劉建英

（大同煤礦集團(tuán)公司云岡礦運(yùn)銷站 ，山西 大同 037017）

0 引 言

隨著國家綜合國力的不斷提升，對能源的需求量也逐漸增大，煤礦作為重要的能源，加大對其的開采力度，已成為當(dāng)下煤礦領(lǐng)域的重點(diǎn)工作。帶式輸送機(jī)則是煤礦開采中的重要設(shè)備[1]。但由于井下作業(yè)環(huán)境的相對惡劣，加上帶式輸送機(jī)作業(yè)過程中經(jīng)常有超載、瞬間煤石沖擊、作業(yè)時(shí)間較長等現(xiàn)象，導(dǎo)致帶式輸送機(jī)的故障發(fā)生率大大提高，影響影響著煤礦的開采進(jìn)度及作業(yè)安全。其中，繩輪支座則是帶式輸送機(jī)中的重要部件，保證其具有較高的結(jié)構(gòu)性能，已成為提高帶式輸送機(jī)較高作業(yè)效率的重要方向[2]。因此，以云崗礦中B1400型帶式輸送為研究對象，通過對繩輪支座重量較重、安裝不方便、結(jié)構(gòu)易變形或斷裂等問題進(jìn)行分析，開展了繩輪支座的結(jié)構(gòu)性能分析及優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)，得到改進(jìn)后的支座具有更高的結(jié)構(gòu)性能，結(jié)構(gòu)重量明顯降低，解決了支座安裝難的問題。

1 繩輪支座結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及存在問題分析

目前，各煤礦中應(yīng)用的帶式輸送機(jī)型號種類較大，但各類設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成基本相同。以云崗礦中B1400型帶式輸送機(jī)為例，該設(shè)備結(jié)構(gòu)主要由皮帶、滾筒、機(jī)架、電機(jī)、液壓張緊裝置、清掃裝置等部分組成，通過皮帶的循環(huán)運(yùn)動，完成對所開采煤礦的輸送任務(wù)[3]。其中，液壓張緊裝置中，包含了繩輪支座張緊小車、鋼絲繩、滑輪、繩輪支座等部件，而繩輪支座主要負(fù)責(zé)用于固定定滑輪，實(shí)現(xiàn)皮帶與張緊小車的連接，并保證了皮帶運(yùn)動過程中具有較大張力作用，其安裝結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示[4]。然而，在B1400型帶式輸送機(jī)上一般安裝了若干個(gè)繩輪支座，而該結(jié)構(gòu)整體具有較大的重量，存在安裝不方便問題；且在其使用中，極容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形或斷裂等故障問題，繩輪支座的安裝不牢靠、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較弱等問題，很大程度上會對帶式輸送機(jī)及云崗煤礦的作業(yè)安全構(gòu)成威脅[5]。因此，有必要對繩輪支座進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)，使其能更好的滿足B1400型帶式輸送機(jī)在云崗煤礦中的使用需要。

圖1 繩輪組件結(jié)構(gòu)簡圖

2 繩輪支座結(jié)構(gòu)分析模型建立

2.1 三維模型建立

根據(jù)B1400型帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，得到了繩輪支座的結(jié)構(gòu)尺寸，如圖2所示。由圖可知，支座的結(jié)構(gòu)主要由底板、豎板、筋板等組成，采用的是Q235材料。因此，采用Solidworks軟件，建立了繩輪支座的三維模型。為提高該模型在仿真過程中的仿真精度，對該結(jié)構(gòu)中頂部螺紋孔、圓弧、圓角等特征進(jìn)行了模型簡化，僅保留了該結(jié)構(gòu)的主要部分，且支座的重量為21.5kg，由此，建立了簡化后的繩輪支座三維模型，如圖3所示。

圖2 繩輪支座結(jié)構(gòu)尺寸圖

圖3 繩輪支座三維模型圖

2.2 仿真模型建立

根據(jù)前文建立的繩輪支座三維模型，將其導(dǎo)入至ABAQUS軟件中，進(jìn)行仿真模型的建立。首先，對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了Q235材料的設(shè)置，其中，材料的屈服強(qiáng)度為235MPa，彈性模型為206GPa，泊松比為0.28，許用強(qiáng)度為180MPa[6]。同時(shí)，采用四面體網(wǎng)格類型，對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設(shè)置為15mm，并對底板上的連接孔進(jìn)行了加密處理。另外，根據(jù)支座的實(shí)際作用條件，對其底板下平面進(jìn)行了固定約束，頂部通孔及底部通孔處施加了載荷，采用靜力學(xué)分析方式，完成了支座的仿真模型建立。

3 結(jié)構(gòu)特性分析

3.1 應(yīng)力分析

根據(jù)建立的帶式輸送機(jī)繩輪支座仿真模型，得到了其應(yīng)力變化圖，如圖4所示。在該圖中，亮色部位代表應(yīng)力集中區(qū)域，深藍(lán)色部位為應(yīng)力較小區(qū)域。由此可知，在支座的不同位置發(fā)生了不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，其中，支座底部的左右兩端應(yīng)力集中相對較大，豎板的頂部及板腰部位也出現(xiàn)了較大程度的應(yīng)力集中，此些部位成為繩輪支座上的薄弱部位，在支座長期使用中，極容易率先在此些部位發(fā)生疲勞失效現(xiàn)象，對支座及帶式輸送機(jī)的作用安全構(gòu)成威脅。

圖4 繩輪支座應(yīng)力分布圖

3.2 結(jié)構(gòu)變形分析

通過仿真分析，得到了支座的結(jié)構(gòu)變形圖，如圖5所示。圖中，紅色代表變形量最大區(qū)域，藍(lán)色代表變形量最小區(qū)域。由此可知，繩輪支座的整個(gè)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了分布不均勻的結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象，其中，豎板的通孔頂部變形量最大，且結(jié)構(gòu)變形沿著豎板向下呈逐漸減小的變化趨勢，在底部的筋板及底板上也出現(xiàn)了較明顯的結(jié)構(gòu)變形，由此確定了支座頂部為最容易發(fā)生結(jié)構(gòu)變形部位，嚴(yán)重時(shí)會率先發(fā)生結(jié)構(gòu)變形或斷裂等現(xiàn)象，因此，有必要對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

圖5 繩輪支座結(jié)構(gòu)變形圖

4 改進(jìn)后繩輪支座結(jié)構(gòu)特性分析

4.1 繩輪支座改進(jìn)設(shè)計(jì)

結(jié)合前文分析，得到了繩輪支座豎板上的通孔周邊最容易發(fā)生結(jié)構(gòu)變形及疲勞失效現(xiàn)象，是整個(gè)支座結(jié)構(gòu)上的最為薄弱的部位，且其結(jié)構(gòu)重量相對較重。因此，對現(xiàn)有繩輪支座進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)。在不影響結(jié)構(gòu)裝配基礎(chǔ)上，主要將底板的長度尺寸減小至460mm，豎板高度減小至220mm，并在豎板及底板中部增添了筋板結(jié)構(gòu)，其他尺寸保持不變，改后的支座重量減小至16.2 kg。由此，完成了繩輪支座的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 改進(jìn)后繩輪支座結(jié)構(gòu)圖

4.2 改進(jìn)后繩輪支座結(jié)構(gòu)分析

結(jié)合改進(jìn)后的繩輪支座，采用與原有繩輪支座相同的仿真條件設(shè)置方式，得到了改進(jìn)后的繩輪支座應(yīng)力分布及結(jié)構(gòu)變形圖，如圖7、圖8所示。由圖可知，改進(jìn)后的繩輪支座上集中應(yīng)力由頂部向底部方向進(jìn)行了較明顯的轉(zhuǎn)移，且筋板上也分散了整體結(jié)構(gòu)上的部分應(yīng)力。同時(shí)，支座頂部、底板上的結(jié)構(gòu)變形程度也明顯減小，結(jié)構(gòu)變形轉(zhuǎn)移到了三個(gè)筋板上。由此說明，改進(jìn)后的繩輪支座改善了其結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力集中及結(jié)構(gòu)變形問題，整體結(jié)構(gòu)的性能得到明顯提升，并且新支座的整體材料用量明顯減少，有效降低了支座的結(jié)構(gòu)成本。

圖7 改進(jìn)后繩輪支座應(yīng)力分布圖

圖8 改進(jìn)后繩輪支座結(jié)構(gòu)變形圖

5 結(jié) 論

隨著煤礦開采量的增大，使帶式輸送機(jī)具有較好的綜合性能，是保障煤礦高效率開采的重點(diǎn)。其中，提高帶式輸送機(jī)中繩輪支座的結(jié)構(gòu)性能成為重要的改進(jìn)點(diǎn)。因此，以云崗礦中B1400型帶式輸送為研究對象，得到了該設(shè)備中繩輪支座存在重量較重、安裝不方便、結(jié)構(gòu)易變形或斷裂等問題，開展了繩輪支座的結(jié)構(gòu)性能分析，找到了其結(jié)構(gòu)上的薄弱位置，以此為基礎(chǔ)，對繩輪支座的重量及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，改進(jìn)后的支座具有更高的結(jié)構(gòu)性能，能更好的滿足帶式輸送機(jī)的使用需求，且結(jié)構(gòu)重量得到明顯減低，大大解決了支座的安裝困難問題，節(jié)約了結(jié)構(gòu)材料。該研究對提高繩輪支座的結(jié)構(gòu)性能具有重要作用，也為保障云崗煤礦中帶式輸送機(jī)的安全作業(yè)提供重要支撐。