基于有限元法的帶式輸送機傳動滾筒受力分析與改進

王 炎

（晉能控股裝備制造集團大同機電裝備科大機械有限公司，山西 大同 037000）

引言

隨著國家綜合國力的不斷提升，對能源的需求也呈逐年增長趨勢。各類設備被應用到煤礦的開采中。礦用帶式輸送機作為煤礦中常見的生產設備，保證其設備運行過程中的穩定性及結構安全性，將對提高煤礦的生產效率具有重要影響。滾筒則是帶式輸送機中的關鍵部件[1]。以DTL160/330帶式輸送機為例，該設備運輸量為3 300 t/h，帶速為5 m/s，在實際使用中，滾筒的設計一般考慮了安全系數，這使得滾筒在重量、尺寸及成本等方面均存在較大問題，且滾筒仍存在結構開裂、斷裂、變形等失效現象[2]。滾筒一旦出現結構失效問題，將會影響整個運行過程及效率。隨著科學技術的不斷發展，將更加先進的分析方法運用到滾筒的結構性能分析中，已成為當前一個重要的發展方向。

為此，結合DTL160/330型帶式輸送機中滾筒的結構特點，建立了滾筒的三維及仿真模型，采用有限元分析方法，開展了滾筒在使用過程中的結構性能研究，得到了滾筒的結構應力及結構位移變化規律，提出了滾筒的結構優化措施，這對提高滾筒的使用壽命及設備的運行效率具有重要意義。

1 滾筒的結構特點

礦用帶式輸送機作為礦井中的關鍵設備，其結構主要包括滾筒、皮帶、驅動電機、支架、減速器等，而滾筒則是設備上的關鍵部件，其內部結構包括滾筒軸、筒體、軸承、輻板、輪轂等[3]。根據滾筒的功能不同，將其分為主動滾筒和從動滾筒。驅動電機通過傳動機構將動力輸出至主動滾筒上，帶動從動滾筒，利用滾筒與皮帶之間的摩擦，實現滾筒上煤炭的運輸。為防止滾筒的打滑，在滾筒表面增加了一層橡膠結構[4]。以DTL160/330帶式輸送機中滾筒為例，該滾筒采用了鑄焊方式進行加工。

滾筒在使用過程中的失效形式主要包括局部變形、磨損、剪切破壞、開裂或斷裂等，其中滾筒作業過程中由于受到較大的外界沖擊作用，導致滾筒受到較大的摩擦作用，滾筒的嚴重磨損將使得滾筒與皮帶發生打滑現象；同時，由于滾筒上受到不平衡的集中載荷作用，也經常使得滾筒出現局部變形、局部開裂或斷裂等現象，嚴重影響帶式輸送機的運行效果及作業安全性。

2 滾筒模型建立

2.1 三維模型建立

為進一步分析滾筒的結構性能，根據滾筒的結構組成特點，采用Solidworks軟件對滾筒中的滾筒軸、筒體、軸套、脹套等部件進行模型建立。在建模過程中，需對滾筒進行模型簡化，主要包括將輪輻與筒體之間的焊接，將其建立為固定牢固結構；同時，去除滾筒中影響較小的螺釘、聯軸器等非關鍵部件[5]；并將滾筒中較小圓孔、過渡圓弧、倒角等進行模型簡化，僅保留模型中的關鍵特征；另外，將滾筒受力過程視為不發生轉動。由此，按照1∶1模型比例，建立了滾筒的三維模型，如圖1所示。

圖1 滾筒三維模型

2.2 滾筒材料定義

根據DTL160/330帶式輸送機中滾筒的材料屬性，將建立的模型導入ABAQUS軟件中，對其進行材料定義。其中，軸的材料設置為45號鋼，其密度為7.85 g/cm3、彈性模量210 GPa、屈服強度355 MPa、抗拉強度600 MPa，滾筒中輪輻及其他零件的材料則設置為ZG230-450，其密度為7.85 g/cm3、彈性模量200 GPa、屈服強度230 MPa、抗拉強度450 MPa[6]。通過軟件中的屬性賦予功能，將材料賦予至滾筒中相應零件，完成滾筒材料屬性的設置。

2.3 滾筒網格劃分

根據滾筒的結構尺寸及材料厚度，在軟件中對其進行了實體單元設置及四面體網格劃分，網格大小設置為20 mm，滾筒中零件之間則通過綁定功能進行連接，所劃分的網格數量將近60萬個，節點數為100萬個左右。滾筒網格劃分圖如圖2所示。根據滾筒的受力情況，在滾筒的兩端施加了40 kN的恒定力，垂直于滾筒軸方向，筒體與其他零件之間進行固定約束。由此，完成滾筒的仿真模型建立。

圖2 滾筒網格劃分

3 滾筒結構性能

3.1 結構應力變化

經過仿真分析，得到了滾筒的應力變化圖，如圖3所示。由圖3可知，滾筒整體發生一定程度的應力集中現象，應力分布相對不均勻，最大應力值出現在軸套與軸之間的接觸區域，如圖中Max處。通過滾筒上輻板向滾筒外徑方向呈逐漸減小的變化趨勢。輻板上的減輕孔處也出現了一定的應力集中現象，但相對較小。分析其原因如下：滾筒在運行過程中由于兩端受到垂直軸向的作用力，導致軸及軸套處出現了較大應力集中。由此可知，滾筒兩端的軸與軸套為整個結構的薄弱部位，需重點進行結構優化改進。

圖3 滾筒應力變化

3.2 結構位移變化

經過分析，得到了滾筒作用過程中的結構位移變化，如圖4所示。由圖4可知，滾筒整體結構發生一定程度的結構變形，滾筒兩端軸及軸套的變形量相對較高，軸套中部區域、輻板中部區域也出現了較為明顯的結構變形；沿著中部方向，軸的變形量呈逐漸減小趨勢。分析其原因如下：滾筒兩端由于受到載荷作用，導致其結構出現了不同程度的結構變形。軸、軸套及輻板的兩端是整個結構的薄弱部位，需重點對其進行結構優化。

圖4 滾筒結構變形

4 滾筒結構改進

1）改變滾筒上各零件的材料屬性，將其材料設置為Q345鋼，其屈服強度為345 MPa，從材料屬性方面提高滾筒的結構性能。

2）增加滾筒軸的直徑5 mm，與軸相配合的其他零件尺寸作相應調整，軸套及輻板的厚度增加2 mm，具體可根據實際結構作調整。同時，滾筒的筒體也需增加2 mm，以提高滾筒的整體結構強度及剛度。

3）在軸加工結束后，對其進行淬火熱處理，布氏硬度HRC控制在55～60之間，以保證軸具有足夠的剛度。

4）在軸套及輻板上應力集中區域開設直徑2 mm的小孔，使集中的應力轉移至小孔處，緩解結構上的應力集中問題。

5）保證軸與軸套之間的潤滑性能，降低相關接觸區域的摩擦影響。

5 結論

利用當前成熟的有限元分析方法，對滾筒進行結構性能分析，已成為當前重要的研究手段。滾筒作為帶式輸送機中的關鍵零件，由于受到較大的外界作用力，導致其結構出現較為明顯的失效現象。為此，結合DTL160/330帶式輸送機中滾筒的結構特點，通過建立滾筒的仿真模型，得到了滾筒在運行過程中的性能變化規律。結構表明，軸、軸套及輻板的兩端是整個結構的薄弱區域，為此，從材料屬性、結構尺寸及熱處理工藝等方面提出了滾筒的優化改進措施，這對降低滾筒的失效概率、提高滾筒的結構性能及帶式輸送機的使用壽命具有重要意義，也可為企業帶來重要的經濟價值。