礦用帶式輸送機傳動滾筒的受力分析及優化設計

李 逸

（山西焦煤汾西礦業集團設備修造廠，山西 介休 032000）

引言

帶式輸送機具備有靈活性強、設備簡單、運行可靠性高等優勢，在煤礦領域有非常廣泛的應用[1]。傳動滾筒是帶式輸送機中非常重要的零部件，電機輸出的動力需要經過傳動滾筒才能驅動整個設備運行，因此工作時需要承受較大的載荷[2]。在對傳動滾筒進行設計時，如果過分追求安全系數就會導致整個結構笨重，不僅增加了零部件的生產加工成本，也會增加后期運行時的能耗[3]。當前先進的有限元技術在結構設計中的應用越來越廣泛，在改善結構設計方面發揮著非常大的價值[4-5]。本文以帶式輸送機傳動滾筒為研究對象，利用有限元軟件對其受力情況進行分析，在此基礎上對其結構進行優化設計。

1 傳動滾筒的結構概述

帶式輸送機傳動滾筒的結構較為復雜，內部包含滾筒軸、輪轂，輪輻、筒體、脹套和軸承等（見圖1）。帶式輸送機正常工作過程中，由電動機提供的動力，通過傳動系統后輸入到滾筒軸中，滾筒軸繞軸承旋轉并且將動力通過脹套傳輸到筒體，使筒體隨之做旋轉運動。筒體外表面和皮帶接觸，兩者之間通過摩擦力傳遞動力?？梢姡瑐鲃訚L筒是重要的受力結構件，在工作過程中需要承受較大的載荷，是容易出現故障問題的結構件之一。

2 傳動滾筒受力模型的建立

2.1 三維模型的建立

以DTL180型帶式輸送機傳動滾筒為研究對象，根據圖1所示的傳動滾筒整體結構及該型號設備對應的結構參數，利用UG軟件建立傳動滾筒的三維幾何模型。模型建立過程中，為了提升模型的計算速度，對模型中的一些細節部位進行了忽略處理，比如結構件中的倒角、圓角，小的孔洞和凸臺等。但這種簡化并不會對最終的計算結果產生顯著的影響，幾乎可以忽略不計。將建立好的模型導出為IGS通用格式，以便后期導入到ANSYS軟件中進行有限元模型的建立。

圖1 帶式輸送機傳動滾筒的結構示意圖

2.2 有限元模型的建立

三維模型導入到ANSYS軟件后，首先需要設置材料屬性。由于傳動滾筒內部包含有不同的零件，且不同零件的生產加工材料存在差異，所以需要分別設置。本模型中使用的材料主要有45鋼、Q235A、ZG230-450，查閱材料手冊可以獲得上述三種材料對應的彈性模量、泊松比和密度等物理參數，將其輸入到有限元模型中以確保計算結果的準確性。然后需要對傳動滾筒進行網格劃分，網格劃分質量對計算過程和結果均有非常重要的影響，在結合實際情況的基礎上，將網格邊長設置為15 mm，最終劃分得到的網格數量和節點數量分別為159 834和213 482。約束傳動滾筒只能繞軸做旋轉運動。如下頁圖2所示為建立好的傳動滾筒有限元模型。

圖2 傳動滾筒的有限元模型

3 傳動滾筒的受力結果分析

根據以上流程建立好帶式輸送機傳動滾筒的有限元模型后，即可調用程序對模型進行計算，完成計算后可提取傳動滾筒的受力情況和位移變形情況，如下頁圖3所示為傳動滾筒的應力分布云圖和變形分布云圖。由應力分布云圖中可以看出，整個傳動滾筒不同位置的受力情況非常不均勻，最小應力值只有3.371 MPa，最大應力值為169.8 MPa，出現最大應力的位置位于筒體的中間部位。傳動滾筒筒體的生產制作材料為Q235A，此類材料的屈服強度為235 MPa。可以看出最大應力值與材料的許用應力值之間相差很大，存在很大的富余。從變形分布云圖同樣可以看出，傳動滾筒不同位置的變形量分布非常不均勻，最小變形量只有0.013 2 mm，而最大變形量達到了0.293 mm。最大變形量出現的位置同樣處于筒體的中間部位，與最大應力值出現的部位基本相同。根據帶式輸送機相關的規范標準要求，傳動滾筒工作時的最大變形量ymax=2D/2800范圍內，其中D表示滾筒的直徑。本案例中，滾筒直徑為1 800 mm，代入上式可計算得到ymax=1.28 mm?？梢钥闯?，筒體的最大變形量與允許變形量之間同樣差距很大，存在很大富余。

圖3 傳動滾筒的受力和應變情況計算結果

基于以上分析可以看出，帶式輸送機傳動滾筒的最大應力值和變形量與許用值之間存在很大差距，這種設計方法雖然可以保障傳動滾筒的可靠穩定運行，但必然會增加其生產制作成本。此外，也會增加傳動滾筒的重量，從而增加工作過程中的能耗。所以，有必要對傳動滾筒的結構進行優化改進，使其結構更加合理，降低結構件的生產制作成本以及運行時的能耗。

4 傳動滾筒的優化改進

基于以上分析可以看出，現有的帶式輸送機傳動滾筒，其結構存在一定缺陷。本文利用ANSYS軟件對其結構進行優化改進，考慮到傳動滾筒中軸徑、筒殼厚度、輻板厚度三個參數對重量影響較大，因此以上述三個參數為優化變量，結合實際情況設置的取值范圍分別為200~400 mm、20~50 mm、30~50 mm。以傳動軸、筒殼和輻板所使用材料的許用應力值和最大變形量為約束條件，以上三個零件材料的許用應力值分別為145 MPa、235 MPa和135 MPa。以整個傳動滾筒的重量為優化目標，確保其重量最小。

基于正交實驗方法對三個優化變量進行取值，并利用ANSYS軟件建模分析，對比不同取值時的計算結果，最終發現當軸徑、筒殼厚度、輻板厚度分別為350 mm、24 mm、31 mm時滾筒的重量最小，為6 t。優化改進前對應的原始數據分別為380 mm、30 mm、50 mm，對應的滾筒重量為7.71 t。可見通過優化改進，在保證傳動滾筒滿足各項使用性能的前提下，其重量降低了22.18%，效果顯著。

5 改進后傳動滾筒的實踐應用效果

將優化改進后的傳動滾筒應用到DTL180型帶式輸送機中進行實踐應用，為驗證應用效果，對其使用情況進行了連續6個月時間的觀察。經過現場測試發現改進后的傳動滾筒整體運行穩定，在測試期間沒有出現明顯的故障問題。機械結構件中材料成本占到整個結構件生產制作成本的60%左右。通過本次優化改進使得傳動滾筒的重量降低了22.18%?；诖?，可以初步估算傳動滾筒的生產加工成本可以節約13.31%左右。另外，傳動滾筒作為重要的傳力結構件，其重量的降低能在一定程度上降低帶式輸送機的能源消耗，為煤礦企業節省一定的成本。總之，此次針對傳動滾筒的優化改進成果是顯著地，值得其他煤礦企業借鑒。