帶式輸送機傳動滾筒軸強度分析與輕量化設計

田建鋒

（山西天地王坡煤業有限公司，山西 晉城 048021）

1 概 況

帶式輸送機是煤炭掘進工作中必不可少的設備之一，承擔著煤炭井下輸送至井上的重任，可靠性非常重要，一旦出現故障，將會導致井下煤炭掘進工作的停滯停工，影響生產效率。傳動滾筒是帶式輸送機的重要組件，主要由傳動滾筒筒殼、滾筒軸和輻板輪轂組成，其中滾筒軸作為滾筒連續轉動的支撐與傳動部件，是傳動滾筒正常工作的關鍵，必須保證其運行穩定可靠。滾筒軸屬于連續運轉的部件，結構笨重會導致啟動能耗高、提速緩慢等情況，連續運轉時的能耗也會增加。針對王坡煤業SSJ1000/180 型帶式輸送機傳動滾筒能耗較高的問題，采用ANSYS 仿真計算軟件對其滾筒軸開展強度分析與輕量化設計。

2 有限元仿真分析

王坡煤業SSJ1000/180 型帶式輸送機傳動滾筒為單端驅動滾筒，結構組成形式如圖1 所示，包括滾筒軸、軸承、輻板、脹套、筒殼和輪轂等。

圖1 傳動滾筒結構組成Fig.1 Structure of transmission drum

2.1 三維模型建立

帶式輸送機傳動滾筒的結構較為簡單，三維模型的建立直接在ANSYS workbench 有限元仿真計算軟件內部完成，為了提高滾筒軸仿真計算的效率，對滾筒軸不影響仿真計算結果的特征進行了簡化，如倒角、圓角、溝槽、凸臺等。

2.2 材料屬性設置

將建立完成的帶式輸送機傳動滾筒三維模型進行材料屬性設置。傳送滾筒軸的技術資料顯示，滾筒軸材料牌號為45 號鋼，彈性模量193 GPa，泊松比0.28；輻板輪轂材料牌號為ZG230-450，彈性模量207 GPa，泊松比0.28；脹套材料牌號為40Cr，彈性模量206 GPa，泊松比0.3；筒殼材料牌號為q235，彈性模量200 GPa，泊松比0.29。

2.3 網格劃分

材料屬性設置完成后進行網格劃分，實體原件包括滾筒軸、輻板輪轂和脹套，選擇SOLID185 六面體網格形式，將網格單元尺寸設置為4 mm；薄壁殼體結構僅有滾筒筒殼，選擇SHELL181 網格形式劃分，將網格單元尺寸設置為7 mm。

2.4 約束和載荷

根據王坡煤業SSJ1000/180 型帶式輸送機實際使用工況進行傳動滾筒約束與載荷設置。對滾筒軸的兩端設置軸承約束，滾筒連續運轉時所受的載荷包括自重、軸端輸入扭矩和輸送帶張力3 部分。自重載荷方向與重力方向相反；軸端輸入扭矩轉換為沿滾筒切線方向的切向力；滾筒所受的張緊力轉換成垂直于軸線的作用力。施加完載荷和約束的傳動滾筒如圖2 所示。

圖2 傳動滾筒有限元仿真模型Fig.2 Finite element simulation model of transmission drum

2.5 仿真結果

設置完傳動滾筒軸的有限元分析參數之后啟動ANSYS workbench 仿真計算軟件自帶求解器，開始傳動滾筒軸的強度計算，計算完成之后進行后處理，提取滾筒軸的等效應力和位移分布云圖，如圖3 和圖4 所示。

圖3 滾筒軸等效應力分布云圖Fig.3 Cloud map of equivalent stress distribution of roller shaft

圖4 滾筒軸位移分布云圖Fig.4 Cloud map of drum shaft displacement distribution

由圖3 滾筒軸的等效應力分布云圖可以看出，最大應力數值為142.09 MPa，存在應力集中現象，位置處于軸與脹套接觸處，應力集中出現的原因是滾筒軸工作時屬于簡支梁，兩端由脹套支撐，中間部位受力，同時，軸與脹套接觸位置存在截面尺寸的變化。

由圖4 滾筒軸位移分布云圖可以看出，位移最大數值為0.118 mm，最大位移出現在滾筒軸中段位置上，并且沿著軸線向兩端逐漸減小，出現上述變形趨勢的原因同樣是簡支梁結構所致，同時，滾筒中間承受輸送帶的張緊力較大，變形方向與帶式輸送機張緊力方向相反。

滾筒軸的材料為45 號鋼，極限屈服強度為355 MPa，計算得出的安全系數為2.5，結合實際應用時滾筒軸安全系數約為1.5 的情況，表明滾筒軸的強度設計安全富裕度足夠，存在輕量化設計的條件。

3 輕量化設計

根據上述傳動滾筒軸強度分析結果，王坡煤業SSJ1000/180 型帶式輸送機滾筒軸強度安全系數高于實際應用需求，雖然使用安全可靠但存在材料浪費、能源消耗較高的問題，因此有必要開展輕量化設計工作。經過分析研究，將滾筒軸最大直徑從100 mm 減小至75 mm。修改滾筒軸三維模型之后再次設置仿真計算參數，驗證輕量化設計效果。

運用ANSYS workbench 軟件對輕量化改進設計后的滾筒軸進行強度計算，滾筒軸的等效應力分布云圖和位移分布云圖如圖5 和圖6 所示。

圖5 輕量化滾筒軸等效應力分布云圖Fig.5 Equivalent stress distribution of lightweight roller shaft

圖6 輕量化滾筒軸位移分布云圖Fig.6 Displacement distribution of lightweight roller shaft

由圖5 滾筒軸的等效分布云圖可以看出，相同約束和載荷條件下，輕量化設計之后的滾筒軸最大應力數值為149.27 MPa，相較于改進之前的142.09 MPa 有所升高，但安全系數為2.24，仍然高于1.5的使用要求。應力集中位置依然出現在軸與脹套接觸處，相較于滾筒軸材料45 號鋼的極限屈服應力335 MPa，仍然保持了較高的安全性能。

由圖6 滾筒軸的位移分布云圖可以看出，滾筒軸的最大位移數值為0.29 mm，出現在滾筒軸中段位置上，相較于輕量化之前有所提高，但不明顯，滿足滾筒軸正常使用的要求。

經計算可以得出，輕量化之前的滾筒軸質量約為92.4 kg，直徑降低25 mm 之后的質量約為51.99 kg，降低了43.73%，輕量化設計效果良好。

4 結 論

（1） 滾筒軸作為帶式輸送機傳動滾筒的重要組件之一，其工作的經濟性直接關系煤炭企業的經濟效益。針對王坡煤業SSJ1000/180 型帶式輸送機，以其傳動滾筒軸為研究對象，借助ANSYS 有限元仿真計算軟件，開展了傳動滾筒軸的強度分析工作。結果表明，傳動滾筒軸的設計強度的安全系數遠高于實際使用要求，存在較大的安全裕度，因此將滾筒軸直徑由100 mm 降低至75 mm，通過仿真計算得出，傳動滾筒軸的強度和剛度均能滿足使用要求，質量降低了43.73%，取得了良好的輕量化設計效果。

（2） 由計算結果可以看出，滾筒軸強度安全系數依然存在較大的富余，還具有進一步輕量化改進的條件，但根據筆者多年工作經驗，繼續降低滾筒軸直徑將會增加滾筒使用過程中出現其他故障的風險，因此未繼續開展進一步的輕量化設計工作。