礦用帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒受力分析與改進(jìn)

王倩云

（晉能控股裝備制造集團(tuán)機(jī)電裝備科大機(jī)械有限公司， 山西 大同 037000）

引言

帶式輸送機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行維護(hù)方便、運(yùn)輸效率高等優(yōu)勢(shì)，在很多工業(yè)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[1]。煤礦開(kāi)采中帶式輸送機(jī)是非常重要的輸送裝備，隨著煤礦領(lǐng)域技術(shù)水平的不斷提升，煤礦開(kāi)采效率有了非常快的發(fā)展，這對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)輸效率提出了更高的要求[2-3]。帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒工作時(shí)需要不斷旋轉(zhuǎn)，且承受較大的作用力，導(dǎo)致工作時(shí)容易發(fā)生故障，不利于帶式輸送機(jī)的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定、可靠運(yùn)行[4]。傳動(dòng)滾筒工作時(shí)容易出現(xiàn)問(wèn)題的原因在于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度不足，長(zhǎng)時(shí)間承受較大載荷容易發(fā)生疲勞失效現(xiàn)象[5-6]。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文充分利用先進(jìn)的有限元計(jì)算方法，對(duì)帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒的受力情況進(jìn)行分析，找到存在的問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，取得很好的實(shí)際應(yīng)用效果。

1 帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒概述

以DTL80 型帶式輸送機(jī)為例進(jìn)行闡述。帶式輸送機(jī)中的傳動(dòng)滾筒是非常重要的構(gòu)成部分，電機(jī)輸出的動(dòng)力需通過(guò)傳動(dòng)滾筒輸入帶式輸送機(jī)中。傳動(dòng)滾筒通過(guò)摩擦力驅(qū)動(dòng)皮帶運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)皮帶上面煤礦物料的運(yùn)輸。基于以上工作過(guò)程可以看出，傳動(dòng)滾筒是帶式輸送機(jī)中較重要的承力結(jié)構(gòu)件，長(zhǎng)時(shí)間承受重載荷時(shí)容易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。圖1 所示為帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒的整體結(jié)構(gòu)示意圖。由圖1 可知，傳動(dòng)滾筒同樣由多個(gè)結(jié)構(gòu)件構(gòu)成，最重要的結(jié)構(gòu)件包括筒殼、軸、軸承、輪轂、輻板、脹套。其中，筒殼為空心結(jié)構(gòu)，受力時(shí)容易發(fā)生變形，存在剛度不足的隱患。

圖1 傳動(dòng)滾筒的整體結(jié)構(gòu)

2 傳動(dòng)滾筒有限元模型的建立

2.1 三維模型的建立

根據(jù)傳動(dòng)滾筒實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸，利用UG 三維造型軟件建立對(duì)應(yīng)的三維結(jié)構(gòu)模型。需要說(shuō)明的是，傳動(dòng)滾筒的實(shí)際結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含很多倒角、倒圓等尺寸較小的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)計(jì)算過(guò)程造成不良影響，但對(duì)結(jié)果的影響幾乎可以忽略不計(jì)。因此，在三維造型時(shí)將以上細(xì)節(jié)作忽略處理。將建立好的三維模型導(dǎo)出為STL 格式，然后導(dǎo)入ANSYS 軟件中進(jìn)行有限元建模。

2.2 有限元模型的建立

2.2.1 網(wǎng)格單元?jiǎng)澐?/p>

有限元建模分析過(guò)程中網(wǎng)格單元?jiǎng)澐质欠浅Ｖ匾囊粋€(gè)環(huán)節(jié)，網(wǎng)格類型的選擇及網(wǎng)格尺寸的設(shè)置會(huì)對(duì)計(jì)算過(guò)程和結(jié)果產(chǎn)生直接影響。考慮到筒殼為薄壁件，結(jié)構(gòu)特殊，選用殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其他結(jié)構(gòu)選用六面體單元。網(wǎng)格邊長(zhǎng)由有限元軟件自動(dòng)確定并劃分。最終劃分得到的網(wǎng)格和節(jié)點(diǎn)數(shù)量分別為13 542 和15 389。

2.2.2 材料屬性設(shè)置

正確設(shè)置材料屬性是保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)和前提。傳動(dòng)滾筒不同結(jié)構(gòu)件使用的材料存在一定差異。其中，軸采用的是45 號(hào)鋼，輻板使用的是ZG230～450，脹套和筒殼采用的分別是40Cr 和Q235A。查閱材料手冊(cè)可以獲得以上材料的密度、泊松比、彈性模量等物理參數(shù)，將其輸入有限元模型中。圖2 所示為建立完成的帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒的有限元模型。

圖2 傳動(dòng)滾筒的有限元模型

3 傳動(dòng)滾筒受力結(jié)果分析

3.1 結(jié)果分析

對(duì)以上建立的有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析，并提取計(jì)算結(jié)果，可以查看傳動(dòng)滾筒任意位置的受力和位移變形情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，傳動(dòng)滾筒不同位置的受力和位移變形情況存在明顯的不均勻性。絕大部分位置的受力和位移變形都相對(duì)較小，較大的應(yīng)力和位移變形集中在局部位置。其中，應(yīng)力最大的部位出現(xiàn)在軸上，與脹套裝配接觸的部位，最大應(yīng)力值為230.92 MPa；位移變形最大值出現(xiàn)在筒殼中間部位，最大位移值達(dá)到了0.38 mm。出現(xiàn)這種情況的原因是筒殼為空心件，且厚度較薄，導(dǎo)致中間部位剛度偏低。圖3 所示為應(yīng)力和位移變形集中部位的云圖。

圖3 應(yīng)力和位移變形集中部位的云圖

3.2 存在的缺陷

傳動(dòng)滾筒中軸的加工材料為45 號(hào)鋼，該材料的屈服極限值為350 MPa 左右。根據(jù)上文計(jì)算結(jié)果可知，軸的安全系數(shù)為355÷230.92=1.52。在機(jī)械領(lǐng)域，軸的安全系數(shù)通常要求達(dá)到1.5。雖然計(jì)算得到的安全系數(shù)比要求的安全系數(shù)大，但兩者之間的差距很小。考慮到傳動(dòng)滾筒工作時(shí)需要承受疲勞載荷，應(yīng)力集中位置容易出現(xiàn)疲勞損傷，最終導(dǎo)致軸發(fā)生斷裂。另外，根據(jù)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，傳動(dòng)滾筒工作時(shí)，筒殼的最大位移變形程度不得超過(guò)滾筒直徑與皮帶寬度2 倍的比值。本案例中，滾筒直徑為500 mm，皮帶寬度為800 mm，可以計(jì)算得到上述比值為0.312 5。而傳動(dòng)滾筒的最大位移變形達(dá)到了0.38 mm。可見(jiàn)，筒殼的最大位移變形已經(jīng)超過(guò)了相關(guān)要求。

4 傳動(dòng)滾筒結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)與應(yīng)用

4.1 優(yōu)化改進(jìn)

基于以上分析可以看出，帶式輸送機(jī)由于工作環(huán)境日益復(fù)雜，使得原有的傳動(dòng)滾筒結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足實(shí)際使用需要。傳動(dòng)滾筒工作時(shí)最大應(yīng)力和位移變形程度都相對(duì)較大，存在一定的安全隱患，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)運(yùn)行故障率提升，因此有必要采取措施對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。考慮到傳動(dòng)滾筒中筒殼厚度、輻板厚度、軸的直徑對(duì)整體結(jié)構(gòu)受力影響較大，將上述三個(gè)參量作為優(yōu)化變量，以結(jié)構(gòu)件的安全系數(shù)為優(yōu)化約束條件，利用ANSYS 軟件開(kāi)展結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化工作。優(yōu)化時(shí)筒殼厚度、輻板厚度、軸的直徑的變化范圍分別為3～15 mm、3～20 mm、50～160 mm。

圖4 所示為帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化流程圖。基于以上思路，采用單一變量控制方法，利用ANSYS 軟件建立具有不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的有限元模型并開(kāi)展計(jì)算分析工作。最終得到的最優(yōu)結(jié)果為筒殼厚度5.6 mm、輻板厚度5.5 mm、軸的直徑100 mm。在最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)情況下，傳動(dòng)滾筒整體受力和位移變形規(guī)律與優(yōu)化前相比基本類似，但是軸上的最大應(yīng)力值降低到了192.38 MPa，筒殼上的最大位移變形量降低到了0.286 mm。不管是最大應(yīng)力還是最大位移變形量，均控制在了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求的范圍以內(nèi)，有效保障了傳動(dòng)滾筒運(yùn)行過(guò)程的可靠性和穩(wěn)定性。

圖4 傳動(dòng)滾筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化流程圖

4.2 應(yīng)用分析

將優(yōu)化改進(jìn)后的傳動(dòng)滾筒運(yùn)用到DTL80 型帶式輸送機(jī)中，并對(duì)其實(shí)際運(yùn)行效果進(jìn)行了連續(xù)3 個(gè)月的測(cè)試。在整個(gè)測(cè)試期間傳動(dòng)滾筒運(yùn)行穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的故障問(wèn)題。初步估算，此次對(duì)傳動(dòng)滾筒結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)，能使該結(jié)構(gòu)的故障率降低30%以上，為煤礦企業(yè)節(jié)省大量的維護(hù)和保養(yǎng)成本。綜上，此次針對(duì)傳動(dòng)滾筒結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)工作達(dá)到了預(yù)期效果，獲得了企業(yè)人員的一致好評(píng)。

5 結(jié)論

傳動(dòng)滾筒是帶式輸送機(jī)中較重要的結(jié)構(gòu)件，工作時(shí)需要承受周期性的載荷，且載荷相對(duì)較大，導(dǎo)致傳動(dòng)滾筒是帶式輸送機(jī)中較容易出現(xiàn)故障的部位。本研究利用UG 和ANSYS 軟件建立傳動(dòng)滾筒的有限元模型，對(duì)其整體受力和位移變形進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上提出優(yōu)化改進(jìn)方案。在一定程度上降低傳動(dòng)滾筒的最大應(yīng)力和位移變形值，提升了傳動(dòng)滾筒運(yùn)行的可靠性。將優(yōu)化改進(jìn)后的傳動(dòng)滾筒結(jié)構(gòu)應(yīng)用到DTL80 型帶式輸送機(jī)工程實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)整體運(yùn)行穩(wěn)定，傳動(dòng)滾筒的故障率有了顯著降低，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。