随着全球煤炭能源需求的不断增长、综采效率的逐步提升，带式输送机以其运行平稳、输送距离长等优点成为煤矿开采过程中重要的运输设备。机架作为带式输送机的重要组成，不仅要承受滚筒、输送带、原煤的重量，还要承受来自输送带极大的张紧力以及振动时极强的冲击力，这对带式输送机机架的稳定性与可靠性提出了更高的要求。为了保证输送机在井下能够安全且高效地运行，经验设计通常有较大的余量，大幅增加了带式输送机的制造加工成本。为此本文利用SolidWorks软件对中部传动滚筒机架进行静力学仿真，并优化机架结构，以达到改善应力分布、轻量化设计的目的。

1   机架的技术参数及受力分析

本文以某煤矿主斜井 DTL180 型带式输送机为例，其主要技术参数：

输送机采用中部双传动形式，并使用 ZW 型中部传动滚筒机架，机架结构如图1所示，机架整体宽4 000 mm，高 3 500 mm，两侧架中心距2 800 mm，机架左端输送带延伸至卸载滚筒,机架右端输送带进入另一侧相同的传动滚筒机架，以实现二级传动。机架由2个侧架通过槽钢、圆管进行安装定位，侧架由立梁、斜梁、底梁通过螺栓联接组成。机架主体采用25 mm、16 mm 厚的Q235A板材拼焊而成 。

φ1 800 mm的传动滚筒和改向滚筒分别安装在机架的立梁和斜梁上，两滚筒重力均为170 kN，传动滚筒中心距机架接合面800 mm，两侧拉力分别为1 310 kN、815 kN，方向与水平夹角为 12°、15°，改向滚筒中心距机架接合面450 mm，两侧拉力为815 kN，方向与水平夹角均为 15°。将输送带拉力和滚筒重力合成，以计算作用在机架上的载荷，由于输送带作用在滚筒上的转矩提供了输送带输送时的动力，并不会作用到机架上，因此在分析机架受力时，可以认为输送带拉力作用于滚筒中心。经计算在立梁与传动滚筒座结合面上，机架受到垂直于接合面的压力F1＝2 068 kN，平行于接合面的拉力F2＝109 kN，弯矩M1＝87 kNm；斜梁与改向滚筒座接合面上，机架受到垂直于接合面的压力F3＝1233 KN，平行于接合面的 拉力F4＝993 kN，弯矩M2＝447 kNm 。机架的受力分析如图2所示。

2   机架仿真模型的建立

采用SolidWorks 软件对机架进行三维立体建模，并基于同平台下Simulation仿真模块进行静应力分析，避免了不同软件间模型文件导入时出现的几何特征错误、模型加载时间长、前后处理冗杂等问题。

（1）定义材料属性

机架主体是 Q235A板材，因此定义仿真中的Q235A的材料属性为密度7 860 kg/m3、泊松比0.288、弹性模量212 GPa、抗拉强度390 MPa。

（2）划分网格单元

考虑到金属板件厚度较薄 ，因此采用四面体网格来划分输送机机架，并设置最大网格单元尺寸为25 mm，最小网格单元尺寸为16 mm，增长比率为1.2，共生成了1 079 681 个网格单元，网格划分模型如图3所示。

（3）加载与约束

机架受到输送带拉力与滚筒重力，并作用于滚筒座的结合面上，根据对机架的受力分析，在结合面上对表面压力、摩擦力、作用弯矩进行加载。同时机架通过地脚螺栓固定在基座上，因此将机架底部的10个垫板进行全固定约束。

3   机架的静力学仿真分析

对中部传动滚筒机架进行静力学分析，得到机架结构静应力分布云图如图4所示。由图4（a）可以看出机架整体应力分布不均，并且应力集中在立梁与斜梁结合处；进一步对机架中斜梁 、立梁 、底梁进行分析 ，由图 4（b）可以看出，斜梁上端靠近立梁附近的侧板上出现应力集中，所受应力为127.1 MPa；由图 4（c）可以看出，在立梁侧板上端靠近斜梁处出现应力集中，最大应力为108.8 MPa；由图 4（d）可以看出，底梁受力情况优于立梁、斜梁，底梁的最大应力出现在侧板两端，应力为51.7 MPa。由于Q235A板材许用应力为135 MPa，所以板材厚度符合强度要求，但是减小机架的应力集中后，可以进行轻量化设计。

机架位移分布云图如图5所示，最大位移出现在斜梁与改向滚筒定位座的结合面上，最大位移量为0.82 mm。

4   机架的优化设计

（1）改善应力集中

考虑到机架应力集中情况，为了实现机架的轻量化设计，首先需要优化机架结构，以减小立梁与斜梁上局部较大的应力。经仿真优化。在斜梁与立梁间增加三角肋，并在斜梁中部增加侧肋，以提升斜梁刚度与强度。优化结果表明可显著改善局部的应力集中情况。改善应力后机架的应力、位移分布云图  如图 6、图7所示，可以看出优化后机架的最大应力为83.2 MPa，在三角形肋板处；最大位移为0.53 mm，在上侧圆管的中间位置 。

优化后的机架应力、位移、质量等参数如表 1中优化模型1所示，增加加强肋板后，侧架质量增加359 kg、增重7.5%，但局部应力有了极大改善机架最大应力减小到83.2 MPa、减少了34.5%，最大位移减少35.4%，为机架的轻量化设计提供优化空间 。

（2）轻量化设计

由于改善机架应力后，机架强度冗余较高，一方面为了机架轻量化设计需要，另一方面为了统一板材原料的使用，在优化设计中统一采用16 mm 厚的板件来构成机架，并进行有限元仿真，轻量化设计后机架的应力 、位移分布云图如图8、图 9 所示，可以看出优化后机架的最大应力为125.0 MPa，在三角形肋板处；最大位移为0.76 mm，在上侧圆管中间位置。

机架轻量化后的仿真结果如表1中优化模型2所示，与原设计机架相比，轻量化设计后，侧架质量减少752 kg、减重了15.7%，减重效果明显。同时保证了优化后满足材料的许用强度，并且减重后机架的应力、位移均不超过原机架。

5  结语

以某煤矿主斜井带式输送机的中部传动滚筒机架为研究对象，对机架的结构进行优化，在局部应力集中处增加加强肋板，改善了斜梁与立梁结合处应力集中的情况，机架最大应力减小了34.5%，并以此为基础对机架进行轻量化设计，统一选用16 mm 厚的板材进行机架主体的拼焊，经仿真计算，优化后的机架应力与位移均小于原型机架，实现侧架减重15.7%，同时统一拼焊板材的使用规格。中部传动滚筒机架的结构仿真优化也为带式输送机相关产品的研制提供了技术参考。