李思鈺

【摘 要】 文章通過(guò)對(duì)數(shù)值模擬的方法研究了礦井皮帶機(jī)滾筒的受力和變形特征，得到了滾筒在不同方向上的應(yīng)力和變形云圖，進(jìn)一步取得了滾筒表面變形最為顯著及應(yīng)力集中的位置，認(rèn)為皮帶機(jī)帶動(dòng)的滾筒表面、滾筒軸與脹套接觸的位置以及滾筒表面與輻板相連處是滾筒最容易發(fā)生疲勞失穩(wěn)之處，需要重點(diǎn)進(jìn)行加固，從而為皮帶機(jī)的穩(wěn)定工作提供有力依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】 皮帶機(jī);滾筒;應(yīng)力集中;數(shù)值模擬

【中圖分類號(hào)】 TD528.1 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

【文章編號(hào)】 2096-4102（2019）03-0032-04 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

在礦井的運(yùn)輸作業(yè)中皮帶機(jī)有著不可或缺的作用，皮帶機(jī)依靠皮帶和滾筒間的摩擦力來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)，但在長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)載等條件下滾筒的穩(wěn)定性會(huì)下降，從而影響礦井開采的安全。以礦井皮帶機(jī)滾筒為背景，建立其數(shù)值模擬模型，通過(guò)有限元軟件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工況條件下的受載和變形特征進(jìn)行研究，可以得到其穩(wěn)定性演變規(guī)律，從而為礦井更加高效穩(wěn)定地運(yùn)輸提供依據(jù)。

1建立模型

皮帶機(jī)滾筒的直徑和寬度分別為1m和2m，筒殼的厚度為26mm，由此在ANSYS中的solidwork中solid45建立如圖1所示的滾筒模型，設(shè)定滾筒的楊氏模量為2*108kN/m2，密度為7900kg/m3，泊松比為0.28。模型建好后，設(shè)置電機(jī)的轉(zhuǎn)速為990rpm，皮帶的寬度略小于滾筒寬度，為1.8m，速率為4.5m/s，滾筒與飄帶間的摩擦系數(shù)為0.35，包圍角為180°。

為降低計(jì)算機(jī)的運(yùn)算負(fù)荷，同時(shí)又不影響計(jì)算機(jī)的模擬精度，本次對(duì)滾筒的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，若不考慮對(duì)結(jié)果影響很小的聯(lián)軸器和螺釘?shù)群?jiǎn)單構(gòu)件，對(duì)圓角等進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，將滾筒軸視為直徑不變的軸，同時(shí)認(rèn)為滾筒各個(gè)結(jié)構(gòu)間的連接性較好，為統(tǒng)一整體，則不考慮焊接。皮帶機(jī)滾筒所建模型如圖1所示。

2載荷施加

由于建模過(guò)程中對(duì)滾筒進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化處理，故需要進(jìn)行一定的重量補(bǔ)償，皮帶機(jī)實(shí)際工作過(guò)程中，軸兩端產(chǎn)生的扭矩力會(huì)驅(qū)動(dòng)滾筒的運(yùn)行，故可將該扭矩力等效為滾筒所受的摩擦力和正應(yīng)力，同時(shí)不考慮皮帶與滾筒摩擦所形成的熱量損失，認(rèn)為在包圍角范圍內(nèi)滾筒所受的載荷符合歐拉公式。

由上可得皮帶機(jī)滾筒所受的扭矩可通過(guò)公式1計(jì)算：

式中：D為滾筒的直徑，mm;Sy和St為皮帶兩邊的拉力，N。

Sy和St滿足公式2：

式中：α為驅(qū)動(dòng)輪包角，rad。

滾筒所受的正應(yīng)力和摩擦力分別通過(guò)公式3和4計(jì)算：

式中：B為皮帶的寬度，mm;θ為包圍角，rad。

從上述公式中可以得知，滾筒所受的載荷與包圍角呈正相關(guān)關(guān)系，且二者遵循指數(shù)函數(shù)分布。按照公式3和4進(jìn)行滾筒載荷的施加時(shí)認(rèn)為沿著皮帶寬帶方向載荷大小相等，為均布載荷。對(duì)滾筒的兩邊施加固定約束條件，以限制其在軸向方向的運(yùn)移。

3數(shù)值模擬結(jié)果研究

滾筒在不同方向上的應(yīng)力云圖如圖2的（a）～（c）所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在滾筒軸與脹套接觸的位置所受的應(yīng)力最為顯著，根據(jù)應(yīng)力云圖標(biāo)簽顯示結(jié)果來(lái)看，其中X方向應(yīng)力最大值為68MPa，Z方向應(yīng)力最大值可達(dá)130MPa，Y方向應(yīng)力最大值可達(dá)151MPa，為三個(gè)方向中應(yīng)力最大，Y和Z方向應(yīng)力要遠(yuǎn)大于X方向。

滾筒在不同方向上的變形云圖如圖3的（a）～（c）所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在滾筒軸向方向受載的中部區(qū)域變形最為顯著，其中，X方向變形最大值為0.077mm，Y方向變形最大值可達(dá)1.4mm，為三個(gè)方向中變形最大，Z方向變形最大為1.36mm。

綜上所述，皮帶機(jī)滾筒表面為應(yīng)力和變形發(fā)生最為顯著的位置，故對(duì)滾筒表面進(jìn)行單獨(dú)的應(yīng)力和變形研究，滾筒表面的應(yīng)力和變形特征分別如圖4和圖5所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在X方向上，在滾筒表面中部的位置應(yīng)力最大，該值為27.5MPa，Y方向和Z方向上應(yīng)力集中的位置均處于滾筒表面與輻板相連處，這兩個(gè)方向的最大應(yīng)力分別為21MPa和17.5MPa。而圖5所示的變形特征與圖3相似。

綜合數(shù)值模擬結(jié)果分析，皮帶機(jī)帶動(dòng)的滾筒表面以及滾筒軸與脹套接觸的位置均存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，在滾筒軸向方向受載的中部區(qū)域?yàn)樽冃物@著的位置，但變形顯著的位置所受的載荷較小，故要將脹套連接預(yù)緊力的影響考慮在內(nèi)。礦井皮帶機(jī)在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中所受的軸向方向的載荷是變化的，而脆性材料在漸變載荷的作用下容易發(fā)生疲勞，從而降低自身的穩(wěn)定性，故需要考慮此因素的影響。

滾筒表面與輻板相連處同樣所受應(yīng)力較大，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際中相連處需要焊接，而焊接位置的強(qiáng)度要低于材料原始強(qiáng)度，故需要注意焊接的程度，以減小滾筒發(fā)生失穩(wěn)的概率。

皮帶機(jī)滾筒表面的中部位置變形最大，該位置部分范圍受外載荷作用，部分范圍不受載荷作用，在載荷作用的范圍會(huì)形成向內(nèi)的變形，而不受載荷作用的范圍在周邊約束的作用下發(fā)生向外部空間的變形。但在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際中所受載荷是變化的，從而使得滾筒表面中部的變形并不是固定往同一方向，同樣會(huì)引起材料疲勞，使其容易發(fā)生破壞。

4結(jié)語(yǔ)

本文以礦井皮帶機(jī)滾筒為背景，建立其數(shù)值模擬模型，通過(guò)有限元軟件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工況條件下的受載和變形特征進(jìn)行了研究，認(rèn)為皮帶機(jī)帶動(dòng)的滾筒表面以及滾筒軸與脹套接觸的位置均存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，滾筒表面與輻板相連處同樣所受應(yīng)力較大，這些位置在交變載荷的作用下容易發(fā)生疲勞失穩(wěn)，故需加強(qiáng)注意，以提高皮帶機(jī)工作的穩(wěn)定性。

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