本文采用了有限元计算接煤板框架的应力分析，并对有限元结果进行分析。得出结论，即使采用30的角钢做接煤板骨架，其强度也是足够的，现场优先采用50角钢焊接接煤板骨架。