基于ABQUS的礦用帶式輸送機滾筒結構強度分析

王素玲

（山西省節能中心有限公司，山西 太原 030045）

引言

帶式輸送機作為煤礦開采中的關鍵設備，具有輸送效率高、噪聲小、運輸穩定、輸送量大等特點，被廣泛應用到了煤礦開采中。由于設備在運行過程中會運輸較大煤塊，承受較大外界沖擊載荷作用，導致帶式輸送機部分部件在運行時出現結構變形、局部開裂等失效現象，對帶式輸送機的高效安全運行造成了嚴重影響[1]。其中，滾筒作為帶式輸送機中的關鍵部分，由于持續處于高速運行狀態，導致該部件經常出現輻板變形、焊縫開裂等問題，采用當前成熟的分析方法，對滾筒的綜合性能進行分析研究顯得十分重要[2]。為此，在分析帶式輸送機及滾筒特點基礎上，采用有限元分析方法，對滾筒在使用過程中的結構性能進行了分析研究，并提出了滾筒的優化改進措施及改進后結構性能效果驗證。

1 帶式輸送機及滾筒結構特點分析

帶式輸送機作為井下煤礦開采中的重要設備，其結構主要包括皮帶、導向滾筒、拉緊滾筒、拉緊裝置、緊繩裝置、上托輥、下托輥、電機等組成[3]。其中，動滾筒位于機頭部位，通過3臺電機同時對滾筒進行驅動。滾筒的結構包括了筒殼、輻板、軸承座及輪轂等部件，兩端分別匹配了脹套，滾筒軸上安裝了軸承，通過軸承及螺栓等部件實現與帶式輸送機進行固定連接[4]，滾筒及周邊部件組成示意圖如圖1所示。根據滾筒的功能特點，可將其分為驅動滾筒、改向滾筒、輕型滾筒、中型滾筒、重型滾筒等類型。滾筒在實際過程中會出現筒殼磨損嚴重、滾筒外殼磨損、輻板變形、焊縫開裂等失效現象，導致滾筒發生此變化的原因為驅動滾筒受到法向和切向載荷的同時作用，載荷也發生規律的變化，致使整個結構出現了不同程度的結構變形[5]。可以用科學、有效的方法對滾筒的結構性能進行優化改進研究，這對保證滾筒及設備的使用壽命意義重大。

圖1 滾筒及周邊部件組成示意圖

2 滾筒分析模型建立

2.1 滾筒三維模型建立

為進一步驗證滾筒的結構性能，采用了Solidworks軟件對其進行了三維模型建立。由于驅動滾筒為復合式結構，故在建模時對其進行了模型簡化，主要省去了模型中次要構件，包括軸端聯軸器、螺釘孔、膨脹螺釘孔、圓角、倒角、鍵槽及軸承座等特征，保留了整個滾筒中滾筒、脹套及輻板等特征結構。另外對滾筒上的焊縫也進行了模型簡化，在后期分析時不考慮焊縫對滾筒的影響，將滾筒中輻板及筒殼等部件設計為一體式結構，以減少后期模型對分析結果的影響，提高仿真精度。

2.2 滾筒結構分析模型建立

根據所建立的滾筒三維模型，將其保存為x-t格式后，導入至ABAQUS軟件中，對其進行了仿真模型建立。在模型中，對滾筒的輸入端及輸出端中滾筒軸與滾筒相接觸處進行了轉動自由度設計。由于實際使用過程中滾筒主要使用了Q235材料[6]，故在軟件中對滾筒進行了Q235材料設置，材料的主要性能參數如下頁表1所示。同時，根據滾筒的實際結構尺寸，利用實體單元類型，對其進行了六面體網格劃分，網格大小設置為15 mm，所建立的滾筒網格劃分圖如圖2所示。另外，在滾筒的兩端施加30 kN·m的旋轉扭矩，以模擬滾筒的實際運行情況。由此，完成了滾筒結構分析模型的建立。

表1 Q235材料主要性能參數

圖2 滾筒網格劃分圖

3 結構強度分析

3.1 結構應力變化分析

由于滾筒主要包括筒殼及輻板，故在分析時分別提及了此兩部件的應力變化圖。由圖3可知，滾筒上的輻板出現了較為明顯的應用分布不均勻現象，但分布規律相對較為明確，最大應力值為152.125 MPa，出現在輻板的中間內圈區域，沿著輻板的外徑方向，應力呈逐漸減少趨勢，在輻板的外邊緣處應力又有所增大。根據筒殼的應力變化圖（見圖4）可知，筒殼端面與輻板相接觸的區域（即：輻板與筒殼實際焊接區域）出現了較為明顯的應力集中現象，最大應力值為114 MPa，整體比輻板上的應力值更小，沿著滾筒的軸向方向，應力值呈逐漸減少趨勢。分析其原因為：滾筒兩端的輻板在與滾筒軸及脹套接觸過程中承受著較大的接觸外力，而滾筒上由于筒殼中部為中空設計，故筒殼上的應力值則相對較小。雖整體結構的應力值未超過材料的屈服強度，但幅板的中部內圈處是整個結構的薄弱區域，一旦此區域率先發生結構失效現象，將會嚴重影響整個帶式輸送機的作業效率及安全。故在實際設計及運行過程中應重點對此區域進行重點加強設計及維護保養。

圖3 輻板的應力（MPa）變化圖

圖4 筒殼的應力（MPa）變化圖

3.2 結構變形變化分析

通過分析，得到了滾筒的結構變化圖，如圖5所示。由圖可知，滾筒整體結構的變形量相對均勻，但局部區域出現了彎曲變形現象，最大變形量為1.22 mm，變形量相對較小，出現在筒殼的靠近輻板區域。出現此現象原因為：滾筒為對稱結構設計，由于兩端承受徑向載荷作用，使得筒殼的中部區域出現了彎矩受力。為有效保證整個滾筒的結構強度，有必要對筒殼發生變形量的區域進行結構加強，以保證整個滾筒的結構強度及使用壽命。

圖5 滾筒結構變形圖

4 滾筒的結構優化設計

結合前文分析可知，在滾筒使用過程中，其結構中的輻板中間內圈及筒殼與輻板接觸焊接處均出現了較為明顯的應力集中現象，同時，滾筒輻板兩端附近也出現了一定的結構變形，故有必要對滾筒結構進行優化改進設計。

4.1 結構結構改進

在滾筒改進設計過程中，主要對輻板進行優化設計。根據輻板的應力變化特點可知，輻板內側主要承受著壓力彎矩作用，并通過內側與外側的相互作用實現拉力的傳遞，而輻板上的外側支架及輪廓由于與蒙皮之間形成了三角形，具有一定支撐力，故可將輻板的外部結構設計為三角支撐結構，并將各部件的材料厚度增加2 mm，輻板外界輪廓均設計為外圓R結構，以減少結構上的局部應力集中。輻板改進設計圖如圖6所示。

圖6 輻板改進設計圖

4.2 優化后的滾筒結構應力變化

采用相同的有限元仿真方法，對改進后的滾筒結構進行了結構性能分析，得到了滾筒的應力變化圖，如圖7所示。由圖可知，滾筒整體結構的應力值明顯降低，最大應力值為8.387 MPa，仍出現在滾筒幅板的中部區域，但應力集中現象得到顯著的降低，筒殼與輻板接觸焊接處也明顯降低；滾筒的其他區域應力值均相對較小。出現此結果的原因為滾筒上輻板利用三角支撐原理，有效將所承受外力進行了軸向分解，減緩了應力集中現象。優化效果顯著，得到了結構改進效果。

圖7 優化后滾筒應力（MPa）變化圖

5 結語

由于煤礦井下環境的惡劣性，不斷利用當前成熟快捷的分析方法對帶式輸送機中滾筒及其他部件進行結構分析研究，成為企業提高研究效率，降低成本的有效方法。為此，在分析帶式輸送機及滾筒特點基礎上，利用有限元分析方法及ABAQUS軟件，開展了滾筒在使用過程中的性能研究，得出滾筒的輻板中間內圈及筒殼與輻板接觸焊接處均是整個結構的薄弱部位，一旦此些區域發生結構失效現象，將對設備的運行構成重要影響。為此，在對輻板進行優化改進設計后，開展了改進后滾筒的結構強度分析，改進后滾筒所承受的應力值更小，整體結構性能得到明顯提升，達到了優化改進設計要求。這對提高滾筒的結構強度及使用壽命具有重要意義，實際指導參考價值較大。