基于ANSYS Workench的帶式輸送機滾筒軸的優化設計

胡 斌

（山西西山煤電股份有限公司馬蘭礦機電科， 山西 古交 030205）

引言

煤炭作為國民經濟發展的重要能源資源，對人類經濟社會的發展提供了巨大的助力，特別是在現代社會對電力、冶金行業需求不斷擴大的同時，作為基礎動力的煤炭資源的需求劇增，因此各煤礦生產企業不斷提升井下煤炭開采效率，為了適應井下復雜的地質環境和大運量的需求，各類型的帶式輸送機不斷投入應用。滾筒作為輸送機傳遞動力和改變方向的機構，在工作時需要承受巨大應力、扭矩，在長期運行時極易在結構強度較弱的地方出現扭曲變形或者斷裂，輕者造成輸送機系統停機維修，重則造成輸送帶下滑、煤炭散落甚至人員傷亡事故，因此為了提升輸送機滾筒軸的可靠性，迫切需要改變盲目增加安全系數確保滾筒軸工作安全性的方法。本文以某礦用輸送機系統的滾筒軸為研究對象，利用仿真軟件對其結構強度進行分析，研究滾筒軸結構優化方案，降低滾筒軸質量，提升結構強度[1]。

1 滾筒軸受力分析

輸送帶在工作時是利用驅動滾筒和輸送帶之間的摩擦力實現輸送帶的運行，在摩擦力作用下，輸送帶的驅動滾筒的輸入側產生張緊，在驅動滾筒的輸出側有一定的松弛，由受力平衡分析可知，輸送帶在驅動滾筒兩側的張緊力的差值和驅動滾筒作用在輸送帶上的摩擦力相等，可表示為[1]：

式中：S1為輸送帶輸入側的張緊力；S2為輸送帶輸出側的張緊力；Sf為滾筒作用在輸送帶上的圓周力。

輸送帶在驅動滾筒的作用下實現圓周運動，其工作狀態下輸送帶內的受力情況如圖1所示。

圖1 輸送機工作時輸送帶的傳動受力圖

由圖1可知，驅動滾筒在工作時的受力情況與帶傳動主動輪受力情況一致，由帶傳動的摩擦驅動理論分析可知，工作時輸送帶在驅動滾筒兩側分別為緊邊和松邊，在兩側邊應力差值的作用下作用在驅動滾筒上的合力將會是作用在滾筒軸中心線上的一個水平力的分量F及一個力矩T，在其共同作用下，將導致滾筒軸在水平截面內產生一個扭轉和彎曲的彎扭組合受力[2]。

滾筒軸在受到彎扭組合作用力的同時，滾筒兩端脹套對滾筒軸的作用力分別為F1、F2，滾筒軸兩側的軸承支座會對其產生一個反作用力F3、F4的作用，作用在滾筒軸上的受力如圖2所示[2]。

由圖2可知，在滾筒軸的2-3段、4-5段所受到的作用力F=（S1+S2）/2，滾筒軸內的彎矩從圖示位置2處開始產生，在位置3和位置4之間彎矩保持不變，在位置4處開始減小，直到位置5處彎矩降低為零。由帶傳動的摩擦驅動理論及輸送機工作時的受力平衡[3]可知：

圖2 滾筒軸受力結構模型

式中：e為自然對數的底數；α為輸送帶和驅動滾筒之間的圍包角；μ為輸送帶和驅動滾筒之間的摩擦系數。

作用在滾筒軸上的彎矩M、扭矩T及剪力F可分別表示為：

式中：b為受力點距離滾筒軸端部的距離，取0.419 m；D為受力點處滾筒軸的直徑，取1.25 m。

2 滾筒軸的三維建模

本文以某礦用輸送機系統的滾筒軸為研究對象，利用CREO三維建模軟件建立該滾筒軸的三維模型，將其導入到ANSYS workench仿真分析軟件中利用自動網格劃分的方法對其進行網格劃分，如圖3所示。

圖3 滾筒軸三維結構模型

3 滾筒軸受力求解分析及仿真

根據輸送機系統工作時的負載和受力情況，對輸送機滾筒軸在最大受力工況下的應力分布情況進行計算，設 F1=F2=289 kN，利用式（2）、式（3）可得輸送帶工作時輸入側的張緊力S1=443.67 kN，輸送帶工作時輸出側的張緊力S2=134.33 kN，通過式（4）、式（5）、式（6）可得在正常工作時滾筒軸所受到的彎矩、扭矩及剪力大小分別為：M=121.06 kN·m，T=193.99 kN·m，F=289 kN。

由分析可知，在工作時作用在滾筒軸上的力主要包括位于滾筒軸端部的扭矩、軸承座對滾筒軸的支撐力、滾筒脹套位置對滾筒軸的力等，在仿真分析時為了簡化受力分析，將滾筒軸端部的扭矩作用忽略，僅考慮驅動滾筒對滾筒軸的作用力，僅在驅動滾筒與滾筒軸接觸的表面上施加剪切力F1、F2以及扭矩T，在滾筒軸下端施加模擬支撐力F3=F4，在仿真分析時使滾筒軸僅保留在切向旋轉[4]，仿真分析結果如圖4所示[3]。

圖4 滾筒軸應力（Pa）分布云圖

在對滾筒軸的結構強度進行校核時，本文采用力第四強度理論進行校核：

可得：

式中：d為滾筒軸的最大處的直徑，取360 mm；W為抗彎截面系數。

根據該滾筒軸所采用的材料，校核可知，該軸的最大可承受應力為44.3 MPa，滾筒軸受力下的最大應力集中在安裝軸承部位的肩部，其應力集中可達42.8 MPa，滾筒軸中間位置工作時的應力集中最小，僅約21.4 MPa，但該處軸的結構直徑為360 mm，存在著結構強度過度，因此由結構計算和仿真分析可知，該滾筒軸在工作時在應力集中處易產生彎曲和折斷，因此可通過加強該位置結構，設置圓弧面過度結構實現降低應力集中的目的，同時可減小軸中間位置的直徑，實現對滾筒軸質量的減輕[4]。

4 結論

在對滾筒軸在工作時的受力情況進行分析的前提下，利用ANSYS Workench分析軟件對滾筒軸工作時的應力集中情況進行了分析，分析結果表明該滾筒軸在軸端部應力集中較為嚴重，易出現損壞，但在中間位置強度過度導致滾筒軸整體質量增加，因此可通過加強該位置結構，設置圓弧面過度結構實現降低應力集中的目的。通過分析可知，利用三維仿真分析軟件能夠快速、準確對滾筒軸工作時的受力情況進行分析，針對性地對其結構進行優化，能夠在確保在使用安全的前提下大幅降低滾筒軸的結構重量，為后續滾筒軸的結構優化提供了理論指導。