新型礦用帶式輸送機托輥有限元分析及結構優化

翟建忠

（山西新元煤炭有限責任公司， 山西 晉中 045400）

0 引言

現階段，國內高質量托輥數量較少，使得托輥使用性能難以滿足國際標準工作時間要求，為彌補此問題需花費大量的人力和物力進行托輥檢修及更換，嚴重影響生產效率。托輥的綜合性能水平的主要影響因素在于托輥結構設計和托輥材料設計，常用的托輥結構設計方法為試驗分析法和理論計算法，兩種方法均存在一定缺陷，難以滿足當前使用需求。因此，提出一種礦用帶式輸送機托輥仿真模擬分析方法和一種托輥結構優化設計方案，可為后續托輥結構設計提供參考支持[1-5]。

1 礦用帶式輸送機托輥仿真模型構建

通過CAD 軟件構建礦用帶式輸送機托輥三維實體模型，將模型導入到ANSYS 軟件中，將三維實體模型轉化為有限元仿真模型。通過ANSYS 軟件實施托輥模型網格劃分。為保障有限元分析時計算機計算精度和速度，模型為自動網格劃分模式，并在網格劃分后對網格質量進行檢驗和調整，保障網格劃分質量。托輥網格劃分模型如圖1 所示。

圖1 托輥網格劃分模型

根據托輥實際運行情況為托輥配置轉速、載荷約束等條件。其中轉速方面，主要分為最低轉速、標準轉速以及最高轉速三種工況，分別對應的轉速和帶速分別 為50 r/min 和0.42 m/s、516 r/min 和4.5 m/s、721 r/min 和6.3 m/s；載荷方面，托輥采用的材料為Q235B鋼材，其額定載荷為5.99 kN；約束方面，分別于托輥軸承座內的軸承與密封裝置設置固定約束，該約束會約束托輥旋轉方向外的其他自由度。

2 礦用帶式輸送機托輥有限元仿真分析

2.1 托輥轉動件

2.1.1 最低轉速工況下有限元仿真

當礦用帶式輸送機處于最低轉速工況時，托輥轉動件有限元仿真分析結果如圖2 和圖3 所示。

圖2 托輥轉動件等效應力云圖

圖3 托輥轉動件等效位移云圖

如圖2 所示，在最低轉速工況下，托輥轉動件最大應力區域集中在托輥轉動件內表面中心區域，最大應力點的等效應力值為96.772 MPa。具體應力分布表現為由中心向兩側依次減小的態勢。

如圖3 所示，在最低轉速工況下，托輥轉動件最大位移區域集中在托輥轉動件中心區域，最大位移點的位移值為0.172 56 mm。具體位移分布表現為由中心向兩側依次減小的態勢。

2.1.2 標準轉速工況下有限元仿真

在標準轉速工況下，托輥轉動件最大應力區域集中在托輥轉動件外表面中心區域，最大應力點的等效應力值為21.84 MPa。具體應力分布表現為由中心向兩側依次減小的態勢。在標準轉速工況下，托輥轉動件最大位移區域集中在托輥轉動件中心區域，最大位移點的位移值為0.068 5 mm。具體位移分布表現為由中心向兩側依次減小的態勢。

2.1.3 最高轉速工況下有限元仿真

在最高轉速工況下，托輥轉動件最大應力區域集中在托輥轉動件外表面中心區域，最大應力點的等效應力值為22.109 MPa。具體應力分布表現為由中心向兩側依次減小的態勢。在最高轉速工況下，托輥轉動件最大位移區域集中在托輥轉動件中心區域，最大位移點的位移值為0.065 758 mm。具體位移分布表現為由中心向兩側依次減小的態勢。

總體來說，托輥轉動件所承受的應力和位移均相對較小，通常不會對托輥正常運行造成影響。不過，相關應力值和位移值與材料最大許用應力之間存在較大差異，確認托輥傳動件存在優化空間，可通過減重等方式來實現托輥結構件優化效果。

2.2 托輥軸

2.2.1 冷拔托輥軸有限元分析

冷拔托輥軸有限元仿真分析結果如圖4 和圖5所示。

圖4 托輥軸等效應力云圖

圖5 托輥軸等效位移云圖

如圖4 所示，冷拔托輥軸大部分區域不存在應力集中情況，其應力最大區域位于托輥軸兩端銑平面夾角區域。具體應力分布表現為以最大應力點為中心向外依次減小的態勢。

如圖5 所示，冷拔托輥軸最大位移點處于托輥軸中心區域，最大位移點的位移值為0.091 398 mm。具體位移分布表現為由中心向兩側依次減小的態勢。

2.2.2 階梯托輥軸有限元分析

冷拔托輥軸大部分區域不存在應力集中情況，其應力最大區域位于托輥軸兩端銑平面夾角區域，最大應力值為232.42 MPa。具體應力分布表現為以最大應力點為中心向外依次減小的態勢。冷拔托輥軸最大位移點處于托輥軸中心區域，最大位移點的位移值為0.038 072 mm。具體位移分布表現為由中心向兩側依次減小的態勢。

通過冷拔托輥軸和階梯托輥軸的有限元仿真分析結果可知，托輥軸的最大應力點位于托輥軸兩端銑平面夾角區域，冷拔托輥軸最大應力值可達到232.42 MPa，該應力值均已接近托輥軸材料的最大許用應力235 MPa，說明無論是冷拔托輥軸，還是階梯托輥軸，其兩端銑平面夾角區域均屬于應力薄弱點，所以需要選用最大許用應力和更強的材料對該區域材料進行替換處理。

3 新型礦用帶式輸送機托輥結構優化設計方案

根據有限元分析結果及相關改進優化措施，介紹以下新型礦用帶式輸送機托輥結構優化設計方案。

1）托輥轉動件：采用管體厚度為4 mm 的Q235B無縫鋼管作為托輥管體，軸承座采用厚度為3.5 mm的沖壓軸承座，托輥管體內中心位置焊接一個寬度和厚度分別為10 mm 和5 mm 的圓環。

2）托輥軸：托輥軸材料采用Q355 低碳合金鋼替代Q235B 鋼材料，銑平面寬度設定為20.4 mm，托輥軸過渡圓角半徑和周長分別設置為2 mm 和562 mm。

4 托輥結構優化設計方案的工程應用

在提出新型礦用帶式輸送機托輥結構優化設計方案后，為驗證托輥結構優化設計方案的應用價值，需將優化設計方案應用于工程實踐。具體應用中根據新型礦用帶式輸送機托輥結構優化設計方案對現有礦用帶式輸送機托輥及相關結構進行科學優化調整，并在調整后通過仿真分析方法對礦用帶式輸送機基本結構合理性進行綜合分析判斷。

通過仿真分析方法初步確認優化設計方案切實可行后，在礦用帶式輸送機各關鍵結構區域配置振動傳感器、聲音傳感器、速度傳感器等多種傳感器設備，通過傳感器設備采集礦用帶式輸送機運行數據，該數據作為新型礦用帶式輸送機托輥結構和現有托輥結構的軸承分析數據。相較于現有托輥結構，新型托輥結構在三種不同轉速工況下的最大變形量和最大應力值等方面均表現出較強的優勢，確認其具體良好的應用價值。

5 結語

基于有限元仿真分析方法，結合礦用帶式輸送機托輥基本結構，構建礦用帶式輸送機托輥仿真有限元模型，并根據分析結果提出新型礦用帶式輸送機托輥結構優化設計方案。根據工程應用結果來看，此新型礦用帶式輸送機托輥結構優化設計方案具有較強可行性和應用價值，可在后續礦用帶式輸送機托輥結構優化中進行參考應用。